Überdenken der Gussglasform

Datum: 1. April 2021

Quelle:

Konferenz über architektonische und strukturelle Anwendungen von GlasBelis, Bos & Louter (Hrsg.), Universität Gent, September 2020. Urheberrecht © bei den Autoren. Alle Rechte vorbehalten. ISBN 978-94-6366-296-3, https://doi.org/10.7480/cgc.7.4662

In diesem Artikel werden zwei alternative Formenherstellungstechnologien untersucht, die das kostengünstige Gießen von (massiven) Glaskomponenten mit einem großen Freiheitsgrad in Form und Größe und/oder einem individuellen Design ermöglichen. Konkret werden in dem Artikel die an der TU Delft durchgeführten Forschungs-, Design- und experimentellen Arbeiten zu 3D-gedruckten Sandformen und verstellbaren, hochpräzisen Stahlformen erörtert. 3D-gedruckte Sandformen können eine hochpräzise und kostengünstige Lösung für Feststoffe darstellen Glaskomponenten mit komplexer Geometrie und/oder individuellem Design.

Obwohl diese Formtechnik bereits für Metallgussteile eingesetzt wird, ist sie im Bereich des Glasgusses noch unerforscht. Dementsprechend präsentiert dieser Artikel die ersten experimentellen Ergebnisse dieser Formtechnologie an der TU Delft: Formproben, die verschiedene Bindemittel verwenden und mit verschiedenen Beschichtungen zur Oberflächenveredelung behandelt werden, werden bei den hohen Temperaturen getestet, die beim Glas-(Ofen-)Guss zu erwarten sind.

Anschließend werden 3D-gedruckte Formen für eine bestimmte Glasgeometrie vorbereitet und physische Glasprototypen durch Ofenguss hergestellt. Verstellbare Metallformen sind eine weitere Formtechnik, die einen gewissen Freiheitsgrad beim Modul einer Struktur bietet. Grundsätzlich können Bauteile unterschiedlicher Größe und teilweise unterschiedlicher Form mit derselben Form erzeugt werden. Dementsprechend werden die Designprinzipien und die Technik einer solchen Form sowie die möglichen Anwendungen und Einschränkungen dieser Technologie diskutiert.

Als Machbarkeitsnachweis wird eine anpassbare Form aus 3D-gedrucktem PLA und lasergeschnittenem MDF hergestellt. Die Form wird zur Herstellung von Wachsmodellen mit variablen Formen verwendet, die zum Ofenguss von Glasprototypen im Wachsausschmelzverfahren verwendet werden. Basierend auf den Erkenntnissen zu beiden vorgestellten Formtechnologien werden Richtlinien zu deren Eignung entsprechend dem Produktionsvolumen, dem erforderlichen Genauigkeitsgrad sowie der Komplexität und Variation der beteiligten Formen gegeben.

1.1. Das Formgebungspotenzial von Gussglas und aktuelle Einschränkungen durch Formtechnologien

Theoretisch ermöglicht der Glasguss, also das Gießen von geschmolzenem Glas in Formen, die Herstellung monolithischer Glasbauteile nahezu beliebiger Form und Querschnitt. Dieses enorme Formungspotenzial, kombiniert mit der hohen Druckfestigkeit von Glas (von (Saint Gobain 2016; Weller et al. 2008; Ashby, Jones 2006) bis zu 1000 MPa für Float-Kalk-Natron-Glas angegeben), bietet endlose Möglichkeiten bei der Gestaltung von durchsichtige, monolithische Glaskonstruktionselemente jeder Größe und Form: von geschosshohen Glassäulen bis hin zu ganzen Glashüllen.

In der Praxis bleibt das Gestaltungspotenzial von Gussglas in der gebauten Umwelt jedoch weitgehend ein unerforschtes Feld. Die wenigen realisierten Beispiele selbsttragender Strukturen aus Gussglaskomponenten, nämlich das Atocha-Denkmal (Schober et al. 2007), der Crown Fountain (Hannah 2009), das Optical House (Hiroshi 2013) und die Crystal Houses (Oikonomopoulou et al. 2017; Oikonomopoulou et al. 2015) verwenden identische massive Glaseinheiten mit einfacher Form und einer Masse von ungefähr bis zu 10 kg ( Abb.1). Es gibt zwei Hauptgründe für diese Designentscheidungen für die Massivglaseinheiten, die in gewisser Weise auch miteinander verknüpft sind: (a) die lange und verwirrende Glühzeit, die für Gussglaselemente mit größerer Masse und Dicke erforderlich ist, und (b) die Kostenbarrieren durch Formen, die komplexe hochpräzise Stahl- oder Graphitformen erfordern, oder durch eine kundenspezifische Produktion (Abb. 2).

Die erforderliche Glühzeit kann als größter Nachteil beim Gießen von Glasstücken mit beträchtlicher Masse angesehen werden. Schlüsselfaktoren für die Reduzierung der Glühzeit sind der Wärmeausdehnungskoeffizient von Glas (direkt verknüpft mit der Glaszusammensetzung), die Masse und die Gesamtform des Objekts (Oikonomopoulou 2019). In dieser Richtung kann eine wesentlich leichtere Struktur die Glühzeit erheblich verkürzen und so die Herstellung größerer Komponenten in deutlich kürzerer Zeit ermöglichen.

