Stampaggio robotizzato riconfigurabile in sabbia per vetro float a doppia curvatura

Data: 7 giugno 2023

La ricerca presentata indaga la formazione della sabbia sciolta come strategia di stampaggio riconfigurabile per parti in vetro personalizzate. Le parti in vetro a doppia curvatura di solito richiedono la fabbricazione ad alta intensità di manodopera di singoli stampi in ceramica o acciaio. Gli stampi riconfigurabili per il vetro sono limitati a geometrie modulari specifiche e richiedono costosi meccanismi di attuazione resistenti al calore. Gli stampi in sabbia stampati tridimensionalmente (3D) per il crollo del vetro richiedono leganti e non possono essere riutilizzati. L'obiettivo di questa ricerca è facilitare una fabbricazione senza sprechi di elementi in vetro doppiamente curvati e un processo di realizzazione di stampi facile, veloce ed economico per la piegatura a caldo del vetro. Il sistema di stampaggio utilizza materiale granulare di sabbia sciolta, resistente al calore e che può essere rapidamente riformato. In combinazione con nuovi strumenti digitali e fabbricazione robotica, la tecnica fornisce un sistema di stampaggio flessibile per la trasformazione di vetro float pronto per l’industria.

Questa ricerca presenta i primi risultati, inclusi possibili sistemi di materiali granulari per lo stampaggio di granulari sfusi, strategie di configurazione e posizionamento robotizzate per materiali granulari e formazione volumetrica di materiale considerando i parametri del processo robotico. Inoltre, analizza la stabilità dello stampo durante il collasso e la precisione geometrica dello stampo e degli elementi in vetro risultanti. Gli elementi in vetro risultanti sono completamente trasparenti e non provocano alcuna contaminazione. L'approccio presentato consente curvature uniformi, facile rimozione dello stampo e riciclaggio completo dello stampo senza ulteriore lavorazione. Il metodo è stato applicato in diversi esperimenti su scala media, comprese le indagini su quali famiglie di forme possono essere prodotte. Vengono discusse la libertà geometrica e le limitazioni del metodo di fabbricazione proposto. Lo stampaggio in sabbia riconfigurabile per il vetro potrebbe consentire la personalizzazione geometrica degli elementi in vetro e consentire nuove proprietà ottiche, strutturali o decorative nelle facciate e nelle finestre in vetro.

1.1. Sfondo

La lavorazione del vetro affonda le sue origini in tempi antichissimi. Le prime testimonianze di stampi per vetro risalgono al periodo romano. Gli oggetti domestici venivano realizzati utilizzando la fusione con fritte, fondendo piccoli granuli di vetro sotto calore all'interno di uno stampo o colando vetro liquido all'interno di uno stampo (Wight 2011). Prima dell'invenzione della soffiatura del vetro nel I secolo a.C., che consentiva la fabbricazione senza stampo di oggetti cavi a forma libera (Eisen 1916), gli artigiani utilizzavano la cosiddetta formazione del nucleo avvolgendo il vetro fuso attorno a un nucleo che veniva rimosso per essere trasformato in vetro. produrre oggetti cavi (Corning Museum of Glass 2022). Nonostante l'invenzione di processi senza muffa, gli stampi sono stati uno strumento molto importante nel corso della storia per la modellatura del vetro. I materiali dello stampo includono sabbia, ceramica, argilla-bentonite, grafite e acciaio. Tra questi, la sabbia è un materiale di stampaggio rilevante per la fusione del vetro e del metallo.

Per il cosiddetto processo di fusione del modello, un modello di legno viene pressato in una miscela di sabbia, argilla e bentonite e rimosso prima della fusione (Corning Museum of Glass 2022). Mentre gli artigiani impiegano ancora oggi metodi tradizionali per manufatti a forma libera, l’industria del vetro piano ha compiuto progressi significativi nel corso della storia dell’ingegneria del vetro per l’edilizia. Durante la Rivoluzione Industriale, la tecnica del vetro soffiato a cilindro ha consentito la realizzazione di lastre di vetro piane per applicazioni in architettura. Questo processo prevedeva la soffiatura di un cilindro di vetro e il suo dispiegamento su una piastra piana di acciaio per produrre lastre di vetro piane (Diderot et al. 2002). L'invenzione del processo del vetro float nel 1952 ha consentito la produzione di vetro float standardizzato privo di distorsioni per l'architettura e l'industria automobilistica (Pilkington 1969). Oggi, il vetro float occupa la maggior parte del mercato del vetro, con una crescita annua prevista continua del 4% entro il 2028 (Statista 2021).

L’implementazione del vetro curvo in architettura rimane un’eccezione a causa della sfida di produrre vetro doppiamente curvato con qualità standardizzata e alti costi energetici e di stampaggio. Gli stampi per parti in vetro a doppia curvatura per applicazioni nell'architettura o nell'industria automobilistica sono solitamente realizzati in ceramica o acciaio cromato, che sono costosi e possono essere utilizzati solo per produrre un tipo di forma (Bundesverband Flachglas 2012). La piegatura a freddo del vetro sta guadagnando popolarità grazie ai suoi vantaggi ecologici. Tuttavia, la tecnica è limitata a curvature singole e leggere doppie senza la possibilità di produrre doppie curvature su piccola scala all’interno di un pannello (Fildhuth et al. 2019).