Moulage au sable reconfigurable robotisé pour verre flotté à double courbure

Date : 7 juin 2023

La recherche présentée étudie le formage de sable meuble en tant que stratégie de moulage reconfigurable pour les pièces en verre personnalisées. Les pièces en verre doublement incurvées nécessitent généralement la fabrication laborieuse de moules individuels en céramique ou en acier. Les moules reconfigurables pour le verre sont limités à des géométries modulaires spécifiques et nécessitent des mécanismes d’actionnement coûteux résistants à la chaleur. Les moules en sable imprimés en trois dimensions (3D) pour l’affaissement du verre nécessitent des liants et ne peuvent pas être réutilisés. L’objectif de cette recherche est de faciliter une fabrication sans déchets d’éléments en verre doublement incurvés et un processus de fabrication de moules facile, rapide et peu coûteux pour le cintrage à chaud du verre. Le système de moulage utilise un matériau granulaire en sable meuble, résistant à la chaleur et pouvant être rapidement reformé. En combinaison avec de nouveaux outils numériques et la fabrication robotisée, la technique fournit un système de moulage flexible pour la transformation du verre flotté prêt pour l’industrie.

Cette recherche présente les premiers résultats, y compris les systèmes de matériaux granulaires possibles pour le moulage granulaire lâche, les stratégies de configuration et de placement robotiques pour les matériaux granulaires, et la formation volumétrique de matériaux en tenant compte des paramètres du processus robotique. En outre, il étudie la stabilité du moule pendant l’affaissement et la précision géométrique du moule et des éléments en verre qui en résultent. Les éléments en verre qui en résultent sont entièrement transparents et ne causent aucune contamination. L’approche présentée permet des courbures lisses, une élimination facile de la moisissure et un recyclage complet des moisissures sans traitement supplémentaire. La méthode a été appliquée dans plusieurs expériences à moyenne échelle, y compris des recherches sur la famille de formes pouvant être produite. La liberté géométrique et les limites de la méthode de fabrication proposée sont discutées. Le moulage au sable reconfigurable pour le verre pourrait permettre la personnalisation géométrique des éléments en verre et permettre de nouvelles propriétés optiques, structurelles ou décoratives dans les façades et les fenêtres en verre.

1.1. Contexte

La fabrication du verre a ses origines dans les temps anciens. La première preuve de moules pour le verre remonte à l’époque romaine. Les objets ménagers ont été fabriqués à l’aide de la fonte de fritte, de la fusion de petits granulés de verre sous chaleur à l’intérieur d’un moule ou de la coulée de verre liquide à l’intérieur d’un moule (Wight 2011). Avant l’invention du soufflage du verre au premier siècle av. J.-C., qui permettait la fabrication sans moule d’objets creux de forme libre (Eisen 1916), les artisans utilisaient ce que l’on appelle le formage de noyau en enveloppant du verre fondu autour d’un noyau qui serait retiré pour produire des objets creux (Corning Museum of Glass 2022). Malgré l’invention de procédés sans moisissure, les moules ont été un outil très pertinent tout au long de l’histoire pour le façonnage du verre. Les matériaux de moule comprennent le sable, la céramique, l’argile-bentonite, le graphite et l’acier. Parmi eux, le sable est un matériau de moulage pertinent pour la coulée de verre et de métal.

Pour le processus dit de moulage de motifs, un motif en bois est pressé dans un mélange sable-argile-bentonite et retiré avant la coulée (Corning Museum of Glass 2022). Alors que les artisans utilisent encore ces méthodes traditionnelles jusqu’à aujourd’hui pour les artefacts de forme libre, l’industrie du verre plat a fait des progrès significatifs tout au long de l’histoire de l’ingénierie du verre pour la construction. Pendant la révolution industrielle, la technique de la feuille de verre soufflé à cylindre a permis la fabrication de vitres plates pour des applications en architecture. Ce processus consistait à souffler un cylindre de verre et à le déplier sur une plaque d’acier plate pour produire des vitres plates (Diderot et al. 2002). L’invention du procédé du verre flotté en 1952 a permis la production de verre flotté normalisé sans distorsion pour l’architecture et l’industrie automobile (Pilkington 1969). Aujourd’hui, le verre flotté occupe la majorité du marché du verre, avec une croissance annuelle continue prévue de 4% d’ici 2028 (Statista 2021).

La mise en œuvre du verre bombé dans l’architecture reste une exception en raison du défi de fabriquer du verre doublement incurvé avec une qualité standardisée et des coûts élevés d’énergie et de moule. Les moules pour les pièces en verre doublement incurvées pour une application dans l’architecture ou l’industrie automobile sont généralement en céramique ou en acier chromé qui sont coûteux et ne peuvent être utilisés que pour produire un seul type de forme (German Bundesverband Flachglas 2012). Le cintrage à froid du verre gagne en popularité en raison de ses avantages écologiques. Néanmoins, la technique est limitée à des courbures doubles simples et légères sans possibilité de produire des doubles courbures à petite échelle dans un panneau (Fildhuth et al. 2019).