Beispielsweise kann eine optimierte Geometrie aus dünneren Abschnitten zu einem Bauteil mit hoher Steifigkeit und geringerem Gewicht führen. Die Konstruktion (und der Guss) der massiven Spiegelrohlinge der riesigen Bodenteleskope ist das charakteristischste Beispiel für diesen Ansatz: Dank seiner optimierten Wabenstruktur kann jeder Rohling des Riesen-Magellan-Teleskops von 8,4 m Durchmesser und ca. 0,9m max. Dicke erforderte nur 3 Monate Glühen. Im Vergleich dazu erforderte der massive Spiegelrohling des Hooker-Teleskops mit einem Durchmesser von 2,5 m und einer Dicke von 0,32 m eine 12-monatige Glühzeit1(Abb.3) (Oikonomopoulou et al. 2018).

1 Hierbei ist zu erwähnen, dass auch die Glaszusammensetzung und insbesondere der Wärmeausdehnungskoeffizient des verwendeten Glases eine entscheidende Rolle bei der Verkürzung der Glühzeit spielten. Für den Rohling des Hooker-Teleskops wurde Weinflaschenglas verwendet (α=9 * 10-6 1/C), während für den Rohling des Giant Magellan Telescope E6-Borosilikatglas verwendet wurde (α=2,8 * 10-6 1/ C).

Solche optimierten Geometrien erfordern wiederum komplexe und hochpräzise Formen. Dies führt wiederum zu höheren Herstellungskosten, die die Marktfähigkeit des Gussobjekts gefährden und es wirtschaftlich unhaltbar machen können. Aber auch die Formkosten können den Endpreis kundenspezifischer (nicht standardisierter) Komponenten mit einfacher Geometrie, die eine hohe Genauigkeit erfordern, in die Höhe schnellen lassen2.

Mit anderen Worten: Bei einer begrenzten Charge von beispielsweise hundert Einheiten können die Kosten für eine hochpräzise Stahlform den Preis des Endprodukts erheblich in die Höhe treiben. Daher erfolgt das Gießen kundenspezifischer Glaskomponenten derzeit mit kostengünstigen Einwegformen, die jedoch arbeitsintensiv sind und grundsätzlich zu Elementen mit geringerer Genauigkeit führen. Um wiederum die Herstellungskosten niedrig zu halten, wird in architektonischen Anwendungen derzeit die Verwendung von nur standardisierten Glaseinheiten bevorzugt.

2Eine persönliche Kommunikation der Autoren mit Poesia, dem Hersteller der Gussglasblöcke für die Fassade der Crystal Houses, lässt darauf schließen, dass der Preis einer hochpräzisen Form aus gefrästem Edelstahl selbst für Blöcke, die einem einfachen, rechteckigen Muster folgen, einige tausend Euro betragen kann bilden.

1.2.Das Potenzial anpassbarer und 3D-gedruckter Sandformen für kundenspezifische und freigeformte Glaskomponenten

In diesem Artikel werden zwei alternative Formenherstellungstechnologien als mögliche Lösungen für die oben genannten Hauptherausforderungen (Einheitsgröße, Formkomplexität und individuelle Anpassung) für die Herstellung von Gussglaskomponenten mit einem großen Freiheitsgrad in Form und Größe oder von eine weitgehend maßgeschneiderte Produktion ermöglichen, ohne dass ihre Marktfähigkeit durch hohe Herstellungskosten gefährdet wird. Konkret geht es in dem Artikel um die Forschung und experimentelle Arbeit, die an der TU Delft zu zwei unterschiedlichen Formtechnologien für Freiform- oder kundenspezifische Gussglaskomponenten durchgeführt wurde: 3D-gedruckte Sandformen und einstellbare, hochpräzise Stahlformen.

Einweg-3D-gedruckte Sandformen mit hoher Genauigkeit, die bereits für Metallgussteile verwendet werden, können als kostengünstige Lösung für den Guss maßgeschneiderter massiver Glaskomponenten mit komplexer Geometrie eingesetzt werden. Im Vergleich zum mühsamen und zeitaufwändigen Prozess herkömmlicher Feingussformen sind 3D-gedruckte Sandformen schnell und einfach herzustellen und ermöglichen eine große Komplexität der Formen, einschließlich Hinterschneidungen und Hohlräumen.

Solche Formen eignen sich besonders zum Gießen komplexer Geometrien, wie sie beispielsweise aus einem Designprozess zur topologischen Optimierung resultieren. Um das Potenzial dieser Formtechnologie beim Glasgießen zu untersuchen, werden im Glaslabor der TU Delft mehrere Experimente durchgeführt.

Konkret werden von ExOne mit verschiedenen Bindemitteln gedruckte und mit verschiedenen Beschichtungen zur Oberflächenveredelung behandelte Formmuster bei den für den Glasguss geeigneten hohen Temperaturen getestet. Abschließend werden auf der Grundlage des gewählten Bindemittelmaterials und der Oberflächenbeschichtung 3D-gedruckte Formen von Segmenten einer topologisch optimierten Gussglassäule hergestellt und physische Glasprototypen durch Ofenguss hergestellt.

