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Aug 11, 2023

Tres

Fecha: 6 de julio de 2023 Autores: Rena Giesecke y Benjamin Dillenburger Fuente: Glass Structures & Engineering, volumen 7, (2022) DOI: https://doi.org/10.1007/s40940-022-00176-y La investigación presentada

Fecha: 6 de julio de 2023

Autores: Rena Giesecke y Benjamin Dillenburger

Fuente:Ingeniería y estructuras de vidrio, volumen 7, (2022)

DOI:https://doi.org/10.1007/s40940-022-00176-y

La investigación presentada investiga un método de fabricación digital para elementos de construcción de vidrio personalizados basado en moldes impresos tridimensionalmente (3D). Las piezas de vidrio personalizadas con geometrías específicas suelen requerir varios pasos de fabricación, artesanía o maquinaria altamente especializada. Los moldes de acero fresados ​​con control numérico por computadora solo son adecuados para lotes de gran tamaño debido a su alto costo y libertad geométrica limitada. La fundición a la cera perdida requiere varios pasos de fabricación y posprocesamiento. Este artículo investiga un proceso accesible y de bajo costo para dar forma a artefactos de vidrio utilizando moldes impresos en 3D para cerrar la brecha entre los elementos de vidrio producidos en masa y hechos a medida. Investigaciones anteriores han demostrado el potencial del uso de aglutinantes con aglutinantes inorgánicos para la fundición de vidrio. Este artículo investiga una variedad de métodos de fabricación tradicionales además de la fundición de vidrio que se pueden combinar con moldes impresos en 3D, incluida la fundición y la fundición en horno, el moldeo por soplado y el hundimiento.

El objetivo es ampliar las posibilidades de fabricación y proporcionar una gama de enfoques para el vidrio tridimensional. El objetivo es simplificar el proceso desde el diseño hasta la producción de elementos tridimensionales macizos, huecos o de doble curvatura en láminas de vidrio con alta precisión. Este artículo presenta investigaciones de técnicas de inyección de aglutinante y consideraciones de materiales, su resistencia al calor, compatibilidad con diferentes procesos de fabricación de vidrio y recubrimientos para el tratamiento de moldes. Además, se evalúa la precisión de las piezas de vidrio resultantes y se definen pautas de diseño para tipologías de vidrio. Los ladrillos o láminas de vidrio para fachadas con características geométricas habilitadas por el método de fabricación presentado podrían permitir nuevas propiedades ópticas, estructurales o decorativas en los elementos de construcción.

1.1 Antecedentes

El vidrio jugó un papel esencial en la historia de la cultura y la arquitectura y fue descubierto por primera vez por los humanos en la Edad del Bronce, a mediados del tercer milenio a. C. en Mesopotamia (Wight 2011). En la época romana, los objetos domésticos se fabricaban mediante fundición de frita, que implicaba fundir pequeños gránulos de vidrio bajo calor dentro de un molde. Desde entonces, el moldeado del vidrio ha desempeñado un papel fundamental en la fabricación de vidrio. En el siglo I a. C., los fenicios inventaron el soplado de vidrio para fabricar artefactos huecos como vasijas y botellas. Los romanos fueron los primeros en utilizar pequeñas piezas de vidrio fundido, parcialmente transparentes, en edificios en el año 100 d.C. (McGrath y Frost 1937). A partir del siglo XVIII se utilizó vidrio soplado cilíndrico o vidrio corona para fabricar cristales. El arquitecto suizo Gustave Falconnier modificó el proceso tradicional de moldeo por soplado de botellas utilizando moldes de acero para fabricar ladrillos de vidrio huecos con fines arquitectónicos (Jeandrevin 2018).

En 1887, el moldeo por soplado industrial permitió la producción en masa de vasijas y objetos domésticos. En 1959, la invención del proceso del vidrio flotado permitió la producción en masa de vidrio flotado como producto estandarizado para la construcción (Pilkington 1969). Hoy en día, las piezas de vidrio producidas en masa cubren un mercado importante en todo el mundo (Statista 2021), mientras que el vidrio elaborado a medida es una industria en declive (Guardian 2021). Los moldes producidos en masa para componentes de vidrio suelen estar hechos de acero inoxidable o grafito, mientras que para objetos de vidrio personalizados los moldes suelen fabricarse mediante prensado de arena o moldes de yeso y sílice. La elección del método de moldeo depende de la precisión requerida, la geometría y el número de producción de piezas y el material de moldeo es específico del método de procesamiento de vidrio aplicado. Para el método de prensado de arena, se presiona un patrón de madera en una mezcla de arena, arcilla y bentonita antes de fundirlo para el proceso de moldeo del patrón de arena.

Para la técnica de cera perdida, se esculpe manualmente un positivo de cera o plástico, o se fresa con CNC, seguido de una mezcla de yeso y sílice alrededor del positivo (Feinberg 1983). Sin embargo, la técnica requiere mucho tiempo y es laboriosa, y la superficie de vidrio en contacto con el molde da como resultado una superficie rugosa que requiere un procesamiento posterior para obtener un resultado transparente que probablemente afecte la precisión del objeto de vidrio. Si bien los moldes de acero fresados ​​por CNC son muy beneficiosos para aplicaciones a gran escala y elementos de alta precisión con lotes de gran tamaño (Oikonomopoulou et al. 2018), son demasiado costosos para cantidades de producción pequeñas y tienen una complejidad geométrica parcialmente limitada. Aunque algunos moldes de acero de componentes múltiples pueden permitir la fabricación de piezas complejas, no pueden producir socavados en piezas complejas porque no se puede quitar el molde.

