Vidrio fundido topológicamente optimizado

Oct 04, 2023

Fecha: 14 de noviembre de 2022

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

Fuente:Glass Structures & Engineering volumen 7, (2022) - https://doi.org/10.1007/s40940-022-00181-1

Hasta ahora, la fabricación de componentes de vidrio fundido de una masa y/o un espesor sustanciales implica un proceso de recocido largo y complejo. Esto ha limitado el uso de este método de fabricación de vidrio en el entorno construido a objetos simples del tamaño de ladrillos de construcción normales, que pueden recocerse en unas pocas horas. Por primera vez, se investiga la optimización topológica estructural (TO) como un enfoque para diseñar elementos monolíticos de vidrio fundido de carga de masa y dimensiones sustanciales, con tiempos de recocido significativamente reducidos. La investigación es doble. En primer lugar, se realiza una exploración numérica. El potencial de reducir la masa mientras se mantiene la rigidez satisfactoria de un componente estructural se realiza a través de un estudio de caso, en el que se diseña y optimiza un nodo de cubierta de rejilla de vidrio fundido.

Para lograr esto, se formulan y aplican en la optimización varios criterios de diseño con respecto al vidrio como material, la fundición como proceso de fabricación y el TO como método de diseño. Se concluye que todavía no está disponible un enfoque TO totalmente adecuado para el diseño de vidrio tridimensional. Para esta investigación, se selecciona TO basado en deformación o cumplimiento para la optimización del nodo tridimensional de la carcasa de la rejilla de vidrio fundido; en nuestro caso, consideramos que una TO basada en deformaciones permite una mejor exploración de la reducción del espesor, que a su vez tiene una gran influencia en el tiempo de recocido del vidrio colado. En comparación, en una optimización basada en la tensión, la resistencia a la tracción considerablemente más baja del vidrio se convertiría en la principal restricción, dejando infrautilizada la mayor resistencia a la compresión. Además, se determina que un caso de carga único, invariable y dominante es el más adecuado para la optimización TO.

Con ANSYS Workbench, se logran reducciones de masa de hasta un 69 % en comparación con una geometría inicial no optimizada, lo que reduce los tiempos de recocido en aproximadamente un 90 %. A continuación, se investiga la viabilidad de fabricar los componentes de vidrio de formas complejas resultantes mediante prototipos físicos. Se exploran dos técnicas de fabricación: fundición a la cera perdida utilizando geometrías de cera impresas en 3D y fundición en horno utilizando moldes de arena desechables impresos en 3D. Varios prototipos de vidrio fueron fundidos y recocidos con éxito. A partir de esto, se extraen varias conclusiones con respecto a la aplicabilidad y las limitaciones de TO para componentes de vidrio fundido y el potencial de métodos de fabricación alternativos para fabricar componentes de vidrio de formas tan complejas.

La conformación del vidrio colado: posibilidades y limitaciones

En las últimas décadas, la percepción del vidrio en la comunidad de ingenieros ha evolucionado desde un material frágil y quebradizo utilizado solo para elementos de relleno, a un material de carga transparente con una alta resistencia a la compresión, establecida hasta 1000 MPa para cal sodada flotante. vidrio por (Saint Gobain 2016; Weller et al. 2008; Ashby y Jones 2006), superior incluso al acero estructural. De hecho, las aplicaciones estructurales del vidrio en el entorno de la construcción están aumentando continuamente, aunque con una limitación geométrica considerable: debido al predominio de la industria del vidrio flotado, el vidrio estructural generalmente se limita a las formas y formas que pueden generarse a partir de superficies prácticamente planas. , bidimensionales, paneles flotantes. El vidrio fundido puede escapar de las limitaciones de diseño impuestas por la bidimensionalidad, esencialmente, del vidrio flotado.

Al verter vidrio fundido en moldes, este método de fabricación alternativo permite la creación de elementos de vidrio tridimensionales sólidos de prácticamente cualquier forma y sección transversal (Oikonomopoulou et al. 2018a). Los elementos de vidrio fundido que soportan carga han visto hasta ahora poca aplicación en estructuras realizadas. Algunos ejemplos notables incluyen el Memorial de Atocha (Paech y Göppert 2008), la Fuente de la Corona (Hannah 2009), la Casa Óptica (Hiroshi 2013), las Casas de Cristal (Oikonomopoulou et al. 2015, 2018b) (Fig. 1), el Qwalala Escultura (Paech y Göppert 2018), el LightVault (Parascho et al. 2020) y el Pabellón Qaammat (Oikonomopoulou et al. 2022).

Lo que es común a todos los proyectos mencionados es que los elementos de vidrio fundido siguen la forma de los ladrillos estandarizados, imitando la funcionalidad, la forma y el tamaño de la mampostería de cerámica; un volumen de vidrio que puede recocerse en un tiempo razonable (Fig. 2). A pesar de su potencial para la fabricación de elementos de forma libre, hasta ahora se ha investigado poco sobre las formas que se pueden lograr en el vidrio fundido (Oikonomopoulou et al. 2018a).

Un obstáculo importante para la fabricación de elementos de vidrio fundido de masa y dimensiones considerables es el meticuloso y lento proceso de recocido involucrado, que consiste en el enfriamiento lento y controlado del vidrio fundido por debajo de su punto de reblandecimiento,1,2 (Oikonomopoulou et al. 2018a). La etapa de recocido es imperativa para eliminar cualquier posible deformación diferencial y evitar la generación de tensiones residuales internas durante el enfriamiento adicional debido a la contracción desigual (Shand y Armistead 1958), que a su vez puede influir negativamente en el comportamiento estructural y el modo de falla de la estructura. componente de vidrio resultante. Durante la etapa de recocido, la magnitud de las tensiones internas resultantes está determinada por el diferencial de temperatura entre las partes más calientes y más frías del objeto fundido.

Esto está directamente relacionado con la cantidad de superficies expuestas al enfriamiento, el tipo de vidrio, la cantidad de tensión residual requerida y el espesor, tamaño y distribución de masa del objeto involucrado (Shand y Armistead 1958). En consecuencia, en términos de geometría, el tamaño, la distribución de la masa y el grosor máximo del objeto que se moldea pueden influir en gran medida en los tiempos de enfriamiento requeridos (Oikonomopoulou et al. 2018a); en realidad, cualquier aumento en la sección transversal del objeto aumenta exponencialmente el tiempo de enfriamiento requerido. Se puede mostrar un ejemplo práctico de esto al comparar dos variaciones de ladrillos de vidrio de soda y cal fabricados para el proyecto Crystal Houses (Figs. 1, 2). En este proyecto, el ladrillo de vidrio más pequeño de 50 × 105 × 210 mm requirió 8 h de recocido; mientras que un ladrillo del doble de este ancho (50 × 210 × 210 mm) requiere de 36 a 38 h de recocido (Oikonomopoulou et al. 2015). Posteriormente, en el entorno construido, los largos tiempos de recocido de la fabricación de vidrio fundido y los costos de producción interconectados han dificultado la fabricación de elementos de vidrio fundido más allá del tamaño de los ladrillos de construcción regulares.