Mit verstellbaren Stahlformen können Bauteile unterschiedlicher Größe und bis zu einem gewissen Grad unterschiedlicher Form mit derselben Form erzeugt werden, was einen gewissen Freiheitsgrad beim Modul der Struktur ermöglicht. Dementsprechend werden die Designprinzipien und die Technik einer solchen Form sowie die möglichen Anwendungen und Einschränkungen dieser Technologie diskutiert. Als Proof of Concept wird eine verstellbare Form aus 3D-gedrucktem PLA und lasergeschnittenem MDF hergestellt und für die Erstellung von Wachsmodellen variabler Größe verwendet. Aus den Wachsmodellen werden dann im Wachsausschmelzverfahren Glasprototypen im Ofen gegossen.

Basierend auf den Erkenntnissen zu beiden neuartigen Formtechnologien werden Richtlinien zu deren Eignung entsprechend dem Produktionsvolumen, dem erforderlichen Genauigkeitsgrad sowie der Komplexität und Variation der beteiligten Formen gegeben und Vorschläge für zukünftige Forschungsrichtungen gemacht.

Grundsätzlich lassen sich alle Formen für den Glasguss in zwei Hauptkategorien einteilen: Einwegformen und Dauerformen. Tabelle 1 fasst die Eigenschaften der vorherrschenden Formentypen für den Glasguss zusammen, dargestellt in Abb. 4. Die Wahl der Form hängt hauptsächlich vom Produktionsvolumen und der gewünschten Genauigkeit des Glasprodukts ab und ist kosten- und zeitgesteuert (Oikonomopoulou et al. 2018).

In dieser Richtung werden Einwegformen (Abb. 5, links) für Kleinseriengussteile oder für kundenspezifische Bauteile bevorzugt, da sie deutlich günstiger sind als permanente (Metall-) Formen. Der Nachteil von Einwegformen ist grundsätzlich eine zeitaufwändige und sorgfältige Arbeit, sie erfordern eine Nachbearbeitung des Glasobjekts und beeinträchtigen die Maßhaltigkeit des Endprodukts.

Genauer gesagt, das Präzisionsniveau und die max. Die Schmelztemperatur solcher Formen kann je nach Material, aus dem sie hergestellt sind, variieren und reicht von kostengünstigen Siliciumdioxid-Gips-Investitionsformen für Gussteile unter 1.000 °C (normalerweise im Kunstbereich eingesetzt) ​​bis hin zu teuren gemahlenen Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Fasern Hochleistungskeramiken (z. B. zum Gießen von Teleskopspiegelrohlingen). In beiden Fällen erhält die Glasoberfläche im Kontakt mit der Form eine durchscheinende, raue Haut, die eine Nachbearbeitung erfordert, um ein vollständig transparentes Bauteil zu erhalten. Aufgrund der Sprödigkeit dieser Formen werden sie häufig zum Gießen im Ofen verwendet; Heißgießen wird nicht empfohlen.

Tabelle 1: Eigenschaften der vorherrschenden Formentypen für den Glasguss, abgeleitet aus (Oikonomopoulou 2019).

Für eine Serienproduktion werden Dauerformen aus gefrästem Stahl oder Graphit (Abb. 5) bevorzugt. Mit solchen Formen kann Heißgießen durchgeführt werden, was wesentlich zeiteffizienter ist als Ofengießen. Solche Formen (insbesondere Pressformen) erreichen im Allgemeinen eine deutlich erhöhte Maßhaltigkeit im Vergleich zu Einwegformen. Insbesondere bei der Verwendung von Graphitformen kann auch direkt ein hohes Maß an Oberflächendetaillierung erzielt werden. Insgesamt ist die resultierende Oberfläche glänzend und transparent und es ist nur eine minimale oder keine Nachbearbeitung erforderlich, da die gewünschte Maßhaltigkeit direkt erreicht wird.

Obwohl die Dauerformen selten auf diese Weise konstruiert werden, können sie bei Bedarf angepasst werden (Abb. 5), um eine Formflexibilität zu ermöglichen (obwohl dies die Präzision beeinflussen kann). Obwohl die Komplexität der Form bei Einwegformen keinen wesentlichen kostenbeeinflussenden Faktor darstellt, erhöht sie aufgrund der Konstruktion hochentwickelter, mehrteiliger Formen den Preis von Stahl- und Graphitformen.

3.1.Aktuelle Anwendungen und das Potenzial 3D-gedruckter Sandformen für den Glasguss

Aus dem vorherigen Abschnitt lässt sich direkt ableiten, dass für Gussglaskomponenten, die komplexen Formen folgen oder maßgeschneidert sind und bei denen eine hohe Genauigkeit erforderlich ist, neuartige Lösungen entwickelt werden müssen, um Elemente zu erhalten, die hinsichtlich der Kosteneffizienz effizient sind Herstellungskosten.

Eine vielversprechende, kostengünstige Formmethode, die das Design und die Produktion maßgeschneiderter Glaskomponenten mit hoher Genauigkeit revolutionieren kann, ist die Entwicklung von 3D-gedruckten Sandformen für den Glasguss. 3D-Drucker aus Sand, wie sie von 3Dealize, Concr3de ​​und ExOne entwickelt und verwendet werden, werden bereits für die Herstellung von Sandgussformen für gegossene Metallobjekte (wie Aluminium, Kohlenstoffstahl, Edelstahl, Bronze, Eisen und Magnesium) eingesetzt ) komplexer Geometrien mit hoher Genauigkeit (ExOne 2019).