1.2 Estado del arte

Los desarrollos recientes emplean la impresión 3D de plástico para producir el positivo de la técnica de cera perdida (Dudly 2019). Después de derretir el plástico, el molde cerámico permanece y el vidrio se vierte en la cavidad desde un recipiente colocado encima. Este proceso puede dar como resultado piezas precisas, pero requiere varios pasos y un posprocesamiento de la superficie rugosa del vidrio para lograr resultados transparentes. En los últimos años se han desarrollado varios métodos de impresión 3D sin molde para vidrio, incluidos procesos de impresión 3D a microescala, como la impresión de vidrio de sílice fundido transparente (Kotz et al. 2017). El Mediated Matter Group del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha desarrollado un proceso basado en extrusión para imprimir objetos de vidrio ópticamente transparentes de hasta 25 × 25 × 30 cm de dimensión dentro de una cámara calentada (Klein et al. 2015). Sin embargo, la impresión 3D directa sobre vidrio tiene una escala y una geometría limitadas y requiere equipos y experiencia altamente especializados.

El Grupo de Vidrio y Transparencia de TU Delft está investigando el uso de vidrio fundido estructural y reciclado (Bristogianni et al. 2018) y ha presentado la primera prueba de concepto para el uso de moldes de arena impresos en 3D como parte de una revisión de diferentes métodos de moldeado de vidrio. (Oikonomopoulou et al.2020). Esta última investigación demuestra la viabilidad de utilizar moldes de arena impresos en 3D y aglutinantes inorgánicos para la fundición de vidrio en hornos y el uso de revestimientos para lograr superficies de acabado transparentes para piezas de vidrio fundidas en hornos. Un grupo de investigación sueco también ha investigado el uso de moldes de arena impresos en 3D para la fundición de vidrio. En este contexto, el grupo ha llegado a conclusiones sobre los revestimientos para la fundición de vidrio (Lundstedt et al. 2022). Además, los moldes de arena impresos en 3D han demostrado su potencial para aplicaciones en el campo de la construcción de estructuras complejas de hormigón y metal. Los ejemplos incluyen moldes de arena impresos en 3D para elementos de construcción de hormigón (Jipa et al. 2017) y para nodos de metal fundido desarrollados por Arup (Galjaard et al. 2015).

Los moldes impresos en 3D para hormigón tienen el potencial de producir geometrías complejas de alta resolución que no se pueden fabricar con métodos de impresión 3D directa y el moldeo en arena impreso en 3D para metal fundido tiene importantes ventajas de costos sobre las piezas impresas directamente en 3D. En general, los moldes de arena impresos en 3D son ventajosos para producir piezas complejas con lotes pequeños y requisitos de alta precisión. Para el vidrio, los moldes de arena impresos en 3D tienen un potencial único para producir geometrías intrincadas con socavaduras que no se pueden producir con un molde de acero multicomponente debido al cierre de las piezas de vidrio o del molde de acero o en casos en los que no se desean rastros de costuras de segmentación. En tales casos, pueden actuar como un molde desechable que se retira por rotura. Además, los moldes de arena impresos en 3D son muy beneficiosos para piezas individuales, prototipos o lotes pequeños debido a su costo significativamente menor que los moldes de acero. En comparación con otras técnicas de moldeo desechables, como la técnica de cera perdida, los moldes de arena impresos en 3D tienen varias ventajas: requieren menos mano de obra, son muy precisos y no requieren posprocesamiento de la pieza de vidrio.

1.3 Enfoque

Los objetivos de esta investigación son:

Esta investigación amplía la investigación existente al investigar una amplia gama de diferentes técnicas de fabricación de vidrio combinadas con moldes de arena impresos en 3D. El objetivo es mejorar las técnicas tradicionales con los últimos métodos de fabricación aditiva y proporcionar una variedad de estrategias para piezas de vidrio personalizadas. Más específicamente, la investigación examina si el horno de vidrio y la fundición, el moldeo por soplado y el desplome son compatibles con 3DPM para proporcionar un método de fabricación digital accesible y preciso para piezas de vidrio tridimensionales personalizadas. El método propuesto reduce la mano de obra y el alto costo de los métodos de elaboración y supera las limitaciones de escala de los métodos de impresión 3D directa en vidrio. Además, el artículo amplía los requisitos relacionados para cada uno de estos procesos, la precisión de los resultados producidos y presenta pautas de diseño para diferentes tipologías. Es crucial elegir el método de fabricación para las características geométricas deseadas con las limitaciones específicas de cada método de fabricación. La fundición de vidrio es adecuada para objetos sólidos de forma libre, el moldeo por soplado para objetos huecos de forma libre y el desplome para láminas de vidrio doblemente curvadas.