No obstante, se han realizado elementos de vidrio fundido sólido a gran escala en aplicaciones no arquitectónicas. Los más notables son los espacios en blanco de los espejos fundidos monolíticamente de los telescopios gigantes terrestres, que abarcan varios metros de diámetro. Debido a sus grandes dimensiones, los tiempos de recocido son significativos. A modo de ejemplo, se necesitaron 12 meses de recocido para el espejo de vidrio macizo del Telescopio Hooker, de 2,50 m de diámetro y 0,32 m de espesor, con un peso de 4 toneladas, fundido a partir de vidrio de botella de vino de sosa y cal (Zirker 2005). Para acortar los tiempos de recocido, en diseños posteriores, además de optar por una composición de vidrio con un coeficiente de expansión térmica más bajo, se introdujo una subestructura de panal hueco, que redujo el espesor de la sección y la masa, pero asegurando un disco de vidrio de alta rigidez. Debido a estos cambios, los espacios en blanco más recientes del Telescopio Gigante de Magallanes, a pesar de medir 8,4 m de diámetro y pesar 16 toneladas cada uno, han requerido un tiempo de recocido de solo tres meses (Oikonomopoulou et al. 2018a), como se muestra en la Fig. 3 .

Optimización topológica: diseño de elementos estructurales de masa reducida

En esta dirección, este documento explora un nuevo enfoque de diseño estructural para diseñar elementos de vidrio fundido de forma libre con tiempos de recocido reducidos, mediante la aplicación de optimización de topología estructural.

La optimización topológica (TO) es un enfoque de diseño estructural que permite la optimización y, por lo tanto, la reducción de la masa en relación con el rendimiento estructural. Funciona acercándose a la distribución de material más óptima dentro de un espacio de diseño dado, teniendo en cuenta cargas, soportes y restricciones específicas (Bendsøe y Sigmund 2003). La reducción de la masa, al mismo tiempo que mantiene una alta rigidez, lo hace potencialmente prometedor para los elementos estructurales de vidrio fundido; a través de TO podemos diseñar componentes monolíticos de vidrio estructural de espesor y volumen reducidos, y por lo tanto de un tiempo de recocido reducido.

TO a menudo da como resultado formas altamente personalizadas que son complejas y no siempre intuitivas. Estas formas son generalmente difíciles y costosas de producir con las técnicas de producción tradicionales, como el moldeo por inyección, el fresado y la formación que se utilizan para la producción en masa. El uso de métodos aditivos y sustractivos controlados por computadora permite automatizar la producción de dichos componentes –directamente de las piezas o de los respectivos moldes– con un alto nivel de precisión y en un tiempo de producción reducido.4 Como cada elemento es producidos individualmente, es posible un alto nivel de personalización, lo que evita los costos generales de las herramientas, pero también la creación de desechos debido, por ejemplo, a los desechos, vinculados a las formas complejas. Al emplear la fabricación aditiva (AM), todo el componente se puede fabricar en un solo proceso (sujeto a las dimensiones totales de la impresora), por lo que también se pueden anular los costos relacionados con el ensamblaje de piezas complejas. Todo lo anterior hace que la fabricación aditiva sea particularmente atractiva para producciones por lotes limitados.

En el lado negativo, AM produce una calidad de acabado superficial comprometida que requiere procesamiento posterior y todavía presenta algunas limitaciones en el tamaño máximo del producto que se puede producir (sujeto a las limitaciones de tamaño de la cama de impresión), así como en los materiales que se pueden producir. ser (directamente) aplicado; mientras que la fabricación capa por capa todavía está sujeta a estandarización, lo que puede hacer que el uso de AM sea un desafío en aplicaciones donde la certificación es necesaria (Kawalkar et al. 2021). De todos modos, AM sigue siendo el proceso de fabricación más adecuado para realizar estructuras TO, en las que cada elemento se optimiza de acuerdo con las cargas específicas que tiene que soportar, con un coste de fabricación adicional mínimo.

Hasta ahora, la aplicación práctica de TO se ha limitado principalmente a aplicaciones de alto rendimiento, como el diseño aeroespacial (Rozvany 2009). Se han investigado varias aplicaciones de TO en el entorno construido, realizadas con la ayuda de AM (Jipa et al. 2016; Prayudhi 2016; Galjaard et al. 2015; Naboni y Kunic 2019) (verFigura 4 ); sin embargo, como herramienta de diseño para componentes de vidrio estructural ha permanecido bastante inexplorado.

Los armazones de rejilla son una clase de estructuras que muestran las propiedades de carga eficientes de las estructuras de armazón, mientras que consisten principalmente en elementos de viga unidimensionales, lo que permite estructuras livianas y económicas. La complejidad de la estructura se concentra en los nudos en los que se conectan las vigas. Los nodos de armazón de rejilla complejos diseñados con TO se exploraron previamente en estructuras de acero (van der Linden 2015; Prayudhi 2016; Seifi et al. 2018) y descubrieron que se pueden lograr ahorros de peso significativos al mismo tiempo que se conserva la integridad estructural. Para el conocimiento de los autores, los nodos de la cáscara de la rejilla estructural hechos de vidrio son una novedad.

Metodología

Para investigar el potencial de TO para aplicaciones de vidrio fundido estructural, se ha diseñado una estructura de armazón de rejilla de vidrio utilizando vidrio fundido topológicamente optimizado para los nodos de conexión.

El proceso de investigación es doble, consiste en un diseño numérico seguido de un prototipo físico. A los efectos de esta investigación, se ha utilizado una estructura de estudio de caso, que se basa en un pabellón construido en la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (Sevtsuk y Kalvo 2014). La estructura se rediseñó primero con elementos de vidrio tubulares de carga en Rhinoceros 6 y se parametrizó con Grasshopper y el complemento estructural FEA Karamba3D. El objetivo es investigar el uso de TO para el diseño de nodos de rejilla de vidrio fundido estructural que conectan los elementos tubulares de vidrio. El dimensionamiento de la estructura de la cubierta de vidrio se usa para determinar las dimensiones y la forma de los nodos de vidrio que se van a optimizar, mientras que el modelo FEA proporciona las fuerzas en el nodo, que se usan para la optimización y la validación estructural.

Para la optimización se establecen varios criterios de diseño respecto al proceso de fundición y recocido del vidrio, derivados de las observaciones realizadas a partir de las coladas de vidrio existentes, además de criterios funcionales basados ​​en el montaje e instalación de la estructura. Luego, estos se aplican en la optimización de los nodos seleccionados, utilizando la optimización basada en la deformación en el banco de trabajo ANSYS. Además de ser accesible a través de una licencia académica, este programa fue seleccionado debido a su amplio conjunto de herramientas TO, así como a sus herramientas integradas de modelado y FEA. Se utiliza un bucle de diseño, en el que se genera una geometría base en Grasshopper, seguida de optimización, posprocesamiento y FEA dentro de ANSYS. Según estos resultados, la geometría inicial y los parámetros de optimización se pueden ajustar según sea necesario.