Weitere Vorteile 3D-gedruckter Sandformen sind ihre geringen Kosten, die schnelle Herstellung (normalerweise auf wenige Tage begrenzt), die Skalierbarkeit und die hohe Größengenauigkeit (bis zu ± 0,1 mm, definiert durch die Korngröße des Sandes).3 . Typische Anwendungen reichen von der Herstellung schweißfreier Automobilkomponenten und Propeller bis hin zur präzisen Reproduktion beschädigter oder kaputter Elemente alter Automotoren oder sogar historischer Strukturen durch 3D-Scannen.

Ein charakteristisches Beispiel für das Potenzial dieser Technologie ist der Einsatz von 3D-gedruckten Sandformen zum Gießen komplexer und individuell gefertigter Stahlknoten, entwickelt von Arup und 3Dealise (Niehe 2017). Der 3D-Druck der Form wurde dem Direktdruck des Knotens vorgezogen, da letzterer mehrere wichtige Nachteile aufweist, wie z. B. die fehlende Zertifizierung (aufgrund der Inhomogenität des gedruckten Metalls), Größenbeschränkungen und relativ hohe Kosten. Darüber hinaus können durch das Drucken der Form zusätzliche Stützen entfallen, die beim direkten 3D-Druck eines Objekts erforderlich sind4 . Mit solchen 3D-gedruckten Sandformen wurden auch anspruchsvolle Formen in Beton gegossen (Jipa et al. 2016). Die größte Sandformgröße, die derzeit mit dieser Technik gedruckt werden kann, ist 4 m x 2 m x 1 m mit dem Voxeljet-Drucker VX4000.

Während 3D-gedruckte Sandformen bereits zum Gießen von Metallen mit hohem Schmelzpunkt eingesetzt werden, ist ihr Einsatz bei Glas bisher eher begrenzt. Nichtsdestotrotz wird Sandguss, bei dem eine Schablone (typischerweise aus Holz) in den Sand gedrückt wird, um einen klaren Abdruck zu hinterlassen, von Glaskünstlern häufig als kosteneffiziente Formlösung für den Glasguss verwendet. Diese Technik mit geringer Genauigkeit wird jedoch nicht zur Herstellung von Bauelementen verwendet. Untersuchungen zur Verwendung von 3D-gedruckten Sandformen für den Glasguss von (Flygt 2018) legen nahe, dass diese neuartige Formmethode tatsächlich als kostengünstige, hochpräzise Lösung für kundenspezifische Gussglasobjekte oder/und komplexe Objekte verwendet werden kann Geometrie.

Bei der Verwendung von 3D-gedruckten Sandformen für Gussglaskomponenten gibt es drei wesentliche Herausforderungen: Erstens sollten die Sandformen aufgrund des Ofengussverfahrens (das für Einwegformen verwendet wird) in der Lage sein, hohe Temperaturen über einen längeren Zeitraum auszuhalten (einschließlich des Glühvorgangs). Während Sand die erwarteten Temperaturen problemlos aushalten kann, ist das Verhalten des Bindemittels unbekannt. Anschließend muss die Form in der Lage sein, dem hydrostatischen Druck der Glasschmelze für die gleiche Zeitspanne standzuhalten. Aufgrund der Beschaffenheit der Form ist schließlich die Endqualität der Oberfläche rau. Daher ist es wichtig, eine geeignete Beschichtung zu finden, um eine Nachbearbeitung zu vermeiden.

3Basierend auf persönlicher Kommunikation mit 3Dealize.4Diese Beobachtungen basieren auf einer persönlichen Kommunikation mit Arup Amsterdam.

3.2.Experimentelle Untersuchung

Um das Potenzial dieser neuen Formtechnologie für den Glasguss zu erkunden, werden im Glaslabor der TU Delft vier Testreihen an 3D-gedruckten Proben durchgeführt, die mit verschiedenen Bindemitteln verbunden sind. Eine Übersicht über die Tests finden Sie in Tabelle 2. Für die Tests wurden von ExOne 3D-gedruckte Sandproben von 4 verschiedenen Bindemitteln bereitgestellt. Alle Proben wurden in einem ROHDE ELS 200S-Ofen getestet.

Tabelle 2: Übersicht über Experimente zu 3D-gedruckten Sandformen.

Testreihe 1

In Serie 1 werden 3D-gedruckte Sandblöcke aus 4 verschiedenen Bindemitteln bis 900 °C getestet, um ihre Beständigkeit gegenüber den für den Ofenguss erforderlichen hohen Temperaturen zu untersuchen5 und Glühen von Gussglas. Während der Temperaturerhöhung wurden die Proben regelmäßig im Ofen kontrolliert. Tabelle 3 fasst die wichtigsten Ergebnisse zusammen:

Tabelle 3: Ergebnisse der 1. Testreihe.

Daraus lässt sich direkt schließen, dass anorganische und CHP-Bindemittel für Gussglasanwendungen am vielversprechendsten sind. Daher wurde beschlossen, für die Prüfkörper der verbleibenden Versuche ausschließlich diese beiden Bindemittel zu verwenden.

5Es ist zu beachten, dass beim Ofengießen niedrigere Temperaturen erforderlich sind als beim Heißgießen, da die mit der Glasbildung verbundenen endothermen chemischen Reaktionen bereits abgeschlossen sind.

