Роботизированное реконфигурируемое формование песка для изготовления флоат-стекла двойной изогнутости

Дата: 7 июня 2023 г.

Представленное исследование исследует формирование рыхлого песка как реконфигурируемую стратегию формования нестандартных стеклянных деталей. Стеклянные детали двойной изогнутости обычно требуют трудоемкого изготовления отдельных керамических или стальных форм. Реконфигурируемые формы для стекла ограничены определенной модульной геометрией и требуют дорогостоящих термостойких приводных механизмов. Трехмерные (3D) напечатанные песчаные формы для осадки стекла требуют связующих веществ и не могут быть использованы повторно. Целью данного исследования является содействие безотходному изготовлению стеклянных элементов двойной изогнутости и созданию простого, быстрого и недорогого процесса изготовления форм для горячей гибки стекла. В формовочной системе используется гранулированный сыпучий песчаный материал, термостойкий и быстро поддающийся реформированию. В сочетании с новыми цифровыми инструментами и роботизированным производством эта технология обеспечивает гибкую систему формования для трансформации готового к использованию в промышленности флоат-стекла.

В этом исследовании представлены первые результаты, в том числе возможные системы гранулированных материалов для формования рыхлых гранулятов, роботизированная настройка и стратегии размещения гранулированных материалов, а также формирование объемного материала с учетом параметров роботизированного процесса. Кроме того, он исследует стабильность формы во время оседания, а также геометрическую точность формы и получаемых стеклянных элементов. Полученные стеклянные элементы полностью прозрачны и не вызывают никаких загрязнений. Представленный подход позволяет добиться плавных изгибов, легкого удаления формы и полной переработки формы без дальнейшей обработки. Этот метод был применен в нескольких экспериментах среднего масштаба, включая исследования того, какое семейство форм можно создать. Обсуждаются геометрическая свобода и ограничения предлагаемого метода изготовления. Реконфигурируемое формование стекла из песка может обеспечить геометрическую настройку стеклянных элементов и придать новые оптические, структурные или декоративные свойства стеклянным фасадам и окнам.

1.1. Фон

Производство стекла берет свое начало в глубокой древности. Первые свидетельства существования форм для изготовления стекла относятся к римскому периоду. Предметы домашнего обихода изготавливались с использованием литья фритты, плавления небольших стеклянных гранул под воздействием тепла внутри формы или заливки жидкого стекла внутри формы (Wight 2011). До изобретения выдувания стекла в первом веке до нашей эры, которое позволило изготавливать полые предметы произвольной формы без использования форм (Эйзен, 1916), ремесленники использовали так называемое формование стержня, оборачивая расплавленное стекло вокруг стержня, который затем удаляли для производить полые предметы (Музей стекла Корнинг, 2022 г.). Несмотря на изобретение безформенных процессов, формы на протяжении всей истории были весьма актуальным инструментом для придания формы стеклу. Материалы форм включают песок, керамику, глину-бентонит, графит и сталь. Среди них песок является актуальным формовочным материалом для литья стекла и металла.

Для так называемого процесса литья моделей деревянная модель прессуется в смесь песка, глины и бентонита и удаляется перед отливкой (Музей стекла Корнинг, 2022). Хотя ремесленники до сих пор используют такие традиционные методы для изготовления изделий произвольной формы, индустрия листового стекла добилась значительного прогресса за всю историю производства стекла для строительства. Во время промышленной революции технология выдувного листового стекла позволила изготавливать плоские стеклянные панели для применения в архитектуре. Этот процесс включал выдувание стеклянного цилиндра и его разворачивание на плоскую стальную пластину для получения плоских стеклянных панелей (Дидро и др., 2002). Изобретение процесса флоат-стекла в 1952 году позволило производить стандартизированное флоат-стекло без искажений для архитектуры и автомобильной промышленности (Pilkington 1969). Сегодня флоат-стекло занимает большую часть стекольного рынка, с прогнозируемым постоянным ежегодным ростом на 4% к 2028 году (Statista 2021).

Использование изогнутого стекла в архитектуре остается исключением из-за сложности производства стекла двойной изогнутости со стандартизированным качеством и высокими затратами на энергию и пресс-формы. Формы для изготовления стеклянных деталей двойной кривизны, предназначенных для использования в архитектуре или автомобильной промышленности, обычно изготавливаются из керамики или хромистой стали, которые являются дорогостоящими и могут использоваться только для изготовления одного типа формы (Немецкий Bundesverband Flachglas, 2012). Холодная гибка стекла набирает популярность благодаря своим экологическим преимуществам. Тем не менее, этот метод ограничен одинарными и небольшими двойными кривизнами без возможности создания небольших двойных кривизн внутри панели (Fildhuth et al. 2019).