Para investigar la compatibilidad de los moldes de arena impresos en 3D con diferentes métodos de procesamiento de vidrio, se prueban cuatro métodos diferentes, a saber, fundición y fundición de vidrio en horno, moldeo por soplado y desplome. La Tabla 1 proporciona una descripción general de los métodos de procesamiento de vidrio investigados, incluidas las temperaturas de procesamiento, los tiempos de contacto del molde, el tipo de vidrio, la etapa de entrada y la tipología de salida. A continuación, el término tipología se utiliza para los diferentes tipos de piezas de vidrio, como piezas macizas volumétricas, piezas huecas volumétricas y cristales doblemente curvados. Los principales parámetros que se evaluarán en esta investigación para cada uno de los cuatro métodos de procesamiento de vidrio relacionados con la calidad del vidrio y el proceso de fabricación son:

Tabla 1 Descripción general de los métodos y configuraciones de fabricación de vidrio con moldes impresos tridimensionales (3DPM) -mesa de tamaño completo

Parámetros de evaluación relacionados con la calidad del vidrio:

La calidad del acabado superficial se verifica en función de la transparencia óptica de las piezas y la suavidad de la superficie resultante en relación con los diferentes recubrimientos ensayados. La posibilidad de reutilizar el molde se verifica en base al uso repetitivo del mismo. El nivel de precisión se controla mediante escaneo 3D de los moldes y las piezas de vidrio. Las limitaciones geométricas se examinan mediante pruebas iterativas y comparaciones digitales mediante escaneo 3D. El costo y el tiempo para la producción de moldes se inspeccionan según los tiempos y costos proporcionados por el proveedor de servicios y midiendo los tiempos de procesamiento durante los experimentos.

Todos los experimentos se ejecutan con moldes de arena impresos por ExOne utilizando chorro de aglutinante y aglutinante de silicato de sodio inorgánico (ExOne 2022). Todos los moldes producidos se imprimen como una sola pieza. Los materiales de recubrimiento probados para lograr propiedades superficiales ópticamente transparentes incluyen recubrimientos a base de agua y alcohol. En la sección se proporciona una descripción general de los productos de recubrimiento específicos utilizados. 3.2.1 en la Tabla 4. Antes de ejecutar los experimentos, los moldes se secan a una temperatura de 200 °C para evitar fallas debido a la humedad capturada en los moldes. Para todos los experimentos se utiliza vidrio sodocálcico. Los experimentos de horneado se realizan en un horno de vidrio Nabertherm GF600 (Nabertherm 2021). Para investigar la precisión de moldes y piezas de vidrio, se escanean en 3D utilizando el escáner GOM ATOS CORE 300 con una precisión de escaneo de 10 a 20 µm. Antes del escaneo, las muestras de vidrio se rocían con un spray de escaneo llamado AESUB blue (3D Ware 2021) para evitar efectos de dispersión bajo la superficie en los datos escaneados. La comparación de datos se realiza con el software GOM Inspect.

La Tabla 2 proporciona una descripción general de todos los experimentos realizados en esta investigación, incluido el método de procesamiento del vidrio y la configuración utilizada, la geometría del molde, el volumen del vidrio, los productos de recubrimiento aplicados, la cantidad de muestras analizadas y el programa de recocido o horneado. Se requiere una viscosidad y temperatura de procesamiento diferentes para cada método de procesamiento de vidrio, lo que resulta en requisitos diferentes para cada proceso de moldeo.

Tabla 2 Descripción general de los experimentos realizados en esta investigación -mesa de tamaño completo

3.1 Producción de moldes

Esta sección proporciona una descripción general de los sistemas de inyección de aglutinante actualmente disponibles en el mercado y examina su viabilidad para la fundición de vidrio. Se clasifican por tipo de aglutinante, empresa, aplicación de fundición, resistencia a la temperatura y emisiones bajo calor (Tabla 3). La inyección aglutinante de arena de sílice permite la fabricación de piezas impresas en 3D con alta complejidad geométrica y alta precisión (Voxeljet 2022). En un proceso automatizado, se distribuye arena de sílice suelta de un tamaño de grano de 130 µm y se une localmente imprimiendo un patrón 2D de aglutinante capa por capa. La ventaja de los métodos de inyección de aglutinante es que la mayor complejidad geométrica no añade tiempo adicional para fabricar el molde. El escaneo 3D de una impresión sólida de 15 × 15 × 10 cm (Fig. 1) identifica la alta precisión que se puede lograr con una desviación de menos de 0,25 mm con respecto al modelo digital 3D (compárese con la Fig. 8 en la Sección 4.2). El uso de aglutinantes orgánicos para la inyección de aglutinante en moldes de arena está establecido para la fundición industrial de piezas metálicas de forma libre. Sin embargo, el fenol y el furano pueden emitir vapores durante la fundición cuando se queman contenidos orgánicos (Showman y Scheller 2015).

Por lo tanto, los aglutinantes orgánicos están excluidos de los siguientes experimentos ya que requieren sistemas de ventilación especializados para los hornos y protección del personal en las instalaciones de investigación y fundición. Las soluciones de inyección de aglutinante inorgánico, que actualmente son nuevas en el mercado, brindan una alternativa prometedora a los sistemas de inyección de aglutinante orgánico, ya que son adecuadas para la fundición a alta temperatura y permiten una fundición libre de emisiones sin quemar contenido orgánico durante el vertido (ExOne 2022). En el caso de los aglutinantes inorgánicos, las estructuras del aglutinante se reblandecen a temperaturas entre 550 y 700 °C. En el caso de aglutinantes furánicos, el ablandamiento comienza entre 550 y 675 °C. Con aglutinantes fenólicos, el ablandamiento tiende a comenzar ligeramente más alto. Sin embargo, el proceso de ablandamiento se puede retrasar utilizando arenas especiales, como Cerabeads. Footnote1 Como la fundición de vidrio requiere temperaturas de aproximadamente 1200 °C y la fundición en horno de 900 °C, los moldes están expuestos a temperaturas significativamente más altas. En el ámbito de los sistemas de inyección de aglutinantes inorgánicos, el vidrio soluble, también llamado silicato de sodio, aglutinante y aglutinante cementoso inorgánico, se encuentra actualmente en el mercado y se está probando.