Con base en el diseño del nodo final, se exploran dos técnicas de molde distintas para fabricar elementos de vidrio personalizados de forma tan compleja con la ayuda de la fabricación aditiva a través de la fundición en horno de prototipos a pequeña escala en el Glass Lab: (i) una sílice desechable -molde de yeso utilizando fundición de inversión y un elemento de cera impreso en 3D, y (ii) un molde de arena impreso en 3D producido por ExOne.

Diseño de estudio de caso

Se proporcionó una amplia documentación del proyecto de estructura de red SUTD a través de SUTD (Figura 5 ). Este proyecto fue seleccionado debido a su forma libre. Como cada uno de sus nodos se optimizará de forma única sin elementos repetitivos uniformes, es posible realizar una estructura de forma compleja sin grandes inversiones adicionales. Además, la carcasa está diseñada como una estructura basada en la compresión, lo que reduce el riesgo de que los elementos de vidrio se vean sujetos a tensiones de tracción significativas, donde el vidrio presenta un rendimiento considerablemente más bajo.

La estructura de la carcasa se ha rediseñado como un conjunto híbrido de acero y vidrio. Las vigas de la rejilla consisten en perfiles de tubo de vidrio extruido sujetados entre dos tapas de plástico POM. Estos se mantienen en su lugar mediante una varilla de acero central que atraviesa el perfil de vidrio (Figura 6 ). Para el montaje de la estructura se emplea el siguiente principio (Figura 7 ): un anillo de acero delgado se inserta en un vacío cilíndrico en el centro de cada nodo. A través de este anillo se pueden insertar pernos que se conectan a las varillas de acero de las vigas circundantes a través de una tuerca de acoplamiento. De esta manera, el vidrio proporciona rigidez a la estructura y soporta las cargas de compresión, mientras que las cargas de tracción directas son transferidas por la subestructura de acero, haciendo un uso eficiente de las propiedades inherentes de ambos materiales.

TO como herramienta para vidrio estructural: optimización basada en tensión frente a deformación

Cuando se utilizan herramientas de optimización de topología (TO) para vidrio, surgen ciertas complicaciones, ya que la mayoría de las herramientas TO disponibles están diseñadas para su uso en materiales dúctiles con resistencia a la tracción y compresión comparables. El vidrio, sin embargo, es un material quebradizo, con una supuesta resistencia a la tracción que es al menos un orden de magnitud menor que su resistencia a la compresión declarada.

Se pueden distinguir dos enfoques diferentes para las herramientas TO: optimización basada en estrés y basada en deformación. TO basado en estrés tiene como objetivo minimizar el estrés en un objeto para un conjunto dado de condiciones de contorno. La mayoría de los métodos basados ​​en tensión simplifican este cálculo utilizando un criterio de tensión de Mises, que es una abstracción que no distingue entre tensión y compresión. Esto permite un progreso de optimización simplificado y más rápido, pero limita su aplicabilidad para vidrio quebradizo, donde las tensiones principales son la causa de la falla. En esencia, el criterio de Von Mises ofrece una tensión de tracción equivalente que se utiliza para predecir la fluencia de materiales (dúctiles) en condiciones de carga multiaxial.5

En comparación, las tensiones principales, aplicables al diseño de vidrio, dependen en gran medida del plano de referencia, que cambia cada vez que cambia la geometría; lo que hace que su implementación dentro de un entorno TO sea particularmente desafiante. Además, si se aplica al vidrio, el criterio de estrés de Mises da como resultado que la resistencia a la tracción sea considerablemente más baja y se convierta en el factor limitante (normalmente se considera entre 30 y 45 MPa para el vidrio de sosa y cal recocido6 y entre 22 y 32 MPa para el vidrio de borosilicato (O'Regan 2014; Granta Design Limited 2015)), dejando infrautilizada la resistencia a la compresión considerablemente más alta del material (registrada hasta 1000 MPa por (Ashby y Jones 2006), mientras que (Oikonomopoulou et al. 2017) ha realizado experimentos con vidrio de borosilicato que indicaron una tensión nominal de rotura por compresión > 500 MPa).

Además, TO basado en tensión tiene una fuerte dependencia de la malla, con diferentes diseños y tamaños de malla que dan como resultado diferentes geometrías optimizadas (Bendsøe y Sigmund 2003). Actualmente, se están investigando herramientas TO adecuadas para materiales frágiles, generalmente centrándose en el diseño de hormigón, utilizando la optimización basada en el estrés principal (Jewett y Carstensen 2019; Chen et al. 2021) o la optimización de material dual (Gaynor et al. 2013). A diferencia de la optimización basada en Von Mises, estos métodos pueden diferenciar entre los valores permitidos para la tensión de tracción y compresión en los elementos. Sin embargo, estos métodos aún se encuentran en una etapa temprana de desarrollo y, debido a su complejidad, se han limitado a estudios de casos bidimensionales.

El TO basado en deformación o cumplimiento es un enfoque diferente que tiene como objetivo maximizar la rigidez de un objeto. En comparación con la optimización basada en la tensión, proporciona una mayor rigidez y, al mismo tiempo, depende menos del mallado. Aunque este enfoque debería generar geometrías más confiables, como la optimización basada en la tensión, no ofrece una distinción entre los valores de tensión de tracción y compresión permisibles. Además, como la tensión no se tiene en cuenta directamente, pueden producirse picos de tensión locales. Dado que el vidrio no puede deformarse plásticamente para redistribuir estos picos locales, también en este caso es esencial un análisis posterior para verificar que las tensiones resultantes se encuentran dentro de los límites aceptables.

Se concluye que ambos enfoques de optimización presentados tienen deficiencias cuando se aplican a materiales frágiles con una variación significativa entre sus valores de resistencia a la tracción y a la compresión, como el vidrio. Para el objetivo de esta investigación, se prefiere el análisis TO de un elemento tridimensional, ya que permite una mejor exploración de la reducción del espesor, que, a su vez, tiene una gran influencia en el comportamiento de recocido del vidrio fundido. Se eligió el análisis TO basado en el cumplimiento, ya que consideramos que permite una mejor exploración de la reducción del espesor del componente de vidrio fundido quebradizo. De manera similar a una optimización basada en el estrés, la optimización basada en la deformación tampoco distingue entre tensión y compresión, y se requiere un análisis adicional después de la optimización para verificar los posibles picos de estrés locales. Aún así, encontramos que, en comparación, en una optimización basada en la tensión, la resistencia a la tracción considerablemente más baja del vidrio gobernaría como la restricción principal, dejando aún más infrautilizada la resistencia a la compresión significativamente más alta del material.

