Roboter-rekonfigurierbares Sandformen für doppelt gebogenes Floatglas

Datum: 7. Juni 2023

Die vorgestellte Forschung untersucht die Formung von losem Sand als rekonfigurierbare Formungsstrategie für kundenspezifische Glasteile. Doppelt gekrümmte Glasteile erfordern in der Regel die arbeitsintensive Herstellung einzelner Keramik- oder Stahlformen. Rekonfigurierbare Formen für Glas sind auf bestimmte modulare Geometrien beschränkt und erfordern kostspielige hitzebeständige Betätigungsmechanismen. Dreidimensional (3D) gedruckte Sandformen zum Glasabsacken benötigen Bindemittel und können nicht wiederverwendet werden. Das Ziel dieser Forschung besteht darin, eine abfallfreie Herstellung doppelt gebogener Glaselemente und einen einfachen, schnellen und kostengünstigen Formenbauprozess für das Heißbiegen von Glas zu ermöglichen. Das Formsystem verwendet körniges loses Sandmaterial, das hitzebeständig ist und schnell umgeformt werden kann. In Kombination mit neuartigen digitalen Werkzeugen und Roboterfertigung bietet die Technik ein flexibles Formsystem für die Umwandlung von industrietauglichem Floatglas.

Diese Forschung präsentiert die ersten Ergebnisse, einschließlich möglicher körniger Materialsysteme für loses körniges Formen, robotischer Einrichtungs- und Platzierungsstrategien für körnige Materialien und volumetrischer Materialbildung unter Berücksichtigung robotergestützter Prozessparameter. Darüber hinaus werden die Formstabilität beim Absinken und die geometrische Präzision der Form und der daraus resultierenden Glaselemente untersucht. Die resultierenden Glaselemente sind vollständig transparent und verursachen keine Verunreinigungen. Der vorgestellte Ansatz ermöglicht glatte Krümmungen, eine einfache Entfernung der Form und ein vollständiges Recycling der Form ohne weitere Verarbeitung. Die Methode wurde in mehreren mittelgroßen Experimenten angewendet, einschließlich der Untersuchung, welche Formenfamilien erzeugt werden können. Die geometrischen Freiheiten und Einschränkungen der vorgeschlagenen Herstellungsmethode werden diskutiert. Rekonfigurierbares Sandformen für Glas könnte die geometrische Anpassung von Glaselementen ermöglichen und neue optische, strukturelle oder dekorative Eigenschaften in Glasfassaden und Fenstern ermöglichen.

1.1. Hintergrund

Die Glasherstellung hat ihren Ursprung in der Antike. Die ersten Hinweise auf Formen für Glas gehen auf die Römerzeit zurück. Haushaltsgegenstände wurden durch Frittenguss hergestellt, wobei kleine Glaskörnchen unter Hitze in einer Form verschmolzen oder flüssiges Glas in eine Form gegossen wurden (Wight 2011). Vor der Erfindung der Glasbläserei im ersten Jahrhundert v. Chr., die die formfreie Herstellung hohler, frei geformter Objekte ermöglichte (Eisen 1916), nutzten Handwerker die sogenannte Kernformung, indem sie geschmolzenes Glas um einen Kern wickelten, der dann entfernt wurde Hohlobjekte herstellen (Corning Museum of Glass 2022). Trotz der Erfindung formloser Verfahren waren Formen im Laufe der Geschichte ein äußerst relevantes Werkzeug für die Formgebung von Glas. Zu den Formmaterialien gehören Sand, Keramik, Ton-Bentonit, Graphit und Stahl. Unter diesen ist Sand ein relevanter Formstoff für den Glas- und Metallguss.