Las pruebas iniciales del aglutinante cementoso de Concr3de ​​(ConCr3de 2022) dan como resultado la ebullición del vidrio durante la fundición por razones no especificadas, mientras que el aglutinante de silicato de sodio resiste el proceso de fundición y recocido sin fallas estructurales del molde ni desarrollo de gas. Mientras que los volúmenes de impresión pequeños se pueden imprimir sin defectos, los volúmenes sólidos de 45 × 45 × 25 cm presentan grietas por tensión que resultan del proceso de endurecimiento después de la impresión. Los huecos están integrados en la geometría para mitigar este problema y reducir el volumen de impresión. Sin embargo, todavía se producen grietas por tensión. El proceso de agrietamiento de la capa estándar de ± 0,4 % y 280 µm de piezas más grandes se puede retrasar con éxito utilizando arenas especiales como Cerabeads para que se puedan imprimir con éxito piezas de 45 × 25 cm.

Tabla 3 Sistemas de chorro de aglomerante de arena -mesa de tamaño completo

3.2 Fundición de vidrio 3DPM

Esta sección investiga la viabilidad de utilizar moldes 3DPM para fundición y fundición de vidrio en horno.

3.2.1 Recubrimiento del molde

Para producir moldes de vidrio ópticamente transparentes con superficies lisas y permitir una fácil extracción del molde, es necesario recubrir el molde. No se recomienda realizar un posprocesamiento del vidrio para obtener una mejor calidad de la superficie, ya que lijar o cortar requiere mucha mano de obra y puede debilitar la pieza estructuralmente. Los requisitos de los recubrimientos para la fundición de vidrio son:

La Tabla 4 proporciona una descripción general de todos los recubrimientos probados para fundición de vidrio en horno y fundición, su resistencia a la temperatura indicada, método de aplicación, compatibilidad con moldes y procesos, y propiedades resultantes de la superficie del vidrio. Los recubrimientos se prueban en horno o fundición, según su resistencia a la temperatura indicada. Las pruebas iniciales de fundición en horno sin recubrimiento de molde (Fig. 3a) y con agentes desmoldantes a base de polvo (Fig. 3b) dan como resultado superficies opacas de los objetos de vidrio. En la primera fase de la investigación sobre revestimientos se examina la compatibilidad de revestimientos cerámicos y de hormigón a base de agua con el molde de arena ligado inorgánicamente. Sin embargo, los recubrimientos a base de agua disuelven la impresión o provocan grietas en la superficie del molde, lo que produce marcas en el vidrio fundido (Fig. 3c).

En el siguiente paso, se probaron materiales de revestimiento comunes para aficionados disponibles en el mercado para la fundición en horno, incluido el separador seco de vidrio Paragon a base de polvo (Fig. 3b), la porcelana Bodmer Casting Slip C40 (Fig. 3c), la imprimación para estantes Bullseye y el nitruro de boro. Aerosol 3M (aplicado como segunda capa) (Fig. 3d). El agente desmoldante seco Paragon Glass Separator Dry a base de polvo dio como resultado modelos opacos sin recubrimiento ni agente desmoldante aplicado (Fig. 3a). Bullseye Shelf Primer deja manchas opacas en la superficie del vidrio (Fig. 3d). Debido a la falta de transparencia en los resultados iniciales, el recubrimiento de silicato de sodio y los recubrimientos no acuosos a base de alcohol para alta temperatura Zirkofluid®6672 y Zirkofluid®1219 se prueban para fundición en horno (Fig. 3f) y para fundición (Fig. 3g). . A diferencia de los barnices acuosos, los barnices a base de alcohol tienen la ventaja de que no disuelven el aglutinante de silicato de sodio.

Zirkofluid®6672 y Zirkofluid®1219, así como la solución de silicato de sodio, se aplican en un proceso de recubrimiento por inmersión (Fig. 2) para lograr un resultado de recubrimiento con un espesor uniforme. El recubrimiento de silicato de sodio da como resultado piezas de vidrio ópticamente transparentes y precisas, pero la superficie granulada del molde de arena se transfiere al molde (Fig. 3e). Zirkofluid®6672 y Zirkofluid®1219 dan como resultado un vidrio ópticamente transparente con propiedades de superficie lisa, para fundición en horno a 900 °C (Fig. 3d). La fundición con recubrimiento Zirkofluid® da como resultado propiedades superficiales transparentes, aunque ligeramente lechosas (Fig. 3g). Antes de la aplicación, el recubrimiento se diluye con un 25 por ciento de isopropanol para proporcionar una viscosidad adecuada para el proceso de recubrimiento por inmersión. El proceso consiste en verter el recubrimiento en el molde y retirarlo después de 13 segundos para lograr un espesor objetivo de aproximadamente 50 µm. El espesor húmedo resultante del recubrimiento se mide usando un medidor de espesor y se puede ajustar según se desee. El contenido de alcohol debe evaporarse o quemarse antes de iniciar el proceso de fundición. Después de varias pruebas, se descubre que este espesor de recubrimiento da como resultado el mejor acabado superficial del vidrio conservando al mismo tiempo las propiedades geométricas del molde.