Testreihe 2

Um die Reaktion von Glas mit dem Formmaterial zu untersuchen, wurde ein kleiner Hohlraum in 3D-gedruckte Sandblöcke aus anorganischem und CHP-Bindemittel geschnitzt und eine Glasperle aus zerkleinertem Flaschenglas im Ofen gegossen.

Sobald der Ofenguss abgeschlossen ist, wird das Glas aus der Form genommen. Eine Zusammenfassung der Tests und Ergebnisse finden Sie in Tabelle 4.

Daraus lässt sich schließen, dass in beiden Fällen der Guss der Glasperle erfolgreich war; Dennoch weist das resultierende Glasbauteil aufgrund der Reaktion und Verschmelzung des Glases mit den Körnern der 3D-gedruckten Sandform eine raue und durchscheinende Oberfläche auf. Um eine glatte, transparente Endoberfläche des Glasobjekts zu erzielen, wird daher das Aufbringen einer Beschichtung auf die Form als notwendig erachtet.

Tabelle 4: Ergebnisse der 2. Testreihe.

Testreihe 3

Dementsprechend wurde die Wirkung von drei verschiedenen Arten von Oberflächenbeschichtungen, die direkt auf die Form aufgetragen wurden, an ähnlichen Proben und identischem Heizprogramm wie in Testreihe 2 untersucht. Die ausgewählten Beschichtungen wurden aufgrund ihrer direkten Verfügbarkeit in den Niederlanden und ihrer geringen Kosten ausgewählt folgt:

a) Bornitrid Dies ist ein Hochtemperatur-Trennmittel, das häufig in der Glasindustrie verwendet wird. Das Aufsprühen des Materials ermöglicht eine gleichmäßige Oberfläche mit glattem Finish. Darüber hinaus ist aufgrund der Trennmitteleigenschaften davon auszugehen, dass sich das Glasobjekt leicht aus der Form lösen lässt. b)Crystal CastCrystal Cast ist ein Pulvermaterial, das üblicherweise zur Herstellung von Einwegformen für Glaselemente verwendet wird. c)Mold Mix 6 (von Zircar)Das Produkt wird typischerweise zur Herstellung von Formen verwendet und ist in Pastenform erhältlich.

Die Ergebnisse und Erkenntnisse dieser Reihe sind in Tabelle 5 zusammengefasst.

Keine der getesteten Beschichtungen ergab die gewünschte Kombination aus glatter Textur und klarer optischer Qualität der Endglaskomponente. In jedem Fall bleibt die Nachbearbeitung des Glasobjekts unerlässlich, um die gewünschte Endqualität zu erreichen. Anschließend sind weitere Untersuchungen erforderlich, um eine Beschichtung zu identifizieren, die für eine Gussglasanwendung vollständig geeignet ist. Aufgrund der zeitlichen Beschränkungen dieser Untersuchung wurde die vierte Testreihe mit Crystal Cast zur Beschichtung der Formen durchgeführt, da dies die zufriedenstellendsten Ergebnisse lieferte.

Tabelle 5: Ergebnisse der 3. Testreihe.

Testreihe 4

Um die Machbarkeit von 3D-gedruckten Sandformen für Gussglaskomponenten weiter zu untersuchen, werden Segmente einer topologisch optimierten Gussglassäule, entwickelt von (Bhatia 2019), für die Gestaltung entsprechender 3D-gedruckter Sandformen verwendet. Die Formen, die drei verschiedenen Segmenten der Geometrie entsprechen, wurden von ExOne hergestellt und gesponsert (ExOne 2019). Der Maßstab der Geometrie und die entsprechende Formgröße wurden auf der Grundlage der Größe des verfügbaren Ofens im Glaslabor der TU Delft eingeschränkt. Jede Form besteht aus 2 oder 3 Scheiben, sodass loser Sand aus dem 3D-Druckprozess leicht entfernt werden kann und ein einfacher Zugang für ein reibungsloses Auftragen der Beschichtung besteht.

Ineinandergreifende Knoten werden verwendet, um die verschiedenen Teile der Form miteinander auszurichten. Um ein Öffnen der Form aufgrund des durch die Glasschmelze verursachten hydrostatischen Drucks zu verhindern, werden M8-Stahlschrauben verwendet, um die Formteile zusätzlich aneinander zu stabilisieren. Um ein leichtes Entweichen von Luftblasen zu ermöglichen, wurden Entlüftungsrohre mit einem Durchmesser von 6 mm in die Form integriert. Oben auf der Form ist eine breite Öffnung (Gießdeckel) für den Glaseinlass vorgesehen. Abschließend wurde an allen Seiten der Form eine 15 mm dicke zusätzliche Begrenzung eingearbeitet.

Die entworfenen Formgeometrien sind in Abb.7 zu sehen. Die endgültigen 3D-gedruckten Formen sind in Abb. 8 dargestellt. Um das Potenzial beider Bindemittelsysteme zu erkunden, wurde festgelegt, dass Geometrie 1 mit dem anorganischen Bindemittel gedruckt werden sollte, während die Formgeometrien 2 und 3 mit CHP-Bindemittel hergestellt werden. Vor dem Gießen wurden alle Formen mit Hilfe eines Pinsels mit 3 Schichten Crystal Cast beschichtet.