Beim sogenannten Mustergussverfahren wird ein Holzmuster in eine Sand-Ton-Bentonit-Mischung gepresst und vor dem Gießen entfernt (Corning Museum of Glass 2022). Während Handwerker bis heute solche traditionellen Methoden für Freiform-Artefakte anwenden, hat die Flachglasindustrie im Laufe der Geschichte der Glastechnik für das Bauwesen erhebliche Fortschritte gemacht. Während der Industriellen Revolution ermöglichte die zylindergeblasene Flachglastechnik die Herstellung von Flachglasscheiben für Anwendungen in der Architektur. Bei diesem Verfahren wurde ein Glaszylinder geblasen und auf einer flachen Stahlplatte auseinandergefaltet, um flache Glasscheiben herzustellen (Diderot et al. 2002). Die Erfindung des Floatglasverfahrens im Jahr 1952 ermöglichte die Herstellung von standardisiertem, verzugsfreiem Floatglas für die Architektur und die Automobilindustrie (Pilkington 1969). Floatglas nimmt heute den Großteil des Glasmarktes ein, mit einem kontinuierlichen prognostizierten jährlichen Wachstum von 4 % bis 2028 (Statista 2021).

Der Einsatz von gebogenem Glas in der Architektur bleibt aufgrund der Herausforderung, doppelt gebogenes Glas mit standardisierter Qualität und hohen Energie- und Formkosten herzustellen, eine Ausnahme. Formen für doppelt gekrümmte Glasteile für den Einsatz in der Architektur oder der Automobilindustrie werden meist aus Keramik oder Chromstahl hergestellt, die teuer sind und nur zur Herstellung einer Formart verwendet werden können (Bundesverband Flachglas 2012). Aufgrund seiner ökologischen Vorteile erfreut sich das Kaltbiegen von Glas zunehmender Beliebtheit. Dennoch ist die Technik auf einfache und leichte Doppelkrümmungen beschränkt, ohne dass die Möglichkeit besteht, kleine Doppelkrümmungen innerhalb eines Panels zu erzeugen (Fildhuth et al. 2019).

1.2. Stand der Technik

Neuere Technologien nutzen rekonfigurierbare Formsysteme aus Chromstahlelementen oder Keramik, um zusammengesunkenes Flachglas verschiedener Formen mit derselben Form herzustellen. Allerdings sind diese meist auf bestimmte Modulgeometrien beschränkt und erfordern kostspielige hitzebeständige Betätigungsmechanismen (McGee et al. 2012). Die Glass and Transparency Group der TU Delft hat im Rahmen einer Überprüfung verschiedener Glasformverfahren den ersten Proof of Concept für die Verwendung von 3D-gedruckten Formen für den Glasguss vorgelegt (Oikonomopoulou et al. 2020). Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass dreidimensional gedruckte Formen zum Glasgießen, Blasformen und Absacken verwendet werden. Dreidimensional (3D) gedruckte Sandformen zum Glasabsacken erfordern jedoch Bindemittel, können nicht wiederverwendet werden und zeigen bei Tests Fragilität (Giesecke und Dillenburger 2022). Frühere Forschungen an der ETH Zürich haben die Verwendung eines kundenspezifischen Werkzeugkopfes für das Drucken von körnigem Glas (Michopoulou et al. 2021), die lose Formung von Sand mithilfe eines Roboteraufbaus und eines kundenspezifischen Spenders (Medina et al. 2020) usw. gezeigt eine rekonfigurierbare Formmethode für Beton (Gramazio Kohler Research 2022).

1.3. Ansatz

Um die Implementierung maßgeschneiderter doppelt gekrümmter Floatglasteile für die Architektur zu ermöglichen, nutzt diese Forschung die automatisierte Ablagerung von losem Sand als kostengünstige, rekonfigurierbare und abfallfreie Formungsstrategie. Die vorgeschlagene Methode überwindet die Arbeitsintensität und die hohen Kosten herkömmlicher Formenbautechniken, die mangelnde Anpassungsfähigkeit 3D-gedruckter Formen und den Bedarf an hochentwickelten rekonfigurierbaren Formsystemen. Durch rekonfigurierbares Formen auf der Grundlage eines Granulatsystems könnten Gebäude mit Glasteilen mit sich nicht wiederholenden individuellen Krümmungen in jedem Teil ermöglicht werden.

