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Dec 15, 2023

Moulage au sable reconfigurable robotisé pour verre flotté à double courbure

Date : 7 juin 2023 La recherche présentée étudie la formation de sable meuble en tant que

Date : 7 juin 2023

La recherche présentée étudie la formation de sable lâche comme stratégie de moulage reconfigurable pour les pièces en verre personnalisées. Les pièces en verre à double courbure nécessitent généralement la fabrication à forte intensité de main-d'œuvre de moules individuels en céramique ou en acier. Les moules reconfigurables pour le verre sont limités à des géométries modulaires spécifiques et nécessitent des mécanismes d'actionnement coûteux et résistants à la chaleur. Les moules en sable imprimés en trois dimensions (3D) pour l'affaissement du verre nécessitent des liants et ne peuvent pas être réutilisés. L'objectif de cette recherche est de faciliter une fabrication sans déchets d'éléments en verre à double courbure et un processus de fabrication de moules facile, rapide et peu coûteux pour le cintrage à chaud du verre. Le système de moulage utilise un matériau de sable en vrac granulaire, qui est résistant à la chaleur et peut être rapidement reformé. En combinaison avec de nouveaux outils numériques et la fabrication robotique, la technique fournit un système de moulage flexible pour la transformation de verre flotté prêt pour l'industrie.

Cette recherche présente les premiers résultats, y compris les systèmes de matériaux granulaires possibles pour le moulage granulaire en vrac, les stratégies de configuration et de placement robotiques pour les matériaux granulaires et la formation de matériaux volumétriques en tenant compte des paramètres du processus robotique. En outre, il étudie la stabilité du moule lors de l'affaissement et la précision géométrique du moule et des éléments en verre qui en résultent. Les éléments en verre résultants sont entièrement transparents sans aucune contamination. L'approche présentée permet des courbures lisses, un retrait facile des moules et un recyclage complet des moules sans autre traitement. La méthode a été appliquée dans plusieurs expériences à mi-échelle, y compris des recherches sur la famille de formes pouvant être produite. La liberté géométrique et les limites de la méthode de fabrication proposée sont discutées. Le moulage au sable reconfigurable pour le verre pourrait permettre la personnalisation géométrique des éléments en verre et permettre de nouvelles propriétés optiques, structurelles ou décoratives dans les façades et les fenêtres en verre.

1.1. Arrière-plan

La fabrication du verre trouve ses origines dans l'Antiquité. Les premières traces de moules pour le verre remontent à l'époque romaine. Les objets ménagers ont été fabriqués à l'aide de coulée de fritte, en fusionnant de petits granulés de verre sous la chaleur à l'intérieur d'un moule ou en coulant du verre liquide à l'intérieur d'un moule (Wight 2011). Avant l'invention du soufflage du verre au premier siècle avant J.-C., qui permettait la fabrication sans moule d'objets creux de forme libre (Eisen 1916), les artisans utilisaient ce qu'on appelle la formation de noyau en enroulant du verre fondu autour d'un noyau qui serait retiré pour produire des objets creux (Corning Museum of Glass 2022). Malgré l'invention de procédés sans moule, les moules ont été un outil très pertinent à travers l'histoire pour le façonnage du verre. Les matériaux de moulage comprennent le sable, la céramique, l'argile-bentonite, le graphite et l'acier. Parmi eux, le sable est un matériau de moulage pertinent pour la coulée du verre et du métal.

Pour ce que l'on appelle le processus de coulée de motifs, un motif en bois est pressé dans un mélange sable-argile-bentonite et retiré avant la coulée (Corning Museum of Glass 2022). Alors que les artisans utilisent encore ces méthodes traditionnelles jusqu'à aujourd'hui pour les artefacts de forme libre, l'industrie du verre plat a fait des progrès significatifs tout au long de l'histoire de l'ingénierie du verre pour la construction. Pendant la révolution industrielle, la technique du verre en feuille soufflé au cylindre a permis la fabrication de verres plats pour des applications en architecture. Ce processus consistait à souffler un cylindre de verre et à le déplier sur une plaque d'acier plate pour produire des vitres plates (Diderot et al. 2002). L'invention du procédé de verre flotté en 1952 a permis la production de verre flotté standardisé sans distorsion pour l'architecture et l'industrie automobile (Pilkington 1969). Aujourd'hui, le verre flotté occupe la majorité du marché du verre, avec une croissance annuelle prévue continue de 4 % d'ici 2028 (Statista 2021).