Aufgrund der erhöhten Temperaturen beim Gießen im Ofen wurde zur Erhöhung der Sicherheit und Robustheit der Formen eine Feuerlöschdecke um die Stahlbolzen jeder Form gewickelt und die Naht zwischen den Formteilen mit einer dicken Schicht Crystal Castin Order versiegelt um ein Auslaufen der Glasschmelze zu verhindern. Zuletzt wurde jede Form mit einer größeren Silikatgipsform umhüllt. Zwischen den beiden Formen wurde grober, verdichteter Sand verwendet. Die Sicherheitsmaßnahmen sind in Abb. zu sehen. 9.

Aufgrund der niedrigeren Schmelztemperatur (im Vergleich zu Natronkalk und Borosilikat) wurde für den Ofenguss zerkleinertes Bleiglas (Glasscherben) verwendet. Alle Formen wurden nach einem doppelten Glühplan getestet, der eine maximale Temperatur von 100 °C erreichte. T=810 ̊C. Die Glasscherben wurden in einen Blumentopf gelegt, an dessen Boden ein Loch gebohrt war. Der Blumentopf wurde mit Schamottesteinen über den Ausgussdeckel jeder Form platziert, um das Glas nach dem Schmelzen in die Form zu leiten (siehe Abb. 10).

Tabelle 6 gibt einen Überblick über die aus dieser Testreihe abgeleiteten Beobachtungen. Daraus kann man schließen:

Tabelle 6: Zusammenfassung der Ergebnisse der Testreihe 4.

3.3.Schlussfolgerungen

Obwohl es sich bei den vorgestellten Experimenten nur um eine erste Untersuchung der Verwendung von 3D-gedruckten Sandformen für Gussglaskomponenten handelt, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass diese Technologie eine vielversprechende Lösung für die Herstellung von Vollglaskomponenten nach einer perplexen oder maßgeschneiderten Geometrie ist. Von den getesteten, verfügbaren Bindemittelmaterialien liefert das anorganische Bindemittel die vielversprechendsten Ergebnisse und gilt als das am besten geeignete für Gussglasanwendungen, da es die erwarteten Temperaturen über einen längeren Zeitraum ohne nennenswerten Festigkeitsverlust aushalten kann. Darüber hinaus scheint es in der Lage zu sein, dem hydrostatischen Druck der Glasschmelze zu widerstehen, ohne sich zu verformen oder zu reißen.

Die Oberflächenqualität des Glases, das mit der Form in Kontakt kommt, ist grundsätzlich rau und durchscheinend. Daher wird das Aufbringen einer Beschichtung als notwendig erachtet, um eine glatte, transparente Qualität der Endoberfläche zu erreichen und eine Nachbearbeitung des Glasobjekts zu verhindern. Hierbei ist zu beachten, dass die Nachbearbeitung des Glasbauteils nur zur Erzielung des gewünschten optischen Ergebnisses als notwendig angesehen wird und nicht für die Maßhaltigkeit des Endprodukts erforderlich ist.

Im Kontext und unter den für diese Forschung verfügbaren Ressourcen wurde die Verwendung von Crystal Cast für die Beschichtung der Formen als die beste verfügbare Option angesehen. Dennoch sind weitere Untersuchungen erforderlich, um eine geeignete Beschichtung zu finden, die zu einer völlig glatten Textur und einer transparenten Oberfläche führen kann.

Eine vielversprechende Anwendung solcher 3D-gedruckten Sandformen ist das Gießen topologisch optimierter Glaselemente mit reduzierter Masse und größeren Abmessungen, wie dem in (Damen 2019) beschriebenen Knoten und der Glassäule von (Bhatia 2019) (Abb. 11). ). Im Wesentlichen kann die Glasmasse so gestaltet werden, dass sie den Auslegungslasten entspricht und gleichzeitig die Masse homogen bleibt, um eine gleichmäßige Kühlung zu gewährleisten (Oikonomopoulou 2019). Die Möglichkeit, Glasformen mit reduzierter Masse und komplexer Geometrie zu erzeugen, führt nicht nur zu interessanten Strukturen, sondern auch zu einer Reduzierung des verwendeten Materials und vor allem der benötigten Glühzeit, was die Herstellung monolithischer Glaskomponenten mit beträchtlicher Masse ermöglicht in allen drei Dimensionen.

4.1.Bestehende Verwendung verstellbarer Formen beim Glasguss

Eine einstellbare Metallform ist eine geeignete Lösung zur Reduzierung der damit verbundenen Herstellungskosten bei Anwendungen, bei denen Komponenten einer ähnlichen Gesamtgeometrie mit einem oder zwei variablen Parametern folgen können. In der Glasgussindustrie gibt es bereits verstellbare Formen aus Stahl oder Graphit. Das bekannteste Beispiel betrifft den Guss der Glaskomponenten des Ice Falls-Projekts in New York, USA, entworfen von James Carpenter Design Associates Inc.

In diesem Projekt folgen alle Glaselemente der gleichen allgemeinen Geometrie eines Prismas, werden jedoch in variablen Längen gegossen. Um alle Komponenten mit Hilfe einer identischen Form gießen zu können, verwendete John Lewis Glass Studio eine offene, verstellbare Graphitform mit einer verschiebbaren Seite, die mit Hilfe von Klammern in jeder Position entlang der Länge der Form arretiert werden kann ( Abb. 12). Dennoch sind nach Kenntnis der Autoren derzeit einstellbare Formen auf einfache Geometrien beschränkt, bei denen nur eine Dimension variabel ist. Daher wird in diesem Artikel eine Untersuchung einer einstellbaren Form vorgestellt, die die Herstellung von Komponenten ermöglicht, die in zwei Richtungen (X und Y) variable Abmessungen aufweisen.