Objetivos de diseño para reducir los tiempos de recocido

Se han formulado cuatro propiedades geométricas que se espera que reduzcan el tiempo de recocido de un objeto de vidrio sólido (Tabla 1).

Tabla 1 Propiedades geométricas y objetivos de optimización de topología para recocido acelerado -mesa de tamaño completo

Limitar la masa reduce el tiempo total necesario para recocer el elemento, al disminuir el volumen de material calentado que necesita ser enfriado. Usando TO, se han encontrado en la práctica reducciones en el volumen entre 60 y 80% en comparación con geometrías no optimizadas (Galjaard et al. 2015; Jipa et al. 2016).

La ausencia de bordes afilados y un espesor de sección uniforme y delgado en todo el objeto son esenciales para lograr una tasa de enfriamiento homogénea en todo el elemento fundido (Oikonomopoulou et al. 2018a). Tanto las esquinas afiladas como las secciones delgadas se enfriarán más rápido que el resto del objeto, lo que provocará una contracción desigual y, por lo tanto, niveles no deseados de tensiones internas. Según el filete sugerido empleado en los bloques de vidrio del proyecto Crystal Houses (Oikonomopoulou et al. 2018b), se asume un filete mínimo de 3 mm de radio para esquinas agudas. Cabe señalar que dentro de las geometrías generadas por TO, generalmente no se encuentran ángulos agudos. El proceso de optimización aplica el material de una manera que minimiza la tensión y la tensión, mientras que los elementos con ángulos pronunciados dan como resultado concentraciones de tensión o contribuyen poco a la rigidez del objeto.

Para crear secciones delgadas y homogéneas, se estableció un conjunto de restricciones de espesor de fabricación en ANSYS para el proceso de optimización. Se ha elegido un espesor de sección mínimo de 15 mm a partir de la experiencia de fundición empírica, ya que las secciones más delgadas podrían ser difíciles de fundir con éxito, mientras que se utilizaron varios espesores máximos, entre 30 y 50 mm. Esto evita los largos tiempos de enfriamiento relacionados con las secciones gruesas, al tiempo que garantiza que los espesores de las secciones permanezcan relativamente homogéneos.

Componente no optimizado: Cargas y dimensiones impuestas

Se realizó una configuración paramétrica que genera automáticamente una geometría base no optimizada para cada nodo y enumera las cargas aplicadas en el nodo. Se seleccionó un nudo con un diámetro de 240 mm y un espesor de hasta 95 mm; Se consideró que un hueco central de 100 mm de diámetro era el más adecuado en función de las demandas de montaje, ya que se considera el tamaño mínimo necesario para insertar y sujetar un perno en el anillo central. Basado en el análisis estructural en Karamba3D utilizando la carga permanente del caparazón, un revestimiento de 0,5 kN/m2 y una carga de viento de 0,6 kN/m2 (representativa de estructuras de menos de 4 m de altura en una situación costera holandesa), las vigas de vidrio del shell se dimensionaron como tubos de vidrio con un diámetro exterior de 50 mm y un espesor de pared de 9 mm. El elemento no optimizado resultante se muestra en la Fig. 8. Los momentos de flexión, las fuerzas cortantes y la fuerza normal de compresión se han aplicado en las conexiones exteriores donde las vigas de vidrio se conectan al nodo (rojo), mientras que las fuerzas normales de tracción se aplican en el anillo central de acero (azul), ya que estas cargas no las llevaría el vidrio.

Las geometrías gruesas después de la optimización se han procesado posteriormente con Spaceclaim, el software de modelado incluido en ANSYS. Las herramientas de envoltura retráctil y suavizado se aplicaron manualmente para volver a mallar los elementos encontrados, lo que elimina los elementos de malla no válidos y garantiza una superficie lisa. Además, se han reinsertado varios elementos en las conexiones de la viga y el anillo central para garantizar que el nudo pueda conectarse correctamente a la estructura restante (Fig. 9).

Se han realizado tres iteraciones de optimizaciones (Tabla 2), que se desarrollan más en los siguientes capítulos. Se seleccionaron dos nodos para la optimización (Fig. 10), que se caracterizan por una combinación de altas fuerzas de compresión del caparazón y fuerzas tangenciales de tracción en las vigas adyacentes.

Tabla 2 Descripción general de las iteraciones de optimización para el diseño del nodo de vidrio -mesa de tamaño completo

La Tabla 3 contiene las propiedades del vidrio utilizado para la optimización y posterior FEA. Se eligió el vidrio de borosilicato debido a su favorable comportamiento de recocido, en comparación con el vidrio de sosa y cal regular. Los valores de resistencia del vidrio pueden variar mucho, dependiendo de la fuente de literatura utilizada. Para esta investigación se eligieron valores conservadores.

Tabla 3 Propiedades del material de vidrio utilizado durante TO y FEA -mesa de tamaño completo

Durante todo el proceso, el objetivo de optimización establecido fue minimizar el cumplimiento y se utilizó un tamaño de malla uniforme de 8 mm. El porcentaje de material retenido después de la optimización y el espesor de sección permitido se variaron en cada iteración para observar su influencia en la geometría resultante.

Optimización TO1, rigidez mínima mediante una carga distribuida.

La primera optimización se realizó utilizando dos casos de carga. El primer caso de carga que se aplica es la carga permanente de la estructura del armazón, ya que constituye la carga muerta primaria que se prevé que soporte el nodo. Optimizar solo para esta carga conlleva el riesgo de dar como resultado un diseño de nodo de rigidez insuficiente debido a una optimización excesiva, ya que la optimización no tiene en cuenta ninguna carga externa. En (van der Linden 2015), se crea una rigidez mínima aplicando un momento de flexión adicional a cada viga del nodo, anticipando fuerzas externas que no se tienen en cuenta cuando se optimiza solo para la carga muerta de la estructura.

Se intentó recrear este efecto mediante la adición de una carga de malla fuera del plano distribuida de 0,5 kN/m2 a lo largo de toda la cubierta, proporcionando una carga mínima garantizada en cada nodo. Puede encontrar una descripción general de todas las cargas en las tablas 9 y 10 del apéndice.

Como se muestra en la Tabla 4, se han probado una eliminación de material del 70 % y el 80 %. Ambas geometrías resultantes fueron capaces de soportar la carga permanente del caparazón sin exceder la capacidad de tracción del vidrio (Figs. 11, 12).