La mise en œuvre du verre bombé en architecture reste une exception en raison du défi de fabriquer du verre doublement bombé avec une qualité standardisée et des coûts énergétiques et de moulage élevés. Les moules pour les pièces en verre à double courbure destinées à l'architecture ou à l'industrie automobile sont généralement en céramique ou en acier chromé qui sont coûteux et ne peuvent être utilisés que pour produire un type de forme (German Bundesverband Flachglas 2012). Le cintrage à froid du verre gagne en popularité en raison de ses avantages écologiques. Pourtant, la technique est limitée aux simples et légères doubles courbures sans le potentiel de produire des doubles courbures à petite échelle dans un panneau (Fildhuth et al. 2019).

1.2. État de l'art

Les technologies récentes utilisent des systèmes de moulage reconfigurables à partir d'éléments en acier chromé ou en céramique pour fabriquer des feuilles de verre affaissées de différentes formes avec le même moule. Cependant, ceux-ci sont généralement limités à des géométries modulaires spécifiques et nécessitent des mécanismes d'actionnement coûteux et résistants à la chaleur (McGee et al. 2012). Le groupe Verre et transparence de la TU Delft a présenté la première preuve de concept pour l'utilisation de moules imprimés en 3D pour la coulée du verre dans le cadre d'un examen des différentes méthodes de moulage du verre (Oikonomopoulou et al. 2020). Des recherches antérieures ont démontré l'utilisation de moules imprimés en trois dimensions pour la coulée de verre, le moulage par soufflage et l'affaissement. Cependant, les moules en sable imprimés en trois dimensions (3D) pour l'affaissement du verre nécessitent des liants, ne peuvent pas être réutilisés et présentent une fragilité lors des tests (Giesecke et Dillenburger 2022). Des recherches antérieures à l'ETH Zurich ont démontré l'utilisation d'une tête d'outil personnalisée pour l'impression de verre granulaire (Michopoulou et al. 2021), la mise en forme lâche du sable à l'aide d'une configuration robotique et d'un distributeur personnalisé (Medina et al. 2020), et comme une méthode de moulage reconfigurable pour le béton (Gramazio Kohler Research 2022).

1.3. Approche

Pour permettre la mise en œuvre de pièces de verre float doublement incurvées personnalisées pour l'architecture, cette recherche utilise le dépôt automatisé de sable meuble comme stratégie de moulage à faible coût, reconfigurable et sans déchets. La méthode proposée surmonte l'intensité de main-d'œuvre et le coût élevé des techniques traditionnelles de fabrication de moules, l'inadaptabilité des moules imprimés en 3D et le besoin de systèmes de moulage reconfigurables hautement techniques. Le moulage reconfigurable basé sur un système granulaire pourrait permettre des bâtiments avec des parties en verre avec une courbure personnalisée non répétitive dans chaque partie.

Les expériences suivantes sont exécutées avec une configuration CNC équipée d'un outil personnalisé pour la distribution de sable. Toutes les expériences présentées dans cet article utilisent des vitres en verre de 6 mm d'épaisseur de 300 x 480 mm provenant du même fournisseur. La configuration de cuisson est un four à verre Nabertherm GF600 (Nabertherm 2022). Toutes les expériences sont réalisées avec la même courbe de chaleur de températures maximales de 650 degrés Celsius. Les matériaux utilisés pour le moule comprennent du sable et du gravier naturels achetés chez un fournisseur de construction. Plus précisément, le sable de silice à une granulométrie de 0,1 à 0,2 mm, le sable à une granulométrie de 0,35 à 1,5 mm, le gravier à une taille de 2 à 5 mm et les roches à une taille de 25 à 50 mm sans ajout de matériaux ou de liants supplémentaires constituent le matériau de moulage.