4.2. Design und Prototyping einer anpassbaren Form mit mehreren Variablen

Fallstudie und Designkriterien

Das vorgestellte verstellbare Formdesign betrifft die Erzeugung von Voussoirs aus Gussglas für den Bau eines vollständig transparenten Schalendachs (theoretische Fallstudie) wie in (Van der Weijst 2019). Eine ausführliche Beschreibung der Fallstudie sowie der Geometrie und des Teilungsprinzips der Voussoirs finden Sie ausführlich bei (van der Weijst et al. 2020) in diesem Tagungsband. Schalenstrukturen folgen im Prinzip einer Geometrie mit variierender Gaußscher Krümmung. Infolgedessen führt die Tessellation einer Muschel zu Voussoirs mit unterschiedlicher Geometrie.

Angesichts der großen Menge der benötigten Komponenten wäre es finanziell nicht tragbar, für jede Komponente maßgeschneiderte Formen (sogar 3D-gedruckte Sandformen) herzustellen. In diesem Fall ist die Gestaltung einer verstellbaren Form wünschenswerter, die mit hoher Präzision alle Voussoirgrößen erzeugen kann. Um eine solche Form zu entwerfen, wurden die folgenden Variablen hinsichtlich der Abmessungen der Endkomponente berücksichtigt6:

6 Es ist zu beachten, dass ein weiterer Satz von Variablen in Betracht gezogen wurde, um eine ineinandergreifende Verbindung der Voussoirs zu erreichen. Dies wird im Artikel von (van der Weijst et al. 2020) in diesem Verfahren ausführlich beschrieben. Dennoch wird dieser Kriterienkatalog in dieser Arbeit bewusst weggelassen, da das Ziel hier lediglich die Untersuchung der Hauptgeometrie ist.

Formenbau

Abb. 13 zeigt drei verstellbare Formen von Bamboo Tools, die in der Töpferei zur Herstellung viereckiger, sechseckiger oder achteckiger Schalen verwendet werden. Die Kantenlängen können angepasst werden, um die Herstellung einer großen Vielfalt an Formen mit einer einzigen Form zu ermöglichen. Die Form wird auf eine ebene Fläche gestellt, die als Basis der Form dient. Die Einstellbarkeit dieser Formen ist auf die Kantenlänge beschränkt. Durch die Platzierung von Scharnieren an den Eckpunkten kann jedoch auch der Innenwinkel variabel werden, wie in Abb. 14 für dreieckige, viereckige und sechseckige Formen dargestellt.

Ein Scheitelmodul mit einer Halterung, die an einem Randmodul eingehängt wird, kann entlanggeschoben und auf der gewünschten Kantenlänge fixiert werden. An das Scheitelmodul kann in einem variablen Winkel ein weiteres Kantenmodul angeschlossen werden. Mit diesem modularen System können mehrere Kantenmodule verbunden werden und Formen für prismatische Polygone mit variabler Kantenanzahl, Kantenlänge und Innenwinkel erzeugen. T-Nuten oben auf den Randmodulen ermöglichen das Festklemmen der Scheitelmodule an den Randmodulen in jeder gewünschten Kantenlänge mithilfe einer Schraube und einer T-Nut-Mutter (Van der Weijst 2019).

Bei Dreiecksgeometrien mit drei verschiedenen Kantenlängen als Eingabevariablen kann nur ein mögliches Dreieck erstellt werden. Bei Polygonen mit mehr als drei Kanten müssen zusätzliche Variablen als Eingabeparameter für die Form angegeben werden, beispielsweise Winkel oder/und Diagonallängen. Im Prinzip kann jedes Polygon durch eine Kombination von Winkeln und Kantenlängen definiert werden.

Da jedoch ein Fehler beim Einrichten eines Winkels mit zunehmender Entfernung größer werden kann, kann eine höhere Präzision erreicht werden, indem Diagonalen zu einer einstellbaren Form hinzugefügt werden, anstatt die Winkel einzurichten, wie in Abb. 15 dargestellt. Die Form kann auf eine ebene Unterlage gestellt werden. Obwohl die Basis theoretisch auch verstellbar sein kann und beispielsweise aus einer flexiblen Oberfläche besteht, die auf einem Gitter aus Kolben platziert ist (die den hohen Temperaturen beim Gießen standhalten sollte), würde dies zu einer außergewöhnlich komplexen Form führen. Daher ist es realistischer, davon auszugehen, dass die ebene Oberfläche identisch bleibt, um einen extremen Aufwand bei der Herstellung zu vermeiden.

Prototyp entwickeln

Der vorgeschlagene Gießprozess unter Verwendung der entworfenen einstellbaren Form ist in Abb. 19 zu sehen. Aus finanziellen und zeitlichen Gründen war es nicht möglich, einen Metallprototyp der entworfenen Form herzustellen. Stattdessen wurde ein Prototyp aus 3D-gedrucktem PLA und lasergeschnittenem MDF hergestellt (Abb. 16) und für die Erstellung von Wachsmodellen unterschiedlicher Größe verwendet, wie in Abb. 16 dargestellt. 17. Die Wachsmodelle werden dann verwendet, um im Wachsausschmelzverfahren Glasprototypen im Ofen zu gießen (Abb. 18).