Die folgenden Experimente werden mit einem CNC-Aufbau durchgeführt, der mit einem kundenspezifischen Werkzeug zur Sandabgabe ausgestattet ist. Bei allen in dieser Arbeit vorgestellten Experimenten wurden 6 mm dicke Glasscheiben mit den Maßen 300 x 480 mm vom selben Lieferanten verwendet. Der Brennaufbau ist ein Nabertherm GF600 Glasofen (Nabertherm 2022). Alle Experimente werden mit der gleichen Wärmekurve der Spitzentemperaturen von 650 Grad Celsius durchgeführt. Zu den für die Form verwendeten Materialien gehören Natursande und Kies, die bei einem Baulieferanten gekauft wurden. Genauer gesagt bilden Quarzsand mit einer Körnung von 0,1–0,2 mm, Sand mit einer Körnung von 0,35–1,5 mm, Kies mit einer Körnung von 2–5 mm und Steine ​​mit einer Körnung von 25–50 mm ohne Zusatz von zusätzlichen Materialien oder Bindemitteln das Formmaterial.

2.1. Granulatformungssystem und Brennverfahren

In diesem Kapitel wird die Leistung von Granulatformsystemen mit einer Reihe verschiedener getesteter Materialien untersucht. Erste Tests mit gegossenen Keramikteilen ergaben spitze Merkmale und die Lesbarkeit der Modularität im Glas. Daher werden Sand, Kies und Steine ​​als natürliche, vollständig recycelbare Formmaterialien getestet, die möglicherweise glatte Krümmungen erzeugen und mit additiven Fertigungstechniken für den effizienten, vorhersehbaren Zusammenbau der rekonfigurierbaren Form verarbeitet werden können.

Sand, Kies und Steine ​​zeigen hervorragende Ergebnisse in Bezug auf Hitzebeständigkeit, Recyclingfähigkeit und Entfernung aus dem Glasteil. Die Auflösung und Glätte der Ergebnisse unterscheiden sich erheblich (Abb. 2). Quarzsand mit einer Körnung von 0,1–0,2 mm (Abb. 1a) eignet sich ideal zum Formen von Geometrien mit sanfter, glatter Krümmung, während Kies mit einer Körnung von 2–5 mm (Abb. 1b) und größere Steine ​​mit einer Körnung von 25–50 mm (Abb. 1c) resultieren weisen spitze Merkmale auf und hängen stark von der einzigartigen, felsspezifischen Geometrie und seiner Ausrichtung ab. Aufgrund dieser Erkenntnisse konzentriert sich die folgende Forschung auf Sand als Formmaterial aufgrund seiner Fähigkeit, das Glas mit hoher Auflösung in glatte Geometrien zu formen, und des Potenzials einer effizienten Verarbeitung von Sand mithilfe eines Werkzeugkopfes. Allerdings weisen Kies und Steine ​​ein großes Potenzial für die Platzierung an Orten auf, an denen Sand nicht die gewünschte Höhe oder Stabilität erreichen kann.

Zusammenfassend ist Sand aus folgenden Gründen ein idealer Formstoff:

Erste Tests mit Quarzsand (Abb. 3) zeigen, dass das 6-mm-Flachglas die Form der Sandhaufen und Bereiche, in denen kein Sand platziert ist, vollständig annimmt. Durch das Aufsetzen der Flachglasscheibe auf die Sandhaufen wird die Spitze des Sandhaufens leicht verformt, was zu einer Abflachung dieser Bereiche führt. Sandhaufen weisen eine hervorragende Stabilität auf, was vermutlich auf die Belastung durch das aufgebrachte Glas und die Verklemmung von darunterliegendem körnigem Material zurückzuführen ist. Die Präzision der resultierenden Teile wird in 2.5 Präzision: Formverformung und 3D-Scananalyse weiter untersucht. Beim Glasabsacken wird die Glasscheibe vorsichtig auf den im Brennofen abgelagerten Sand gelegt. Um das Glas zu formen, wird der Ofen auf 650 °C erhitzt und anschließend in mehreren Stufen abgekühlt, um Spannungen abzubauen. Für stärkere Krümmungen oder dickere Glasscheiben können möglicherweise höhere Temperaturen von bis zu 800 °C angewendet werden.