Tabla 4 Resumen de optimización TO1 -mesa de tamaño completo

Se realizó FEA adicional con una carga de viento adicional de 0,6 kN/m2, perpendicular al nodo, con las fuerzas precisas derivadas del modelo Karamba3D. Bajo esta carga, las tensiones de tracción exceden el valor permitido para el vidrio en varios puntos (Fig. 13). Esto demuestra cómo TO puede generar geometrías eficientes en peso para un solo caso de carga prevaleciente, pero que estos resultados se vuelven poco confiables a medida que las cargas que ocurren comienzan a divergir de esto. El pabellón elegido como caso de estudio es una estructura pequeña y relativamente ligera. Debido a esto, las tensiones en la estructura están muy influenciadas por la carga del viento, lo que dificulta determinar un caso de carga único (predominante) para la optimización de los nodos. El intento de lograr una rigidez mínima a través de una carga de malla distribuida resultó insuficiente para soportar una carga externa. En consecuencia, se descartó la optimización TO1 y se realizaron dos variaciones para investigar cómo se pueden tener en cuenta estas cargas cambiantes en el proceso de optimización.

Optimización TO2, dos casos de carga

En esta iteración, se exploró una metodología para optimizar un nodo para varios casos de carga. En este caso, se realizaron dos optimizaciones separadas, utilizando dos casos de carga distintos: el peso propio (carga permanente) de la estructura y las fuerzas en el nodo resultantes de una carga de viento de 0,6 kN/m2 perpendicular al nodo. La configuración utilizada para ambas optimizaciones se muestra en la Tabla 5; las cargas se pueden encontrar en el apéndice, Tablas 11 y 12. Las dos geometrías optimizadas separadas finalmente se fusionaron para crear una sola geometría (Fig. 14).

Tabla 5 Resumen de optimización TO2 -mesa de tamaño completo

El análisis estructural muestra que el elemento resultante es capaz de soportar tanto la carga muerta como la carga de viento utilizadas para las dos optimizaciones (Fig. 15). Sin embargo, un análisis posterior que utiliza una carga de viento en la dirección opuesta como carga de optimización provoca fallas en varios puntos debido a tensiones de tracción excesivas (Fig. 16). Esto demuestra además que el proceso TO es capaz de optimizar para uno o más casos de carga predeterminados, pero las geometrías resultantes ya no pueden transportar de manera efectiva cargas que divergen de las cargas de diseño predeterminadas. Tal enfoque es particularmente crítico para una estructura liviana como esta, donde las cargas de viento causan grandes cambios en las fuerzas; en comparación con una estructura más pesada donde la carga permanente sigue siendo el caso de carga predominante.

Optimización TO3, mayor carga muerta

Siguiendo los resultados de las optimizaciones anteriores, y con el fin de garantizar que la carga permanente del armazón siga siendo el caso de carga prevaleciente en todas las condiciones, la estructura del armazón en sí se modifica para disminuir la influencia relativa de las cargas de viento fluctuantes en la estructura. El tamaño del pabellón se ha aumentado en un 50% en todas las dimensiones, mientras que las vigas se han aumentado de 50 mm a 80 mm de diámetro y de 9 mm a 12 mm de espesor de pared.

Además, se ha aumentado la masa del revestimiento de fachada de 0,5 kN/m2 a 1,2 kN/m2, lo que supone un cambio de un revestimiento de vidrio ligero a un conjunto de doble acristalamiento. Las dimensiones del nodo se han mantenido iguales. La carga muerta de la estructura se utilizó como única carga de optimización. En las dos vigas donde se somete a tensión el nodo, se aplicaron fuerzas de compresión al vidrio de 3,0 kN para garantizar una rigidez mínima del nodo. Se incluye una descripción general de las cargas en las Tablas 13 y 14 en el Apéndice, las otras configuraciones se pueden encontrar en la Tabla 6.

Tabla 6 Resumen de optimización TO3 -mesa de tamaño completo

El diseño del nodo finalizado se muestra en la Fig. 17. Se realizó un análisis estructural lineal para probar el comportamiento del nodo bajo carga muerta y viento. Se ha utilizado una carga de viento reducida de 0,49 kN/m2, correspondiente a una ubicación en el interior de los Países Bajos a poca altura según lo dictado por el Eurocódigo. Bajo varias cargas de viento, se encontró que las tensiones de tracción no excedían el valor permitido (Fig. 18).

Determinar el tiempo de recocido requerido para un objeto de vidrio es complicado, ya que está determinado por una multitud de factores (Oikonomopoulou et al. 2018a). No solo la forma del modelo y la distribución de la masa, sino también la cantidad de superficie expuesta al enfriamiento, otras masas térmicas presentes en el horno y las propiedades del propio horno, influyen en el ciclo de recocido. Aunque existe literatura que intenta guiar con precisión el proceso de recocido, a menudo se basa en suposiciones no declaradas y circunstancias específicas que no pueden aplicarse ampliamente (Watson 1999).

Por lo tanto, se realiza una estimación empírica de los tiempos de recocido previstos mediante la comparación con los resultados existentes. Se seleccionaron tres elementos de ladrillo de vidrio de sosa y cal del proyecto de fachada Crystal Houses para una comparación cuantitativa, utilizando los tiempos de enfriamiento registrados indicados en (Oikonomopoulou et al. 2018b). Los principales aspectos que determinan los tiempos de recocido son el tipo de vidrio, la masa y el espesor de cada elemento. Partiendo del supuesto de que se utiliza el mismo vidrio sodocálcico para todos estos elementos, se puede realizar la siguiente estimación comparando la masa y el espesor de la sección (Tabla 7). Se excluyó la optimización TO1, ya que su geometría resultó ineficiente para soportar una carga externa.

Tabla 7 Estimaciones del tiempo de recocido del nodo optimizado de vidrio fundido en base a los tiempos de recocido proporcionados para las unidades de ladrillos de vidrio fundido de la fachada de Crystal Houses -mesa de tamaño completo

Resultados del diseño numérico

En la Tabla 8 se puede encontrar una descripción general de los resultados de la optimización. El uso de la optimización topológica (TO) para el diseño de un nodo que es capaz de soportar tanto el peso/carga permanente del caparazón como una carga de viento variable resulta desafiante, ya que El componente optimizado para soportar la carga muerta de la estructura se vuelve vulnerable a cualquier carga prominente que se desvíe de ella. Es posible aumentar la resiliencia de la estructura optimizando su distribución de masa para una combinación de casos de carga destacados, o asegurándose de que el caso de carga de optimización siga siendo el dictado en todas las circunstancias.

Tabla 8 Resumen de los resultados de optimización -mesa de tamaño completo

Si bien la subestructura metálica soporta cualquier carga de tracción directa, los momentos de flexión que se producen debido a la carga de viento excéntrica de la cubierta aún generan esfuerzos de tracción. Dado que el TO basado en el cumplimiento aplicado en esta investigación no distingue entre tensión y compresión dentro del material, se puede deducir que la menor resistencia a la tracción del vidrio sigue siendo normativa, mientras que su alta capacidad de compresión permanece infrautilizada.

Se lograron ahorros de peso significativos a pesar de esto, encontrando una reducción del 69% y 53% para TO2 y TO3 respectivamente. Además, el espesor máximo de la sección de cada componente se redujo a 8–30 mm y 20–40 mm respectivamente desde un espesor no optimizado de 95 mm. Los tiempos de recocido empíricos derivados de la comparación con el proyecto Crystal Houses muestran reducciones del 90% y 66%, en comparación con las correspondientes geometrías no optimizadas.