Tabla 4 Recubrimientos de moldes probados: especímenes resultantes en la Fig. 3 -mesa de tamaño completo

Para abordar el problema de la superficie lechosa de las piezas de vidrio fundidas en fundición, se prueba y rocía una capa adicional de dispersión de grafito y agua llamada Bonderite® LGP (Silitech 2022) sobre el revestimiento Zirkofluid®, lo que da como resultado piezas de vidrio lisas y ópticamente transparentes ( Figuras 3h y 5e, d). Los lubricantes de grafito se usan comúnmente para la fundición de metales a altas temperaturas y son ventajosos porque tienen excelentes propiedades de separación (Fuchs 2022). Según el fabricante, mediante análisis termogravimétrico se comprobó que el lubricante de grafito Bonderite® utilizado comienza a quemarse a unos 600 °C.Footnote2 Aunque la temperatura de fundición es significativamente mayor a 1200 °C, las propiedades superficiales de la pieza fundida son completamente transparentes ópticamente (Figura 4). Se puede suponer que la temperatura en la superficie de contacto del molde es significativamente menor que la temperatura de fundición y se mantiene por debajo del límite de temperatura del producto de 600 °C. Los factores adicionales que afectan el rendimiento del spray de grafito son la velocidad de enfriamiento del vidrio durante la fundición, la alimentación de oxígeno del entorno y la eliminación del CO2 a través de las aberturas y poros del molde. Se requieren más investigaciones de estos parámetros.

3.2.2 Fundición de vidrio

Para el proceso de fundición de vidrio, también llamado vertido en caliente, el artesano vierte vidrio fundido en el molde utilizando una cuchara de fundición. La Figura 4 muestra la pieza de vidrio transparente fundida en horno resultante extraída del molde impreso en 3D después del recocido. Las temperaturas de fundición varían entre 1100 y 1400 °C para el vidrio sodocálcico dependiendo de la viscosidad requerida para que el vidrio fluya y llene el molde. Antes de fundir, el molde debe secarse completamente sin humedad encerrada en los poros, ya que la humedad puede provocar burbujas de aire durante el proceso de fundición y en el vidrio fundido. El vidrio es un análisis que usó el lubricante de grafito Bonderite® y luego se vertió en el molde usando una cuchara (Tabla 1A). Después de que el vidrio se vierte en el molde, se coloca en el horno para el proceso de recocido necesario para liberar las tensiones internas del vidrio (Fig. 5b).

Los tiempos de recocido pueden variar significativamente desde varias horas para piezas pequeñas hasta un año para piezas grandes, dependiendo del volumen y la geometría del vidrio (Oikonomopoulou et al. 2018). La Tabla 5 (programa de recocido A) muestra el programa de recocido específico aplicado para la fundición. Zirkofluid®6672, Zirkofluid®1219 y el recubrimiento de silicato de sodio no provocan emisiones ni humos en el proceso de fundición. Los moldes recubiertos con silicato de sodio dan como resultado resultados ópticamente transparentes con una estructura superficial granulada de la arena (Fig. 3f). Los moldes recubiertos con Zirkofluid®6672 y Zirkofluid®1219 producen propiedades superficiales transparentes pero lechosas (Fig. 3g). La Figura 5c muestra el resultado de un molde sin recubrimiento (izquierda) y un molde recubierto con Zirkofluid (derecha).

Tabla 5 Programas de recocido y horneado -mesa de tamaño completo

Para mejorar aún más las propiedades de la superficie del vidrio, se aplica un recubrimiento adicional con dispersión de grafito y agua Bonderite® L-GP (Fig. 5d) y produce propiedades de superficie lisas y totalmente transparentes (Fig. 5e).

3.2.3 Fundición de vidrio en horno

Para el proceso de fundición de vidrio en el horno, las pepitas de vidrio se colocan dentro de un recipiente de cerámica y se funden en un molde colocado debajo a una temperatura máxima de 900 °C (Fig. 5c). La Tabla 5 (programa de recocido B) muestra el programa de recocido específico aplicado para la fundición. Si no se aplica ningún recubrimiento al molde de arena, los granos de arena se adhieren a la superficie del molde de vidrio (Fig. 3a). El separador de vidrio Paragon también produce propiedades de superficie opaca (Fig. 3b), y la porcelana Bodmer Slip Casting produce grietas en el molde debido a la contracción del material, que dejan rastros en el molde (Fig. 3c). Zirkofluid®6672, Zirkofluid®1219 son recubrimientos adecuados para el proceso de fundición en horno y dan como resultado propiedades superficiales transparentes, aunque ligeramente lechosas (Fig. 3d).

3.3 Soplado de vidrio 3DPM

Para el proceso de soplado de vidrio, el artesano toma un lote de vidrio fundido del horno de fundición, le da forma de esfera de vidrio y la infla soplando aire a través de un tubo hacia el interior del lote de vidrio (Fig. 6a). El globo de vidrio inflado se coloca dentro del molde y se infla aún más hasta que toca las paredes del molde (Fig. 6b). El vidrio soplado se puede retirar inmediatamente y colocar en el horno para el proceso de recocido para geometrías sin socavados. Tradicionalmente se utilizan moldes de madera para geometrías con socavados, pero los moldes de arena impresos en 3D también son adecuados, ya que pueden soportar el proceso de recocido en el horno. La Tabla 5 (programa de recocido A), muestra el programa de recocido específico aplicado para piezas de vidrio soplado en la fundición. Dependiendo del volumen de la pieza de vidrio, el espesor de la pared puede variar entre 3 y 20 mm, con espesores de pared ligeramente mayores en las esquinas.