2.1. Système de moulage granulaire et processus de cuisson

Ce chapitre étudie les performances des systèmes de moulage granulaire avec une gamme de différents matériaux testés. Les premiers tests avec des pièces en céramique coulée se traduisent par des traits pointus et la lisibilité de la modularité dans le verre. Par conséquent, le sable, le gravier et les roches sont testés en tant que matériaux de moulage naturels entièrement recyclables qui peuvent potentiellement produire des courbures lisses et être traités avec des techniques de fabrication additive pour l'assemblage efficace et prévisible du moule reconfigurable.

Le sable, le gravier et les roches présentent d'excellents résultats en matière de résistance à la chaleur, de recyclabilité et d'élimination de la partie en verre. La résolution et la fluidité des résultats diffèrent significativement (Fig. 2). Le sable de silice à 0,1-0,2 mm (Fig. 1a) est idéal pour façonner des géométries avec une courbure douce et lisse, tandis que le gravier à une granulométrie de 2 à 5 mm (Fig.1b) et des roches plus grosses à une taille de 25 à 50 mm (Fig. 1c) entraînent caractéristiques pointues et dépendent fortement à la fois de la géométrie unique et spécifique de la roche et de son orientation. En raison de ces découvertes, les recherches suivantes se concentrent sur le sable en tant que matériau de moulage en raison de sa capacité à façonner le verre à haute résolution en géométries lisses et du potentiel de traitement efficace du sable à l'aide d'une tête d'outil. Cependant, le gravier et les roches présentent un grand potentiel pour être placés dans des endroits où le sable ne peut pas atteindre les hauteurs ou la stabilité souhaitées.

En résumé, le sable est un matériau de moulage idéal pour les raisons suivantes :

Les premiers tests avec du sable de silice (Fig. 3) montrent que le verre plat de 6 mm épouse entièrement la forme des tas de sable et des zones où aucun sable n'est placé. Le placement de la vitre en verre plat sur les tas de sable déforme légèrement la pointe du tas de sable, provoquant un aplatissement de ces zones. Les tas de sable présentent une excellente stabilité, probablement causée par la charge du verre appliqué et le coincement du matériau granulaire en dessous. La précision des pièces résultantes sera étudiée plus en détail dans 2.5 Précision : déformation du moule et analyse par numérisation 3D. Pour le processus d'affaissement du verre, la vitre est soigneusement placée sur le sable déposé dans le four. Pour former le verre, le four est chauffé jusqu'à 650°C puis refroidi en plusieurs étapes pour relâcher les contraintes. Des températures plus élevées allant jusqu'à 800°C peuvent potentiellement être appliquées pour des courbures plus extrêmes ou des vitres plus épaisses.

2.2. Tête d'outil de configuration CNC et distributeur de sable

La configuration robotique pour la distribution du sable se compose d'un système de mouvement CNC ou d'un bras robotique UR10 et d'un effecteur final personnalisé (Fig. 4). L'effecteur final est conçu comme une configuration de test pour l'impression de différents types et couleurs de matériaux granulaires. La tête d'outil peut être fixée à une configuration CNC ou à un bras robotique. Un tuyau cylindrique permet de stocker le sable, qui peut être rempli par le haut. La vis rotative constituée d'un foret standard libère le sable et le transporte à travers un tuyau de 6 mm jusqu'à la pointe de la tête de l'outil, qui consiste en une pièce conique en plastique imprimée en 3D. Le volume de sable libéré peut être contrôlé grâce aux révolutions du moteur. La configuration actuelle est calibrée pour le sable de 0,35 à 1,5 mm de granulométrie, mais peut être ajustée à différentes granulométries en ajustant le diamètre de la vis et du tuyau.

2.3. Étalonnage des paramètres de processus et impression de sable

La configuration robotique pour la distribution du sable se compose d'un système de mouvement CNC ou d'un bras robotique UR10 et d'un effecteur final personnalisé (Fig. 4). L'effecteur final est conçu comme une configuration de test pour l'impression de différents types et couleurs de matériaux granulaires. La tête d'outil peut être fixée à une configuration CNC ou à un bras robotique. Un tuyau cylindrique permet de stocker le sable, qui peut être rempli par le haut. La vis rotative constituée d'un foret standard libère le sable et le transporte à travers un tuyau de 6 mm jusqu'à la pointe de la tête de l'outil, qui consiste en une pièce conique en plastique imprimée en 3D. Le volume de sable libéré peut être contrôlé grâce aux révolutions du moteur. La configuration actuelle est calibrée pour le sable de 0,35 à 1,5 mm de granulométrie, mais peut être ajustée à différentes granulométries en ajustant le diamètre de la vis et du tuyau.