Cabe señalar que las geometrías iniciales se basaron en una estimación del volumen requerido, por lo que deben considerarse sobredimensionadas. De hecho, en los enfoques de cumplimiento de TO, la distribución óptima del material es una de las principales variables de entrada, definida y altamente dependiente del conocimiento del usuario final (Gebremedhen et al. 2017). Por lo tanto, las reducciones de masa y tiempo de recocido indicadas pueden considerarse como estimaciones optimistas. A pesar de esto, los resultados indican que la reducción de masa lograda a través de TO puede contribuir a acortar significativamente el proceso de recocido para componentes de vidrio fundido estructural.

En esta investigación, se emplean dos enfoques de fabricación asistida por computadora para fabricar con suficiente precisión las geometrías de vidrio optimizadas complejas y personalizadas. Se prefirió la impresión 3D del molde a la impresión 3D directa del nodo de vidrio, ya que este último aún enfrenta varios inconvenientes importantes: aunque la fabricación aditiva directa de vidrio ha experimentado algunos avances (Klein 2015), todavía tiene limitaciones severas en el el tamaño y las formas que se pueden lograr, mientras que la estratificación del material y la certificación siguen siendo preocupaciones válidas para crear componentes de vidrio estructural.7 Además, la incapacidad de imprimir voladizos limita las geometrías que se pueden producir o requiere la introducción de material de soporte. Debido a estas consideraciones, esta investigación se centra solo en el uso de la fabricación digital para crear moldes de fundición de vidrio.

Comúnmente, para la fundición de vidrio, se utilizan moldes de metal fresados ​​con CNC de alta precisión o moldes desechables de bajo costo (Fig. 19). Los moldes fresados ​​por CNC de alta precisión que consisten en acero o grafito se emplean comúnmente en la fabricación en masa de elementos de vidrio fundido, ya que pueden reutilizarse para la producción de alto volumen (Oikonomopoulou et al. 2018a). Estos moldes reutilizables pueden producir un alto nivel de detalle de la superficie y una alta precisión dimensional; sin embargo, generalmente implican altos costos de fabricación, lo que los hace antieconómicos para producciones de lotes pequeños o para componentes individuales personalizados. Además, dichos moldes para la fundición de elementos optimizados de forma compleja tendrían que ser muy complicados y consistir en múltiples elementos desmontables para permitir el desmoldeo; aumentando tanto el tiempo como el costo de fabricación. Para componentes personalizados, generalmente se prefieren moldes desechables de bajo costo. No obstante, estos son componentes intensivos en mano de obra y rendimiento de precisión comprometida y necesitan procesamiento posterior (Oikonomopoulou et al.2020).

Debido a estas consideraciones, los moldes desechables impresos en 3D de alta precisión se proponen aquí como una solución rentable para la fundición de componentes de vidrio sólido personalizados de geometría compleja. En comparación con el proceso laborioso y lento de los moldes de fundición de inversión estándar y los altos costos de fabricación de los moldes de metal de alta precisión, los moldes impresos en 3D son rápidos, fáciles y rentables de fabricar y permiten una gran complejidad en las formas, que incluyen socavaduras y huecos. En esta investigación, se han investigado dos técnicas de fabricación de dichos moldes mediante la fabricación aditiva: fundición de inversión a la cera perdida utilizando elementos de cera fabricados de forma aditiva y moldes de arena impresos en 3D.

Fundición de inversión a la cera perdida

La fundición de inversión implica la reproducción de la geometría deseada en un material de sacrificio; comúnmente cera. La producción consta de varios pasos, ilustrados en la Fig. 20. Se forma un molde resistente al calor alrededor del componente desechable (cera). El elemento de sacrificio se elimina mediante calentamiento en un proceso denominado quemado o vaporizado, dejando un molde hueco adecuado para la fundición.

Se puede emplear la fabricación aditiva a través del modelado por deposición fundida (FDM) para fabricar los elementos de sacrificio. Se han desarrollado filamentos especializados para esto, que se queman a temperaturas más bajas y dejan menos residuos en el molde, en comparación con los plásticos normales como el PLA. Para esta investigación se utilizó filamento P2C-175. Este es un filamento a base de cera desarrollado para fundición de inversión, disponible en Machineablewax.com. Utilizando una impresora FDM convencional, se imprimieron dos nodos optimizados a escala 1:2.

Se agregaron varios elementos temporales al modelo de cera para mejorar la calidad del vaciado. Estos incluyen un canal central más grande para verter el vidrio, seis canales verticales para evitar que las burbujas de aire queden atrapadas en el molde y algunos canales adicionales para garantizar una circulación adecuada del vidrio por todo el molde (Fig. 21). Alrededor del elemento de cera impresa (Fig. 22), se fundió un molde de yeso de sílice (Fig. 23). Después de solidificarse, el molde se colocó en un horno durante 6 h a 515 °C para quemar el modelo de cera.8 El prototipo final de vidrio fundido se puede ver en la Fig. 24.

El vidrio se ha fundido mediante fundición en horno, ya que el molde de yeso no puede soportar las temperaturas más altas del vertido en caliente. La fundición en horno se realiza colocando piezas de vidrio en un depósito resistente al calor (por ejemplo, una maceta de cerámica) sobre el molde. Al calentarse, el vidrio se derrite y fluye hacia el molde, donde se deja recocer bajando de forma controlada la temperatura del horno. Esto hace posible que el objeto sea colado y recocido en un solo horno. Sin embargo, en comparación con otros métodos de fundición de vidrio, como el vertido en caliente, se necesita un programa de cocción más largo para garantizar que el vidrio tenga suficiente tiempo para fundirse por completo (Fig. 25). Esta colada se realizó utilizando vidrio de cal sodada modificado Schott B270 reciclado. Este vidrio se puede colar a una temperatura más baja en comparación con el vidrio sodocálcico regular, con una temperatura de fusión de 827 °C y una temperatura de recocido de 482 °C.

Después del enfriamiento, el molde de yeso de sílice se ablandaba al sumergirlo en agua, lo que facilitaba romper y quitar el molde sin correr el riesgo de dañar los elementos de vidrio del interior. En el procesamiento posterior, los canales de aire y circulación agregados, y cualquier borde afilado restante se eliminaron con la ayuda de una pequeña esmeriladora manual.