El vidrio soplado 3DPM tiene propiedades ópticamente transparentes y es una técnica eficaz para la creación de piezas de vidrio huecas y ligeras (Fig. 6c). Para obtener resultados ópticamente transparentes, no se requiere recubrimiento. Lo más probable es que esto esté relacionado con un breve tiempo de contacto con el molde de menos de un minuto. A temperaturas más altas, pueden aparecer pequeños rastros de granos de arena en el lado del vidrio que está en contacto con el molde. Sin embargo, en los casos en los que se requiera una perfecta suavidad, se pueden eliminar pequeños restos utilizando el recubrimiento Zirkofluid®. Las pruebas de moldeo por soplado presentadas en este artículo se realizaron sin recubrimiento, pero pruebas adicionales han demostrado experimentalmente la idoneidad del recubrimiento Zirkofluid® para moldeo por soplado.

3.4 Caída del vidrio 3DPM

El proceso de caída permite dar forma a un panel de vidrio flotado plano en una superficie de vidrio doblemente curvada. Se coloca una lámina de vidrio plana encima del molde en el horno (Fig. 7a) y se forma por gravedad sobre el molde de arena impreso en 3D. La figura 7c muestra la curvatura resultante en paneles de vidrio de 30x48 cm y la 7b la doble curvatura desde cerca. En esta investigación, se prueban dos temperaturas máximas diferentes para evaluar las limitaciones del vidrio flotado de doble curvatura desplomado. La Tabla 5 muestra los dos programas de recocido aplicados para el desplome a 675 °C (programa de recocido C) y a 800 °C (programa de recocido D). Para obtener resultados ópticamente transparentes, no se requiere ningún recubrimiento para este proceso porque el vidrio desplomado se procesa a temperaturas comparativamente bajas de 675 a 800 °C con una viscosidad del vidrio menor que en el proceso de fundición. De este modo, la arena no se fusiona con el cristal. Es posible que se produzcan texturas menores resultantes de la arena granulada en el lado del panel de vidrio que está en contacto con el molde a temperaturas más altas.

Sin embargo, si estos pequeños rastros no son deseados y se requiere una suavidad perfecta, se pueden eliminar por completo utilizando el recubrimiento Zirkofluid®. Las pruebas de asentamiento presentadas en este artículo se realizaron sin recubrimiento, pero pruebas adicionales han demostrado experimentalmente la idoneidad del recubrimiento Zirkofluid® para el asentamiento. Se probaron geometrías de moldes con diferentes intensidades de curvatura para investigar las limitaciones geométricas del vidrio doblemente curvado. Los resultados y los parámetros del proceso se examinarán más a fondo en la Sección. 4.3. Como es deseable la reutilización del molde, se probó la estabilidad del molde durante varias repeticiones. Si bien los moldes permanecen completamente estables en la primera iteración del proceso, presentan grietas y roturas en las puntas de la geometría en la segunda y esquinas rotas en la tercera iteración del proceso. La rotura se produce principalmente por la fuerza mecánica aplicada al molde y el ablandamiento del aglutinante.

4.1 Tipologías

Este párrafo resume los principales aspectos a considerar al diseñar moldes 3DP para la fabricación de vidrio. El método debe elegirse en relación con las características y la tipología de diseño deseadas. La fundición de vidrio es adecuada para objetos sólidos, el moldeo por soplado para objetos huecos y el desplome para vidrio en láminas doblemente curvadas. La Tabla 6 proporciona una descripción general de las tipologías que se pueden producir con los métodos presentados, así como información sobre los aspectos de diseño a considerar en términos de limitaciones de tamaño, limitaciones geométricas y geometría y dimensiones del molde. Las limitaciones y dimensiones son recomendaciones derivadas de la experiencia práctica y limitaciones relacionadas con el sistema, más que de pruebas experimentales estratégicas. Las piezas sólidas de vidrio de forma libre producidas con fundición de vidrio 3DPM están limitadas al tamaño del horno donde se puede colocar el vidrio para el proceso de recocido. El aumento del volumen puede aumentar significativamente los tiempos de recocido para piezas sólidas de vidrio fundido. Los espesores de pared del molde deben definirse en relación con la presión hidrostática específica en el molde.

Los moldes de tamaño inferior a 15 × 15 × 10 cm con 20 mm de espesor permanecieron estables durante los experimentos, mientras que los moldes de tamaño superior a 25 × 25 × 25 cm se rompieron y tuvieron que ser moldeados con una caja de soporte de metal. Para la fundición de vidrio de moldes complejos, se requiere una calibración de viscosidad específica. Se podrían seguir trabajando para investigar los criterios específicos mediante experimentos. Para la producción de piezas huecas de forma libre con soplado de vidrio 3DPM, el tamaño de la pieza se limita al tamaño de burbuja que el artesano o la máquina puede producir. Se requiere una entrada superior para permitir la entrada de la burbuja de vidrio. Es difícil producir espacios estrechos o geometrías puntiagudas, mientras que la continuidad de la superficie es ventajosa para el soplado de vidrio. En los experimentos se logró la reutilización única de piezas de vidrio que no están cerradas; sin embargo, se requiere segmentación para eliminar el moho. El tamaño también está limitado al tamaño del horno para la producción de piezas de vidrio doblemente curvadas utilizando el desplome 3DPM. La imprenta recomienda que los segmentos no superen los 45 × 45 × 25 cm, ya que se produjeron grietas por tensión durante las pruebas y las piezas podrían romperse al sacarlas de la caja de impresión. En el proceso de caída, no se pueden producir socavaduras y son factibles curvaturas estrechas. Las limitaciones específicas para las dobles curvaturas se investigan en la Sección. 4.3.