1.2. État de l’art

Les technologies récentes utilisent des systèmes de moulage reconfigurables à partir d’éléments en acier chromé ou en céramique pour fabriquer des feuilles de verre affaissées de différentes formes avec le même moule. Cependant, ceux-ci sont généralement limités à des géométries modulaires spécifiques et nécessitent des mécanismes d’actionnement coûteux résistants à la chaleur (McGee et al. 2012). Le groupe Verre et transparence de TU Delft a présenté la première preuve de concept pour l’utilisation de moules imprimés en 3D pour la coulée de verre dans le cadre d’un examen des différentes méthodes de moulage du verre (Oikonomopoulou et al. 2020). Des recherches antérieures ont démontré l’utilisation de moules imprimés en trois dimensions pour le moulage du verre, le moulage par soufflage et l’effondrement. Cependant, les moules en sable imprimés en trois dimensions (3D) pour l’affaissement du verre nécessitent des liants, ne peuvent pas être réutilisés et démontrent une fragilité lors des tests (Giesecke et Dillenburger 2022). Des recherches antérieures à l’ETH Zurich ont démontré l’utilisation d’une tête d’outil personnalisée pour l’impression de verre granulaire (Michopoulou et al. 2021), la mise en forme lâche du sable à l’aide d’une configuration robotique et d’un distributeur personnalisé (Medina et al. 2020) et comme méthode de moulage reconfigurable pour le béton (Gramazio Kohler Research 2022).

1.3. Approche

Pour permettre la mise en œuvre de pièces de verre flotté doublement incurvées personnalisées pour l’architecture, cette recherche utilise le dépôt automatisé de sable meuble comme stratégie de moulage peu coûteuse, reconfigurable et sans déchets. La méthode proposée surmonte l’intensité de main-d’œuvre et le coût élevé des techniques traditionnelles de fabrication de moules, l’inadaptabilité des moules imprimés en 3D et le besoin de systèmes de moulage reconfigurables de haute technologie. Le moulage reconfigurable basé sur un système granulaire pourrait permettre aux bâtiments avec des pièces en verre avec une courbure personnalisée non répétitive dans chaque pièce.

Les expériences suivantes sont exécutées avec une configuration CNC équipée d’un outil personnalisé pour la distribution de sable. Toutes les expériences présentées dans cet article utilisent des vitres de 6 mm d’épaisseur 300x480mm provenant du même fournisseur. La configuration de cuisson est un four à verre Nabertherm GF600 (Nabertherm 2022). Toutes les expériences sont réalisées avec la même courbe de chaleur de températures maximales de 650 degrés Celsius. Les matériaux utilisés pour le moule comprennent les sables naturels et le gravier achetés chez un fournisseur de construction. Plus précisément, le sable de silice à une taille de grain de 0,1 à 0,2 mm, le sable de 0,35 à 1,5 mm, le gravier de 2 à 5 mm et les roches de 25 à 50 mm sans matériaux ni liants supplémentaires ajoutés constituent le matériau de moulage.

2.1. Système de moulage granulaire et procédé de cuisson

Ce chapitre étudie les performances des systèmes de moulage granulaire avec une gamme de matériaux différents testés. Les premiers tests avec des pièces en céramique moulée permettent d’obtenir des caractéristiques pointues et la lisibilité de la modularité du verre. Par conséquent, le sable, le gravier et les roches sont testés en tant que matériaux de moulage naturels et entièrement recyclables qui peuvent potentiellement produire des courbures lisses et être traités avec des techniques de fabrication additive pour l’assemblage efficace et prévisible du moule reconfigurable.

Le sable, le gravier et les roches démontrent d’excellents résultats en matière de résistance à la chaleur, de recyclabilité et d’élimination de la partie en verre. La résolution et la fluidité des résultats diffèrent considérablement (Fig. 2). Le sable de silice à 0,1-0,2 mm (Fig. 1a) est idéal pour façonner des géométries avec une courbure douce et lisse, tandis que le gravier à une taille de grain de 2-5 mm (Fig.1b) et des roches plus grandes à une taille de 25-50 mm (Fig. 1c) donnent des caractéristiques pointues et dépendent fortement de la géométrie unique spécifique à la roche et de son orientation. En raison de ces résultats, les recherches suivantes se concentrent sur le sable en tant que matériau de moulage en raison de sa capacité à façonner le verre à haute résolution en géométries lisses et du potentiel de traitement efficace du sable à l’aide d’une tête d’outil. Cependant, le gravier et les roches présentent un grand potentiel pour être placés dans des endroits où le sable ne peut pas atteindre les hauteurs ou la stabilité souhaitées.