2.2. CNC-Einrichtung und Sandspender-Werkzeugkopf

Der Roboteraufbau zum Ausbringen des Sandes besteht aus einem CNC-Bewegungssystem oder einem UR10-Roboterarm und einem maßgeschneiderten Endeffektor (Abb. 4). Der Endeffektor ist als Versuchsaufbau zum Bedrucken verschiedener Arten und Farben von körnigen Materialien konzipiert. Der Werkzeugkopf kann an einer CNC-Einrichtung oder einem Roboterarm befestigt werden. Ein zylindrisches Rohr dient als Speicher für den Sand, der von oben nachgefüllt werden kann. Die rotierende Schraube, bestehend aus einem handelsüblichen Bohrer, gibt den Sand frei und transportiert ihn durch ein 6-mm-Rohr zur Spitze des Werkzeugkopfes, der aus einem 3D-gedruckten konischen Kunststoffteil besteht. Die Menge des freigesetzten Sandes kann durch Motorumdrehungen gesteuert werden. Die aktuelle Einrichtung ist für Sand mit einer Körnung von 0,35–1,5 mm kalibriert, kann jedoch durch Anpassen der Schnecke und des Rohrdurchmessers an unterschiedliche Körnungen angepasst werden.

2.3. Prozessparameterkalibrierung und Sanddruck

Der Roboteraufbau zum Ausbringen des Sandes besteht aus einem CNC-Bewegungssystem oder einem UR10-Roboterarm und einem maßgeschneiderten Endeffektor (Abb. 4). Der Endeffektor ist als Versuchsaufbau zum Bedrucken verschiedener Arten und Farben von körnigen Materialien konzipiert. Der Werkzeugkopf kann an einer CNC-Einrichtung oder einem Roboterarm befestigt werden. Ein zylindrisches Rohr dient als Speicher für den Sand, der von oben nachgefüllt werden kann. Die rotierende Schraube, bestehend aus einem handelsüblichen Bohrer, gibt den Sand frei und transportiert ihn durch ein 6-mm-Rohr zur Spitze des Werkzeugkopfes, der aus einem 3D-gedruckten konischen Kunststoffteil besteht. Die Menge des freigesetzten Sandes kann durch Motorumdrehungen gesteuert werden. Die aktuelle Einrichtung ist für Sand mit einer Körnung von 0,35–1,5 mm kalibriert, kann jedoch durch Anpassen der Schnecke und des Rohrdurchmessers an unterschiedliche Körnungen angepasst werden.

Tabelle 1: Prozessparameter.

2.4. Präzision: Formverformung und 3D-Scananalyse

In diesem Kapitel wird die Präzision der resultierenden Glasproben im Verhältnis zu den Scans der losen Sandform untersucht. Um die Verformungen zu erkennen, die durch das Auflegen der Glasscheibe auf den losen Sand und den Absackvorgang im Brennofen entstehen, wird der Sand vor und nach dem Brennvorgang gescannt. Der Sand wird mit einem GOM ATOS CORE 300-Scanner mit einer Genauigkeit von 10–20 μm 3D-gescannt und der Datenvergleich wird mit der GOM Inspect-Software durchgeführt. Abb. 6 zeigt minimale Abweichungen von der Sollgeometrie, die sich aus der Gewichtsbelastung beim Aufsetzen der Glasscheibe auf den losen Sand ergeben. Während die gesamte Sandgeometrie zu einer hohen Präzision führt, weisen die Sandhaufenspitzen Verformungen von bis zu 2 mm auf (Abb. 6, rot dargestellt), die sich aus der beim Platzieren des Glases wirkenden Belastung ergeben. Durch diesen Vorgang wird der Sand nach unten gedrückt, was zu Abweichungen von weniger als 2 mm unterhalb der Spitze der Sandhaufen führt (Abb. 6, blau dargestellt).