Tabla 6 Tipologías de vidrio 3DPM -mesa de tamaño completo

4.2 Nivel de precisión

Esta sección examina la precisión del molde y de los elementos de vidrio fundido, soplado y desplomado en comparación con el modelo de entrada digital.

Precisión del molde Para identificar la precisión de los moldes impresos a lo largo de las diferentes etapas del proceso de fabricación, los moldes se escanearon en 3D utilizando el escáner GOM ATOS CORE 300 antes del recubrimiento (Fig. 8a), después del recubrimiento (Fig. 8b) y después del horneado ( Figura 8c). La Figura 8 muestra las desviaciones del modelo digital a lo largo del proceso. El molde de arena impreso en 3D es exacto con desviaciones de < 0,25 mm con respecto al modelo digital. Después de aplicar la fina capa de 50 µm, la geometría se desvía menos de 0,25 mm del modelo digital. Después del horneado, el molde muestra algunas deformaciones a lo largo de los bordes afilados y las superficies exteriores de una desviación de <0,75 mm.

Fundición en horno y fundición Los escaneos de las piezas demuestran que el vidrio fundido en horno y fundición se puede fabricar con alta precisión con una desviación de menos de 1 mm en el área de la superficie (Fig. 9a y b). Sin embargo, el vidrio fundido muestra desviaciones más sustanciales de <5 mm a lo largo de los bordes frágiles (Fig. 9a). El vidrio fundido en horno da como resultado una mayor precisión con una desviación de <1,5 mm a lo largo de toda la pieza (Fig. 9b).

Moldeo por soplado El moldeo por soplado logra una alta precisión de < 1 mm en áreas donde el vidrio puede tocar inmediatamente el molde cuando se infla. Sin embargo, los espacios o muescas no permiten que el vidrio soplado entre completamente, lo que genera desviaciones de hasta 5 mm con respecto al modelo 3D (Fig. 9c).

Caída La precisión de los resultados creados mediante el proceso de caída depende en gran medida de la curva de calor y la intensidad de la curvatura. Los escaneos identifican una alta precisión en los puntos de inflexión de la geometría y desviaciones máximas de 9 mm en los valles (Fig. 10). Para temperaturas máximas de 675 °C (programa de horneado C), se midieron desviaciones de 6 mm en los valles del molde. Para temperaturas máximas de 800 °C (programa de horneado D), se midieron desviaciones de 9 mm en los valles del molde. Se observaron desviaciones máximas en los bordes del molde a medida que el vidrio se alejaba de los bordes hacia los valles de la geometría a una temperatura máxima de 800 °C. El control de los bordes plantea un desafío específico del desplome del vidrio. El espesor del vidrio varió significativamente en el caso de las curvas de horneado a 800 °C, lo que resultó en vidrio estirado frágil en las puntas de la geometría, mientras que las pruebas a 675 °C no variaron significativamente en espesor.

4.3 Libertad y limitaciones geométricas

Más allá de la descripción general de la libertad y las limitaciones geométricas específicas de la tipología, esta sección investiga la libertad y las limitaciones geométricas del vidrio desplomado a través de experimentos. Hasta donde sabemos, no existe un método estandarizado para determinar la libertad geométrica. Debido a la falta de métodos implementados, esta sección se centra en examinar las limitaciones geométricas del vidrio desplomado que pueden examinarse de manera relevante a través de diferentes intensidades de curvatura. Para la fundición y el soplado de vidrio, los requisitos son más complejos y el alcance de dichas investigaciones requeriría una publicación separada. Por lo tanto, se examinaron los siguientes factores, ya que permiten una buena comparabilidad y evaluación del vidrio desplomado que es relevante para la práctica.

Para examinar las limitaciones de curvatura del hundimiento de las láminas de vidrio, se diseñan computacionalmente tres moldes con doble curvatura con diferentes longitudes de onda (Fig. 11) y se prueban a lo largo de dos curvas de calor diferentes con una temperatura máxima de 675 °C (programa de horneado C) y 800 °C ( Programa de horneado D). Si bien la curvatura más amplia (Fig. 11a, c) se puede lograr con ambas curvas de calor, la curvatura más pronunciada (Fig. 11b, d) solo se puede lograr con una temperatura de caída más alta. En la curvatura más pronunciada, el cristal permanece casi plano a 675 °C a pesar de una ligera deformación (Fig. 11b). Para probar experimentalmente la libertad geométrica y las limitaciones del vidrio fundido y soplado, se requeriría una variedad de pruebas que exceden el marco de este documento general. El desarrollo de un conjunto de pruebas estandarizadas que puedan abordar la complejidad de las limitaciones geométricas de la fundición de vidrio podría permitir la ingeniería del molde basada en parámetros, independientemente de la experiencia de los profesionales.