Moldes de arena fabricados aditivamente

Es posible fabricar moldes directamente a través de arena impresa en 3D, una técnica de producción utilizada en la industria de la fundición de metales. Estos moldes presentan una alta resistencia al calor, y permiten imprimir formas de alta complejidad sin soportes adicionales. Otras ventajas de los moldes de arena impresos incluyen su rápida producción (normalmente limitada a unos pocos días), bajo costo y precisión de hasta 0,1 mm (basado en la arena utilizada).9

El elemento más grande que actualmente se puede imprimir con esta técnica es de 4 mx 2 mx 1 m, utilizando la impresora Voxeljet VX4000. (Galjaard et al. 2015; Meibodi et al. 2019; Jipa et al. 2016) han aplicado esta metodología para la fundición de elementos complejos topológicamente optimizados en acero, aluminio y hormigón respectivamente (Fig. 26), mientras que investigaciones recientes sobre el uso de estos Los moldes para fundición de vidrio de (Flygt 2018; Oikonomopoulou et al. 2020) sugieren que se puede utilizar como una solución rentable y de alta precisión para objetos de vidrio fundido personalizados.

Hay diferentes aglutinantes disponibles para la impresión con arena. El trabajo experimental anterior de (Bhatia 2019; Oikonomopoulou et al. 2020) ha indicado que los aglutinantes inorgánicos, como el aglutinante CHP de ExOne, son los más adecuados para el calentamiento prolongado del molde a las temperaturas requeridas. También destacaron la necesidad de la aplicación de un recubrimiento para lograr un buen resultado superficial de acabado para los componentes fundidos en horno; ya que la superficie del vidrio resultante del contacto con el molde es en principio rugosa y translúcida. Las pruebas preliminares realizadas por (Bhatia 2019) apuntaron hacia la aplicación a través de una brocha de Crystal Cast (yeso de sílice) para recubrir los moldes; esto resultó en una superficie transparente, pero aún de textura áspera. Por lo tanto, es necesario seguir investigando para encontrar un recubrimiento que pueda producir una textura completamente suave y una superficie de acabado transparente.

En consecuencia, se ha producido un molde de arena impreso en 3D utilizando un aglutinante de CHP para el nodo diseñado en la iteración TO2. El molde, impreso a escala 1:1 por ExOne, consta de 4 capas horizontales (Fig. 27), con elementos entrelazados para asegurar que las capas permanezcan alineadas. Se eligió el diseño en capas porque simplifica la eliminación de la arena sobrante después de la impresión y hace que la geometría sea más accesible para el preprocesamiento, por ejemplo, para la aplicación de recubrimientos. Se aplicó una capa delgada de revestimiento de yeso de sílice (Crystal-Cast)10 para evitar que la arena del molde se fusione con el vidrio fundido y para garantizar una superficie de vidrio lisa, lo que reduce el procesamiento posterior necesario (Bhatia 2019) . Este recubrimiento fue seleccionado por ser fácilmente disponible y asequible. Se utilizó una brocha para aplicar manualmente el yeso líquido en una capa delgada que no deteriore el molde de arena -soluble en agua- impreso.

Se usó una configuración de fundición en horno para fundir el vidrio. Según los resultados preliminares de (Bhatia 2019), se determinó que, para el material aglutinante elegido, es preferible el vidrio con una temperatura de fusión más baja. Debido a esto, se seleccionó el vidrio de plomo (reciclado). Se utilizó un programa de cocción similar al anterior, con una temperatura de fusión más baja de 810 °C y una temperatura de recocido de 430 °C.

El molde de arena impreso no logró producir una geometría utilizable, ya que al abrir el horno enfriado, se encontró que el molde de arena se había derrumbado sobre sí mismo (Fig. 28). Como el aglutinante utilizado para imprimir la arena era menos resistente al calor de lo que se suponía, se había evaporado, dejando la arena muy frágil y desmoronándose bajo el peso de la maceta. Esto parece haber sucedido relativamente pronto en el programa de cocción, ya que se encontró poco vidrio dentro del molde, lo que indica que el molde colapsó antes de que el vidrio tuviera tiempo de licuarse por completo. La diferencia de comportamiento en comparación con las pruebas anteriores realizadas por (Bhatia 2019) puede explicarse por el hecho de que el aglutinante estuvo expuesto a altas temperaturas durante un período considerablemente más largo debido al uso de un proceso completo de fundición en horno.

Debido a las limitaciones de tiempo, no se pudieron realizar más experimentos sobre el uso de moldes impresos en arena para la fundición de vidrio. En una investigación adicional de (Bhatia 2019), se fundió con éxito un elemento de vidrio utilizando una configuración similar (Fig. 29). En este experimento, el recipiente de cerámica (maceta) que contenía el vidrio para la fundición no se colocó directamente encima del molde, sino que se sostuvo por separado, evitando que empujara hacia abajo y agregara peso adicional al molde. Esto permitió que el molde permaneciera intacto el tiempo suficiente para que el vidrio fluyera y se solidificara.

Resultados del casting

Se encuentra que los elementos de vidrio fabricados a través de fundición de inversión tienen una textura rugosa en capas; una huella de la textura generada por el proceso FDM utilizado para imprimir el elemento de cera de sacrificio (Fig. 30). Se podría lograr un elemento más suave utilizando una impresora con una resolución más alta o procesando el elemento después de la impresión para eliminar las capas visibles; aunque esto último podría resultar en una pérdida de precisión.

Sin embargo, el componente resultante también demuestra el alto nivel de detalle que se puede lograr utilizando la fundición en horno. Como el vidrio se mantiene por encima de su punto de ablandamiento durante un período de tiempo prolongado para garantizar que se licúe por completo, tiene tiempo suficiente para asentarse en el molde y transferir hasta los detalles más finos de la textura del molde al vidrio. Durante la fase de diseño, se estimó que una sección de 15 mm de espesor sería la sección más pequeña que se podría moldear de forma fiable. El nivel de detalle en el molde de inversión 1:2 demuestra que mediante el uso de fundición en horno se pueden lograr secciones más delgadas, reduciendo potencialmente aún más el tiempo de recocido de los elementos resultantes.

Aunque la fundición en molde de arena no produjo un elemento válido debido al colapso del molde, otras investigaciones han arrojado resultados prometedores. Se necesita más investigación y validación para explorar el potencial de esta metodología.

Comparando los dos métodos de fabricación, la fundición de precisión utilizando un modelo de cera resultó ser significativamente más laboriosa debido a los múltiples pasos de producción y al procesamiento posterior adicional debido al acabado superficial en capas y los soportes como parte de la impresión FDM. Aunque las herramientas y los materiales necesarios para este método están comúnmente disponibles, la impresión FDM con un nivel suficiente de precisión es un proceso lento.

La impresión 3D de moldes de arena requiere herramientas más especializadas, pero permite la impresión directa de moldes de alta precisión. Además, el tamaño de las impresoras disponibles (hasta 4 mx 2 mx 1 m en la impresora Voxeljet VX4000), permite imprimir varios elementos a la vez, lo que permite tamaños de lote más grandes y un tiempo de impresión reducido por elemento. La intensidad del trabajo se reduce ya que el molde se imprime directamente; además, el método de impresión permite imprimir formas complejas sin soportes, lo que reduce la cantidad de procesamiento posterior necesario. Sin embargo, se requiere una cantidad de mano de obra para limpiar la arena suelta y aplicar revestimientos antes de la fundición para mejorar la calidad de la superficie.