2.5. Tests zum Absinken von Glas

Abb. 7 zeigt, dass sich die Glasscheibe vollständig an die Typologie des losen Sandes anpasst, einschließlich der flachen Bereiche, in denen kein Sand platziert wurde. Das Glas weist optisch transparente Eigenschaften ohne Verunreinigungen durch Sand oder Prozess auf. Je nach Sandgröße wird das körnige Material in das Glas eingeprägt. Abb. 7b zeigt die resultierenden Muster im Glas mit punktuellen Verformungen entlang eines regelmäßigen Gitters konstanter Höhe, das die Wiederholbarkeit des dargestellten Prozesses demonstriert, variierender Höhen, eines unregelmäßigen Gitters konstanter Höhen und eines unregelmäßigen Gitters unterschiedlicher Höhen mit der resultierenden Reflektion und Brechungseigenschaften der Verformungen im Glas (Abb.8).

2.6. Formenfamilien: Geometrische Freiheit und Beschränkungen

Welche Formenfamilien mit dem vorgestellten Verfahren hergestellt werden können, hängt stark vom Stauverhalten des Sandes und der angewandten Automatisierungsmethode ab. Der aktuelle Ansatz, feinen Sand ohne zusätzliches Material oder Bindemittel zu verwenden, eignet sich für fließende Übergangsgeometrien und weiche Krümmungen in doppelt gekrümmten Oberflächen. Grenzen in Höhe, Maßstab und Krümmungsextremitäten müssen in weiteren Tests untersucht werden. Die Kombination von Steinen und Sand könnte dazu beitragen, Geometrien mit extremeren Krümmungen zu erzeugen und die lockere Sandtypologie durch strategische Platzierung zu stabilisieren.

Das neuartige, abfallfreie Formsystem: Diese Forschung erweitert den Stand der Technik durch die Bereitstellung eines neuartigen, abfallfreien, rekonfigurierbaren Formsystems für doppelt gebogenes Glas. Mittelgroße Experimente liefern den ersten Proof of Concept für die Kombination der automatisierten Formung von losem Sand zur Herstellung doppelt gekrümmter Glasteile. Die oben genannten Experimente haben das Potenzial der Verwendung von losem Sand zur Formung von Glas und des automatisierten Druckens mit Sand für diesen Zweck aufgezeigt.

Neuartiger Roboterspender für körniges Material: Der neuartige Roboterspender ermöglicht die kontrollierte automatisierte Verteilung von körnigem Material. Es bietet eine maßgeschneiderte Werkzeugkopflösung, die mit CNC- oder Roboterarm-Bewegungssystemen kompatibel ist und die präzise Montage und Neukonfiguration von losem Material ermöglicht.

Rekonfigurierbarkeit und Recycling: Während Formen für Glas normalerweise Gieß- oder Fräsprozesse für eine endgültige Form oder Module und komplizierte automatisierte Rekonfigurationsmechanismen erfordern, kann das lose Formmaterial vollständig recycelt und umgeformt werden; Es bietet eine leim- und abfallfreie Formtechnik für Glas auf Basis eines natürlichen Materials.

Auflösung und Präzision: Sand bietet ein hochauflösendes Materialsystem zum Formen mit hoher Präzision von nur 2 mm Abweichungen in lokalen Punkten von der Zielgeometrie. Simulation und volumetrische Modellierung könnten diese Abweichungen weiter abschwächen und sie innerhalb des Design-to-Production-Workflows vorhersagen.

Kosten und Zugänglichkeit: Mit Zugang zu einer CNC-Einrichtung oder einem Roboterarm und einem Glasofen ist diese Technik zu geringen Kosten leicht zugänglich. Das Formmaterial ist nahezu kostenlos und der prototypische Sonderwerkzeugkopf (ein Kanal reicht aus) kann für etwa 300 Euro für Elektrokomponenten, 3D-Druckteile und Acrylrohre gebaut werden.

