Vidro fundido topologicamente otimizado

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 substanciais envolve um processo de recozimento demorado e complexo. Isto limitou o uso deste método de fabricação de vidro no ambiente construído a objetos simples até o tamanho de tijolos de construção normais, que podem ser recozidos em poucas horas. Pela primeira vez, a otimização topológica estrutural (TO) é investigada como uma abordagem para projetar elementos monolíticos de vidro fundido com massa e dimensões substanciais, com tempos de recozimento significativamente reduzidos. A pesquisa é dupla. Primeiro, é realizada uma exploração numérica. O potencial de redução de massa enquanto se mantém uma 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 tridimensional de vidro ainda não está disponível. Para esta pesquisa, o TO baseado em deformação ou conformidade é selecionado para a otimização do nó tridimensional da grade de vidro fundido; no nosso caso, consideramos que uma TO baseada em deformações permite uma melhor exploração da redução de espessura, que, por sua vez, tem grande influência no tempo de recozimento do vidro fundido. Em comparação, numa optimização baseada em tensões, a resistência à tracção consideravelmente mais baixa do vidro tornar-se-ia a principal restrição, deixando subutilizada a maior resistência à compressão. Além disso, é determinado que um caso de carga único, imutável e dominante é 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 fabricação dos 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, são tiradas várias conclusões sobre a aplicabilidade e limitações do TO para componentes de vidro fundido e o potencial de métodos de fabricação alternativos para fabricar tais componentes de vidro de formato complexo.

A modelagem do vidro fundido: possibilidades e limitações

Nas 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 transparente, resistente e 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), superior até mesmo ao do aço estrutural. Na verdade, as aplicações estruturais do vidro no ambiente construído estão continuamente a aumentar, mas com uma limitação geométrica considerável: devido à prevalência da indústria do vidro float, o vidro estrutural é geralmente limitado às formas e formatos que podem ser gerados pelo vidro virtualmente plano. , painéis flutuantes bidimensionais. O vidro fundido pode escapar às limitações de design impostas, essencialmente, pela bidimensionalidade do vidro float.

Ao despejar vidro fundido em moldes, este método de fabricação alternativo permite a criação de elementos de vidro tridimensionais sólidos de praticamente qualquer formato e seção transversal (Oikonomopoulou et al. 2018a). Os elementos de vidro fundido resistentes ainda têm pouca aplicação em estruturas realizadas. Alguns exemplos notáveis ​​incluem o Memorial Atocha (Paech e Göppert 2008), a Fonte da Coroa (Hannah 2009), a Casa Óptica (Hiroshi 2013), as Casas de Cristal (Oikonomopoulou et al. 2015, 2018b) (Fig. 1), o Qwalala Escultura (Paech e Göppert 2018), o LightVault (Parascho et al. 2020) e o Pavilhão Qaammat (Oikonomopoulou et al. 2022).