Tableau 1 : paramètres de processus.

2.4. Précision : Déformation du moule et analyse par numérisation 3D

Ce chapitre étudie la précision des échantillons de verre résultants par rapport aux scans du moule en sable lâche. Pour identifier les déformations résultant de la pose de la vitre sur le sable meuble et du processus d'affaissement dans le four, le sable est scanné avant et après le processus de touraillage. Le sable est scanné en 3D à l'aide d'un scanner GOM ATOS CORE 300 avec une précision de 10-20μm et la comparaison des données est effectuée avec le logiciel GOM Inspect. La figure 6 montre les écarts minimaux par rapport à la géométrie cible résultant du poids appliqué lors du placement de la vitre sur le sable meuble. Alors que la géométrie globale du sable se traduit par une grande précision, les pointes des tas de sable présentent des déformations allant jusqu'à 2 mm (Fig. 6, visualisées en rouge) résultant de la charge appliquée lors de la pose du verre. Grâce à ce processus, le sable est poussé vers le bas, ce qui entraîne des déviations de moins de 2 mm sous la pointe des tas de sable (Fig. 6, visualisée en bleu).

2.5. Essais d'affaissement du verre

La figure 7 montre que la vitre épouse entièrement la typologie du sable meuble, y compris les zones planes où aucun sable n'a été placé. Le verre présente des propriétés optiquement transparentes sans contamination par le sable ou le processus. Le matériau granulaire est imprimé dans le verre en fonction de la taille du sable. La figure 7b montre les motifs résultants dans le verre avec des déformations ponctuelles le long d'une grille régulière de hauteur constante qui démontre la répétabilité du processus présenté, des hauteurs variables, une grille irrégulière de hauteurs constantes et une grille irrégulière de hauteurs variables avec le résultat réfléchissant. et propriétés de réfraction des déformations dans le verre (Fig.8).

2.6. Familles de formes : liberté et limites géométriques

Les familles de formes qui peuvent être produites avec le procédé présenté sont fortement dépendantes du comportement de blocage du sable et de la méthode d'automatisation appliquée. L'approche actuelle consistant à utiliser du sable fin sans aucun matériau ou liant supplémentaire convient aux géométries de transition en douceur et aux courbures douces dans les surfaces à double courbure. Les limites de hauteur, d'échelle et de courbure des extrémités devront être étudiées lors de tests ultérieurs. La combinaison de roches et de sable pourrait aider à produire des géométries avec des courbures plus extrêmes et à stabiliser la typologie du sable meuble grâce à un placement stratégique.

Le nouveau système de moulage sans déchets : Cette recherche étend l'état de l'art en fournissant un nouveau système de moulage reconfigurable, sans déchets, pour le verre à double courbure. Des expériences à mi-échelle fournissent la première preuve de concept pour combiner la mise en forme automatisée de sable meuble pour fabriquer des pièces en verre à double courbure. Les expériences ci-dessus ont démontré le potentiel de l'utilisation de sable en vrac pour façonner le verre et l'impression avec du sable à cette fin de manière automatisée.

Nouveau distributeur robotisé pour matériau granulaire : Le nouveau distributeur robotisé permet la distribution automatisée contrôlée de matériau granulaire. Il fournit une solution de tête d'outil personnalisée compatible avec les systèmes de mouvement de bras robotiques ou CNC et permet l'assemblage et la reconfiguration précis de matériaux en vrac.

Reconfigurabilité et recyclage : alors que les moules pour le verre nécessitent généralement des processus de coulée ou de fraisage d'une forme finale ou de modules et des mécanismes de reconfiguration automatisés complexes, le matériau de moulage en vrac peut être entièrement recyclé et remodelé ; il fournit une technique de moulage sans colle et sans déchets pour le verre à base d'un matériau naturel.