Digitales Freiformglas: In der Architektur wird Glas meist als standardisiertes, flächiges Material umgesetzt. Aufgrund der hohen Kosten für die Herstellung von Freiformglas und des Bedarfs an teuren Formen hat die Glasindustrie die Formanpassung weitgehend vernachlässigt. AM kann zum vorhersehbaren Design und zur Herstellung von digital gefertigtem Glas beitragen und möglicherweise eine wirtschaftlich sinnvolle Glasanpassung ermöglichen.

Das neuartige, abfallfreie Formsystem: Zugänglichkeit und neuartiger Gestaltungsspielraum für Glas. Das Formen mit losem Sand bietet eine kostengünstige, leicht reproduzierbare Methode zur dreidimensionalen Formung von Glas, ohne dass Formen aus Keramik oder Chromstahl hergestellt werden müssen, die schwer zu handhaben sind, leicht brechen und arbeitsintensive Gussprozesse erfordern. Diese Forschung eröffnet Designern, Architekten und Ingenieuren einen neuen Gestaltungsspielraum, um Glasteilen neue Eigenschaften zu verleihen. Mögliche Merkmale sind reflektierende, brechende und strukturelle Eigenschaften im Glas.

Rekonfigurierbares granulares Materialsystem und prozessbewusstes Design: Die Rekonfigurierbarkeit des Materialsystems, der Materialinteraktionen und der implementierten Prozesse haben erhebliche Auswirkungen auf die erzeugten Formenfamilien. Es ist von hoher Relevanz, prozess- und materialbewusste Designansätze zu entwickeln. Computergestütztes Design und additive Fertigung sind hocheffiziente Werkzeuge für die Konstruktion mit solchen Systemen.

Computergestützte volumetrische Modellierung: Um die Vorhersagbarkeit der vorgestellten AM-Methode zu verbessern, könnten rechnergestütztes Design und volumetrische Modellierung, wie beispielsweise die in der Landschaftsmodellierung implementierte volumetrische Modellierung für Gelände (Hurkxkens 2019), einen stabilen Arbeitsablauf vom Entwurf bis zur Produktion unterstützen, der die physikalischen Parameter berücksichtigt des Prozesses und der Grenzen des Materialsystems.

Hochskalierung und Anwendungen: Die vorgestellte Forschung liefert einen Machbarkeitsnachweis im kleinen Maßstab. Es ist von entscheidender Bedeutung, sich mit Herausforderungen zu befassen, die für die Skalierung und den Bau relevant sind, einschließlich der Machbarkeit der Skalierung des Herstellungsprozesses auf große Glasscheiben, der Verbindung von Freiformteilen zu Architekturfassaden und der strukturellen Leistung von Teilen. Zu den Anwendungen könnten Fenster für Fassadenpaneele gehören, die das Licht zu funktionalen oder dekorativen Zwecken umlenken oder durch Krümmung bestimmte strukturelle Eigenschaften aufweisen.

Einschränkungen und Herausforderungen: Zu den Herausforderungen im Produktionsprozess gehört die Qualitätskontrolle von gebrannten Glasteilen. Offen bleibt die Frage, wie die Materialstruktur durch den Brennvorgang beeinflusst wird und wie sich das doppelt gekrümmte Floatglas im Vergleich zu handelsüblichem Floatglas strukturell verhält.

Zukünftige Arbeiten: Zukünftige Arbeiten umfassen Labortests, um die Leistung der resultierenden Teile in Bezug auf strukturelle Eigenschaften zu bestimmen und die Verbindung einzigartiger doppelt gebogener Glasteile zu untersuchen. Darüber hinaus wird in zukünftigen Arbeiten untersucht, wie funktionale strukturelle und optische Eigenschaften erzeugt werden können, um neue Eigenschaften in Glasarchitekturen und -fassaden zu demonstrieren.

Die Autoren danken Tobias Hartmann vom Robotic Fabrication Lab (RFL) und Robert Presl vom Institut für Geodäsie und Photogrammetrie der ETH Zürich für die technische Unterstützung. Im Namen aller Autoren erklärt der korrespondierende Autor, dass kein Interessenkonflikt besteht.

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