La optimización de topología (TO) es una poderosa metodología de diseño para elementos estructurales de vidrio fundido personalizados. Además de una reducción significativa en el uso de materiales que permite estructuras relativamente livianas, en el caso del vidrio fundido estructural, TO puede reducir significativamente los tiempos de fabricación y el consumo de energía interrelacionado al reducir en gran medida los tiempos de recocido involucrados. En los casos de estudio presentados, los tiempos de recocido estimados se redujeron entre un 67 y un 90 %, en comparación con los nodos sólidos no optimizados. En la práctica, este enfoque de diseño, que esencialmente hace coincidir la distribución de la masa de vidrio con las cargas de diseño anticipadas, podría ayudar a superar uno de los principales desafíos de la fabricación de elementos de vidrio fundido, allanando el camino para un uso mucho más amplio del vidrio fundido como material de carga. para componentes monolíticos de dimensiones sustanciales y diseño intrigante, como losas de piso transparentes, puentes o cerchas.

Se alcanzaron reducciones de masa de entre el 53 y el 69%, mientras que inicialmente se preveían reducciones de hasta el 85%. Algunas razones para el peso final más alto de lo esperado incluyen la necesidad de optimizar tanto la carga permanente debido al peso propio de la estructura como las cargas de viento, lo que resulta en material adicional agregado en TO2 (que consiste esencialmente en dos elementos optimizados en uno) y TO3 (la cantidad de material eliminado se redujo para aumentar la flexibilidad). Además, se reintrodujo material para garantizar una conexión completa con los elementos estructurales de conexión, aumentando aún más el peso.

Los resultados de la fundición de un modelo a escala han demostrado que se pueden fundir elementos más delgados que el espesor mínimo estimado de 15 mm, lo que puede utilizarse para reducir aún más los tiempos de recocido. Sin embargo, los moldes necesarios para elementos tan detallados pueden convertirse en un factor limitante, considerando, por ejemplo, la arena sobrante suelta que debe eliminarse del molde impreso con arena.

Uno de los desafíos encontrados durante el uso de TO fue tener en cuenta las cargas variables (p. ej., viento) en el diseño. Se demostró que TO es capaz de diseñar estructuras altamente optimizadas, transportando cargas con solo una fracción del material original. La desventaja de esta optimización es una reducción en la flexibilidad y la capacidad de la estructura para funcionar bien bajo cargas variables. A medida que el sobredimensionamiento se reduce al mínimo, las estructuras se vuelven menos capaces de soportar cargas que son variables o no se tienen en cuenta durante el diseño. Las estructuras en el entorno construido están sujetas a una amplia gama de cargas, lo que requiere una cierta cantidad de rigidez y sobredimensionamiento para funcionar satisfactoriamente en todos los casos de carga. Por lo tanto, debe tenerse en cuenta que TO no es una solución estructural que lo abarque todo. ¿Es sensato utilizar este enfoque de diseño en los casos en que uno o varios casos de carga dominante están presentes (por ejemplo, cuando la carga muerta es dominante)?

La creación de moldes para la fundición de estas geometrías complejas, de forma orgánica y personalizadas de manera única sigue siendo un desafío, ya que se basa en moldes desechables fabricados mediante técnicas CAM, como la fabricación aditiva. La fundición de inversión utilizando un prototipo de sacrificio fabricado aditivamente ha demostrado que se pueden realizar elementos de vidrio muy complejos, aunque el proceso actual de varios pasos requiere mucho tiempo y mano de obra. A pesar de requerir una mayor validación, los autores creen que los moldes de arena impresos en 3D tienen el potencial de mejorar en gran medida el proceso de producción de elementos de vidrio fundido personalizados y desconcertados, debido a su alta precisión y velocidad de impresión mejorada en comparación con los métodos de fabricación aditivos convencionales. Cabe señalar aquí que para cualquier proyecto que use vidrio fundido, es importante que la técnica de fabricación de los moldes se considere al principio del proceso, ya que puede tener una influencia significativa en las decisiones de diseño.

Limitaciones de esta investigación y otras investigaciones

Dado que no existen nodos de cubierta de rejilla de vidrio estructural de diseño tradicional, los diseños optimizados se compararon con geometrías no optimizadas elegidas de manera aproximada. Estos diseños iniciales pueden considerarse sobredimensionados, lo que significa que las reducciones totales encontradas en peso/masa y tiempos de recocido pueden considerarse relativamente optimistas.

El proceso TO basado en el cumplimiento utilizado en esta investigación no distingue entre tensiones de tracción y compresión, lo que da como resultado elementos en los que ambos están igualmente presentes. Como el vidrio es al menos un orden de magnitud más fuerte en compresión que en tensión, este enfoque no se alinea con las propiedades estructurales del material. Este comportamiento podría mejorarse mediante el desarrollo de un enfoque TO para el vidrio fundido que utilice la optimización basada en el principio de tensión o la optimización de material dual.

En la metodología actual, el procesamiento posterior de la geometría optimizada consiste en un proceso manual repetitivo y lento. Si se va a realizar una estructura de vidrio completa como la propuesta en el estudio de caso, que consta de muchos elementos de fundición, se requiere un nivel de automatización para mejorar su viabilidad. Los requisitos de los elementos tanto desde el punto de vista estructural como de fabricación se pueden definir claramente, mientras que las herramientas de posprocesamiento disponibles, como las de Spaceclaim utilizadas en esta investigación, ya funcionan con información limitada del usuario. Debido a esto, los autores creen que un proceso de optimización paramétrica automatizado es factible.

Es esencial realizar más pruebas para explorar y validar el potencial de los moldes de arena impresos en 3D. Los moldes de arena utilizados para esta investigación fallaron durante la fundición en el horno, ya que el aglutinante seleccionado se debilitó por el calor del horno, lo que provocó el colapso bajo el peso del vidrio fundido. Los resultados iniciales de (Bhatia 2019) parecen indicar que un aglutinante diferente, ExOne Anorganic, muestra una mejor resistencia a las altas temperaturas que el aglutinante utilizado en esta investigación.

Además, se debe investigar el uso de fundición por colada en caliente (primaria) en lugar de fundición en horno. Aunque en el vertido en caliente, el vidrio se vierte inicialmente a una temperatura significativamente más alta que la temperatura máxima alcanzada durante la fundición en horno, debido al hecho de que el vidrio se funde en un horno separado, el molde de arena se somete a altas temperaturas durante un tiempo considerablemente mayor. período de tiempo más corto, previniendo potencialmente la evaporación del aglutinante.

Además de la composición del molde, es necesario explorar más otros parámetros para garantizar que los moldes de arena se puedan usar de manera efectiva y con un procesamiento posterior mínimo. Estos incluyen la elección del recubrimiento y la ubicación y el tamaño de los canales de entrada y circulación necesarios durante la fundición.