4.4 Posibles desafíos

En el proceso de conformación del vidrio, pueden ocurrir complicaciones específicas para cada método que pueden provocar defectos en el artefacto de vidrio, tales como:

fundición de vidrio

Soplado de vidrio

desplomándose

4.5 Costo y tiempo de producción de moldes.

Los moldes de arena impresos en 3D ofrecen una importante ventaja económica en tiempo y costos sobre los moldes de acero fresados ​​con CNC para lotes pequeños y otras técnicas de moldeo desechables, como la técnica de cera perdida. Esta sección resume los costos y el tiempo para producir los moldes utilizados en esta investigación. El coste del molde de arena impreso en 3D como servicio industrial es de aproximadamente 5 euros/litroFootnote3 sin coste adicional por el procesamiento del propio molde. El costo se calcula en función del volumen de espacio de impresión requerido, no del volumen de arena unida. En concreto, esto supone unos costes de aproximadamente 12 euros para los moldes de 15 × 15 × 10 cm (2,25 litros) con curvatura convexa, 1,50 euros para los moldes pequeños de 7 × 7 × 6 cm (0,3 litros) para esferas de vidrio de 50 mm, y Aproximadamente 72 euros por los moldes doblemente curvados de 30 × 48 × 10 cm (14,4 litros).

El proceso de inyección de aglutinante inorgánico dura nueve horas por caja de impresión de 180 × 100 × 40 cm (720 litros) de volumen, con una hora adicional de endurecimiento del recubrimiento de una superficie de molde de 2 m2, asumiendo un espesor de recubrimiento de 50 µm cuando se diluye con etanol. El tiempo requerido para el proceso de recubrimiento por inmersión es corto, pero se debe considerar un proceso de secado de aproximadamente dos días durante el cual el recubrimiento puede secarse y el alcohol puede evaporarse. En conclusión, los moldes de arena impresos en 3D ofrecen un enfoque de moldeo de vidrio de bajo costo y que ahorra tiempo.

En esta sección se presentan las conclusiones de esta investigación. La Tabla 7 proporciona una descripción general de los resultados por método de fabricación.

Tabla 7 Resumen de resultados por método de fabricación -mesa de tamaño completo

Las conclusiones generales de la investigación presentada son:

Las conclusiones de la investigación presentada relacionadas con la calidad del vidrio son:

Las conclusiones de la investigación presentada relacionadas con el proceso de fabricación son:

Vidrio Digital: La Fabricación Aditiva (FA) directa de materiales ha experimentado importantes avances en los últimos años, especialmente para pastas y materiales cementosos. Sin embargo, los métodos de fabricación digital del vidrio aún están en sus inicios debido a la dificultad de procesar el material [Giesecke et al. 2022]. Este artículo proporciona una aplicación indirecta de AM para vidrio compatible con la artesanía tradicional para abrir nuevas posibilidades para la fabricación de vidrio elaborado digitalmente.

Espacio de diseño novedoso para vidrio y posibles aplicaciones: los métodos presentados abren nuevas posibilidades para la fabricación de vidrio en diversas escalas y aplicaciones. Estas nuevas oportunidades están disponibles para que los vidrieros, diseñadores, arquitectos e ingenieros creen prototipos de piezas de vidrio personalizadas de alta gama con novedosas propiedades geométricas y ópticas. Las áreas de aplicación de piezas de vidrio con formas tridimensionales podrían incluir piezas de diseño, ladrillos y cristales de ventanas y elementos de fachada.

Trabajo futuro: futuras investigaciones podrían investigar las limitaciones geométricas y de escala de las técnicas presentadas. Esto podría incluir potencialmente la investigación de las limitaciones geométricas para la fundición de vidrio y el moldeo por soplado. Para derivar un conjunto general de reglas para todos los métodos presentados en esta investigación, se requiere una variedad de pruebas para abordar su complejidad y garantizar la comparabilidad con otros métodos. Las pruebas estratégicas relacionadas con la presión hidrostática en los moldes y su estabilidad durante la fundición para obtener espesores de pared podrían permitir la ingeniería de moldes basada en evidencia. Además, en trabajos futuros se podrían investigar moldes multicomponente, la fabricación de componentes de construcción para su montaje a gran escala y su rendimiento estructural. Estos pasos podrían permitir nuevas características geométricas, estructurales y decorativas en la arquitectura de vidrio.

Los autores agradecen a Andreas Müller y Leonard Stöckle de ExOne Alemania, Holger Barth, David Hein, Julian Bernhardt y Dr. Christian Lustig del Grupo Hüttenes-Albertus por su apoyo técnico, Eduardo Arabiano y Robert Niederer de Glass Foundry Hergiswil por su apoyo. esta investigación. Los autores agradecen el apoyo de Andreas Reusser, Heinz Richner y Lex Reiter de la cátedra de Química Física de Materiales de Construcción, el Dr. Falk Wittel de la cátedra de Física Computacional para Materiales de Ingeniería y Robert Presl del Instituto de Geodesia y Fotogrametría de ETH Zúrich.

Financiamiento de acceso abierto proporcionado por el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zurich.

Autores y afiliaciones

Arquitectura, Tecnologías de construcción digitales, ETH Zurich, Stefano-Franscini-Platz, CH-8093, Zurich, Suiza - Rena Giesecke & Benjamin Dillenburger

Autor correspondiente

Correspondencia a Rena Giesecke.