4.3.Schlussfolgerungen

Die vorgestellte verstellbare Form unterstreicht das Potenzial dieser Technik für die Herstellung hochpräziser Gussglasobjekte, die in mehr als einer Richtung variable Abmessungen aufweisen. Aus zeitlichen und finanziellen Gründen wurde die entworfene Form nicht wie vorgesehen aus Edelstahl oder Graphit, sondern aus 3D-gedrucktem PLA und lasergeschnittenem MDF hergestellt und zur Herstellung von Wachsformen verwendet, die wiederum als Prototyp für Gussglas dienten Objekte im Wachsausschmelzverfahren. Dennoch wurde bei der Gestaltung dieser Form festgestellt, dass es zwar möglich ist, eine einstellbare Form herzustellen, deren Abmessungen sowohl in x- als auch in y-Richtung variieren können, eine Form, die auch die dritte Dimension abdeckt, jedoch äußerst komplex wäre. Wird das Prinzip einer verstellbaren Form bereits in der Entwurfsphase berücksichtigt, können Glaskonstruktionen mit variablen Einheiten mit einer begrenzten Anzahl von Formen realisiert werden, was die damit verbundenen Kosten senkt und somit ihre Wirtschaftlichkeit sichert.

In diesem Artikel wird die Erforschung zweier neuartiger Formtechnologien vorgestellt, um einen der restriktivsten Aspekte bei der Herstellung von Perplex- oder kundenspezifischen (massiven) Gussglaskomponenten anzugehen: die Kosten einer hochpräzisen Form. Beide Technologien bieten ein großes Potenzial für Gussglasanwendungen und können Gussbauteile mit hoher Maßgenauigkeit liefern.

Tatsächlich können Gussglaskomponenten mit einer vergleichbaren Maßgenauigkeit mit beiden vorgeschlagenen Methoden erzielt werden. Jede Formtechnologie eignet sich jedoch besser für eine andere Reihe von Gussglaskomponenten. Konkret können mit 3D-gedruckten Sandformen komplexe individuelle Geometrien oder Geometrien mit Hinterschnitten und dünnen Wänden hergestellt werden, die mit permanenten Metallformen nicht hergestellt werden können. Eine geeignete Anwendung von 3D-gedruckten Sandformen ist die Herstellung individueller Gussglasbauteile, die entsprechend der zu erwartenden Belastungen optimiert sind und auf diese Weise eine Reduzierung der Masse und damit der Glühzeit ermöglichen.

Andere Anwendungen betreffen aufgrund der inhärenten Skalierbarkeit dieser Formtechnologie einmalige Gussteile, auch einfacherer Formen, oder Gussteile von Bauteilen mit erheblichem Volumen. Weitere Forschung ist erforderlich, um diese Formtechnologie beim Glasgießen anzuwenden und die verschiedenen Formparameter im Detail zu untersuchen. Der größte Nachteil dieser Formtechnologie in dieser Phase ist die Notwendigkeit einer Nachbearbeitung, um eine feine Oberflächenqualität zu erzielen. Daher ist die Untersuchung und Identifizierung einer Beschichtung, die eine völlig glatte und transparente Oberflächenqualität ermöglicht, von entscheidender Bedeutung für die industrielle Anwendung von 3D-gedruckten Sandformen für den Glasguss.

Verstellbare Metallformen aus Edelstahl oder Graphit sind eine geeignete Lösung für Gussglasanwendungen, bei denen die einzelnen Einheiten unterschiedliche Abmessungen aufweisen, aber der gleichen Grundform folgen. Durch den Entwurf einer verstellbaren Form für Voussoirs für eine Glasschale wurde unterstrichen, dass eine verstellbare Form eine praktikable Lösung für Komponenten mit variabler Abmessung in zwei Richtungen (in diesem Fall x und y) ist, eine verstellbare Metallform jedoch für alle gilt drei Dimensionen (x,y,z) wären äußerst komplex; nicht nur produzieren, sondern auch nutzen.

Bei einer verstellbaren Form können sowohl die Kanten als auch die Winkel variabel gestaltet werden. Für eine höhere Genauigkeit der Endkomponente wird empfohlen, Diagonalen hinzuzufügen, um die gewünschten Abmessungen genauer zu steuern, anstatt zu versuchen, die Winkel präzise einzustellen. Obwohl der entworfene Prototyp nicht aus Metall bestand, sind die Autoren zuversichtlich, dass eine Formtechnologie wie die entworfene problemlos in der Realität angewendet werden kann.

Schließlich ist es für den Erfolg jedes Projekts mit Gussglas von entscheidender Bedeutung, dass die Formherstellungsmethode bereits in der Entwurfsphase berücksichtigt wird, damit Entwurfsentscheidungen in Bezug auf die Herstellungsmethode getroffen werden können.

Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit basieren auf der Masterarbeit zweier der Autoren. Die Autoren danken Andreas Müller von ExOne zutiefst für die Herstellung und das Sponsoring der in dieser Arbeit beschriebenen 3D-gedruckten Sandformen. Die Autoren danken Salome Galjaard aus Arup, Amsterdam und Roland Stapper von 3Dealize für ihre wertvollen Beiträge zu 3D-gedruckten Sandformentechnologien und Marcel Bilow von der TU Delft für sein wertvolles Feedback zur Konstruktion der verstellbaren Form.

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