Résolution et précision : Sand fournit un système de matériaux haute résolution pour le moulage avec une précision élevée de seulement 2 mm d'écarts en points locaux par rapport à la géométrie cible. La simulation et la modélisation volumétrique pourraient encore atténuer ces écarts et les prévoir dans le flux de travail de la conception à la production.

Coût et accessibilité : avec l'accès à une configuration CNC ou à un bras robotisé et à un four à verre, cette technique est facilement accessible à faible coût. Le matériau de moulage est presque gratuit et la tête d'outil personnalisée prototypique (un canal suffit) peut être construite pour environ 300 euros pour les composants électriques, les pièces imprimées en 3D et les tuyaux en acrylique.

Verre numérique de forme libre : En architecture, le verre est généralement mis en œuvre sous la forme d'un matériau plat standardisé. L'industrie du verre a surtout négligé la personnalisation des formes en raison des coûts élevés de production du verre de forme libre et des exigences en matière de moules coûteux. La FA peut contribuer à la conception et à la fabrication prévisibles de verre fabriqué numériquement, permettant potentiellement une personnalisation du verre économiquement viable.

Le nouveau système de moulage sans déchets : Accessibilité et nouvel espace de conception pour le verre. Le moulage au sable en vrac offre une méthode peu coûteuse et facilement reproductible pour façonner le verre en trois dimensions sans qu'il soit nécessaire de produire des moules en céramique ou en acier chromé qui sont difficiles à manipuler, se cassent facilement et nécessitent des processus de moulage à forte intensité de main-d'œuvre. Cette recherche ouvre un nouvel espace de conception pour les concepteurs, les architectes et les ingénieurs afin de produire de nouvelles propriétés dans les pièces en verre. Les caractéristiques potentielles comprennent les propriétés réfléchissantes, réfractives et structurelles du verre.

Système de matériaux granulaires reconfigurable et conception sensible aux processus : la reconfigurabilité du système de matériaux, les interactions des matériaux et le processus mis en œuvre ont un impact considérable sur les familles de formes produites. Il est très pertinent de produire des approches de conception sensibles aux processus et aux matériaux. La conception informatique et la fabrication additive sont des outils très efficaces pour concevoir avec de tels systèmes.

Modélisation volumétrique informatique : pour améliorer la prévisibilité de la méthode AM présentée, la conception informatique et la modélisation volumétrique, telles que la modélisation volumétrique pour le terrain implémentée dans la modélisation du paysage (Hurkxkens 2019), pourraient prendre en charge un flux de travail stable de la conception à la production qui prend en compte les paramètres physiques du processus et des limites du système matériel.

Mise à l'échelle et applications : La recherche présentée fournit une preuve de concept à petite échelle. Il est crucial de relever les défis liés à la mise à l'échelle et à la construction, y compris la faisabilité de la mise à l'échelle du processus de fabrication vers de grandes vitres, la menuiserie de pièces de forme libre dans des façades architecturales et la performance structurelle des pièces. Les applications pourraient inclure des fenêtres pour panneaux de façade qui redirigent la lumière à des fins fonctionnelles ou décoratives ou qui ont des propriétés structurelles spécifiques résultant de la courbure.

Limites et défis : Les défis du processus de production incluent le contrôle de la qualité des pièces en verre cuites. La question reste ouverte de savoir comment la structure du matériau est affectée par le processus de cuisson et comment le verre flotté à double courbure se comporte structurellement par rapport au verre flotté standard.

Travaux futurs : les travaux futurs comprendront des tests en laboratoire pour déterminer les performances des pièces résultantes en termes de propriétés structurelles et étudier la menuiserie de pièces uniques en verre à double courbure. En outre, les travaux futurs exploreront la manière dont les propriétés structurelles et optiques fonctionnelles peuvent être produites pour démontrer de nouvelles propriétés dans les architectures et les façades en verre.

Les auteurs reconnaissent le soutien technique de Tobias Hartmann du Robotic Fabrication Lab (RFL) et de Robert Presl de l'Institut de géodésie et de photogrammétrie de l'ETH Zurich. Au nom de tous les auteurs, l'auteur correspondant déclare qu'il n'y a pas de conflit d'intérêts.

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