Vidro fundido topologicamente otimizado

Oct 04, 2023

Data: 14 de novembro de 2022

Autores: Wilfried Damen, Faidra Oikonomopoulou, Telesilla Bristogianni e Michela Turrin

Fonte:Estruturas de vidro e engenharia volume 7, (2022) - https://doi.org/10.1007/s40940-022-00181-1

Até agora, a fabricação de componentes de vidro fundido de massa e/ou espessura substancial envolve um processo de recozimento demorado e complexo. Isso limitou o uso desse método de fabricação de vidro no ambiente construído a objetos simples do tamanho de tijolos de construção comuns, que podem ser recozidos em poucas horas. Pela primeira vez, a otimização topológica estrutural (TO) é investigada como uma abordagem para projetar elementos de vidro fundido monolíticos de massa e dimensões substanciais, com tempos de recozimento significativamente reduzidos. A pesquisa é dupla. Primeiro, uma exploração numérica é realizada. O potencial de redução de massa mantendo a rigidez satisfatória de um componente estrutural é feito através de um estudo de caso, no qual um nó de casca de grade de vidro fundido é projetado e otimizado.

Para conseguir isso, vários critérios de design em relação ao vidro como material, fundição como processo de fabricação e TO como método de design são formulados e aplicados na otimização. Conclui-se que uma abordagem TO totalmente adequada para o design de vidro tridimensional ainda não está disponível. Para esta pesquisa, o TO baseado em deformação ou complacência é selecionado para a otimização do nó tridimensional da casca da grade de vidro fundido; no nosso caso, consideramos que um TO baseado em deformação permite uma melhor exploração da redução da espessura, que, por sua vez, tem grande influência no tempo de recozimento do vidro fundido. Em comparação, em uma otimização baseada em tensão, a resistência à tração consideravelmente menor do vidro se tornaria a principal restrição, deixando subutilizada a maior resistência à compressão. Além disso, é determinado que um caso de carga único, imutável e dominante é o mais adequado para a otimização do TO.

Usando o ANSYS Workbench, são alcançadas reduções de massa de até 69% em comparação com uma geometria inicial não otimizada, reduzindo os tempos de recozimento em cerca de 90%. Em seguida, a viabilidade de fabricar os componentes de vidro de formato complexo resultantes é investigada por meio de protótipos físicos. Duas técnicas de fabricação são exploradas: fundição por cera perdida usando geometrias de cera impressas em 3D e fundição em forno usando moldes de areia descartáveis ​​impressos em 3D. Vários protótipos de vidro foram fundidos e recozidos com sucesso. A partir disso, várias conclusões são tiradas em relação à aplicabilidade e limitações de TO para componentes de vidro fundido e o potencial de métodos alternativos de fabricação para fabricar tais componentes de vidro de formato complexo.

A modelagem do vidro fundido: possibilidades e limitações

Ao longo das últimas décadas, a percepção do vidro na comunidade de engenharia evoluiu de um material quebradiço e frágil usado apenas para elementos de preenchimento, para um material de suporte de carga transparente de alta resistência à compressão - declarado até 1000 MPa para cal sodada flutuante vidro por (Saint Gobain 2016; Weller et al. 2008; Ashby e Jones 2006), maior do que até mesmo aço estrutural. De fato, as aplicações estruturais do vidro no ambiente construído estão aumentando continuamente, mas com uma limitação geométrica considerável: devido à prevalência da indústria do vidro float, o vidro estrutural é geralmente limitado às formas e formas que podem ser geradas pela virtualmente planar , bidimensionais, painéis flutuantes. O vidro fundido pode escapar das limitações de design impostas pela bidimensionalidade, essencialmente, do vidro float.

Ao despejar vidro fundido em moldes, esse método de fabricação alternativo permite a criação de elementos de vidro tridimensionais sólidos de praticamente qualquer forma e seção transversal (Oikonomopoulou et al. 2018a). Elementos de vidro fundido de suporte de carga ainda têm visto pouca aplicação em estruturas realizadas. Alguns exemplos notáveis ​​incluem o Memorial Atocha (Paech e Göppert 2008), a Crown Fountain (Hannah 2009), a Optical House (Hiroshi 2013), as Crystal Houses (Oikonomopoulou et al. 2015, 2018b) (Fig. 1), o Qwalala Escultura (Paech e Göppert 2018), LightVault (Parascho et al. 2020) e Qaammat Pavilion (Oikonomopoulou et al. 2022).