En résumé, le sable est un matériau de moulage idéal pour les raisons suivantes:

Les premiers essais avec du sable de silice (Fig. 3) démontrent que le verre plat de 6 mm prend entièrement la forme des tas de sable et des zones où aucun sable n’est placé. Le placement de la vitre plate sur les tas de sable déforme légèrement la pointe du tas de sable, provoquant un aplatissement de ces zones. Les tas de sable démontrent une excellente stabilité, probablement causée par la charge du verre appliqué et le blocage du matériau granulaire en dessous. La précision des pièces résultantes est étudiée plus en détail dans 2.5 Précision: déformation du moule et analyse de numérisation 3D. Pour le processus d’affaissement du verre, la vitre est soigneusement placée sur le sable déposé dans le four. Pour former le verre, le four est chauffé jusqu’à 650°C puis refroidi en plusieurs étapes pour libérer les contraintes. Des températures plus élevées allant jusqu’à 800 °C peuvent potentiellement être appliquées pour des courbures plus extrêmes ou des vitres plus épaisses.

2.2. Configuration CNC et tête d’outil de distributeur de sable

La configuration robotique pour la distribution du sable se compose d’un système de mouvement CNC ou d’un bras robotique UR10 et d’un effecteur final personnalisé (Fig. 4). L’effecteur final est conçu comme une configuration de test pour l’impression de différents types et couleurs de matériaux granulaires. La tête d’outil peut être fixée à une configuration CNC ou à un bras robotique. Un tuyau cylindrique assure le stockage du sable, qui peut être rempli par le haut. La vis rotative composée d’un foret prêt à l’emploi libère le sable et le transporte à travers un tuyau de 6 mm jusqu’à la pointe de la tête de l’outil, qui consiste en une pièce en plastique conique imprimée en 3D. Le volume de sable libéré peut être contrôlé par des révolutions de moteur. La configuration actuelle est calibrée pour le sable de 0,35 à 1,5 mm, mais peut être ajustée à différentes tailles de grain en ajustant le diamètre de la vis et du tuyau.

2.3. Calibrage des paramètres du procédé et impression sur sable

La configuration robotique pour la distribution du sable se compose d’un système de mouvement CNC ou d’un bras robotique UR10 et d’un effecteur final personnalisé (Fig. 4). L’effecteur final est conçu comme une configuration de test pour l’impression de différents types et couleurs de matériaux granulaires. La tête d’outil peut être fixée à une configuration CNC ou à un bras robotique. Un tuyau cylindrique assure le stockage du sable, qui peut être rempli par le haut. La vis rotative composée d’un foret prêt à l’emploi libère le sable et le transporte à travers un tuyau de 6 mm jusqu’à la pointe de la tête de l’outil, qui consiste en une pièce en plastique conique imprimée en 3D. Le volume de sable libéré peut être contrôlé par des révolutions de moteur. La configuration actuelle est calibrée pour le sable de 0,35 à 1,5 mm, mais peut être ajustée à différentes tailles de grain en ajustant le diamètre de la vis et du tuyau.

Tableau 1 : Paramètres du procédé.

2.4. Précision : déformation du moule et analyse du scan 3D

Ce chapitre étudie la précision des échantillons de verre obtenus par rapport aux scans du moule de sable meuble. Pour identifier les déformations résultant de la pose de la vitre sur le sable meuble et du processus d’affaissement dans le four, le sable est scanné avant et après le processus de cuisson. Le sable est scanné en 3D à l’aide d’un scanner GOM ATOS CORE 300 avec une précision de 10-20μm et la comparaison des données est effectuée avec le logiciel GOM Inspect. Figue. La figure 6 montre les écarts minimaux par rapport à la géométrie cible résultant du poids appliqué lors de la mise en place de la vitre sur le sable meuble. Alors que la géométrie globale du sable se traduit par une grande précision, les pointes des tas de sable présentent des déformations allant jusqu’à 2 mm (Fig. 6, visualisé en rouge) résultant de la charge appliquée lors de la mise en place du verre. Grâce à ce processus, le sable est poussé vers le bas, ce qui entraîne des écarts de moins de 2 mm sous la pointe des tas de sable (Fig. 6, visualisé en bleu).

2.5. Essais d’affaissement du verre

Figue. 7 montre que la vitre se forme entièrement sur la typologie de sable meuble, y compris les zones planes où aucun sable n’a été placé. Le verre présente des propriétés optiquement transparentes sans contamination par le sable ou le processus. Le matériau granulaire est imprimé dans le verre en fonction de la taille du sable. Figue. 7b montre les motifs résultants dans le verre avec des déformations ponctuelles le long d’une grille régulière de hauteur constante qui démontre la répétabilité du processus présenté, des hauteurs variables, une grille irrégulière de hauteurs constantes et une grille irrégulière de hauteurs variables avec les propriétés réfléchissantes et réfractives résultantes des déformations dans le verre (Fig.8).

2.6. Familles de formes : liberté géométrique et limites

Les familles de formes qui peuvent être produites avec le processus présenté dépendent fortement du comportement de brouillage du sable et de la méthode d’automatisation appliquée. L’approche actuelle consistant à utiliser du sable fin sans matériau ni liant supplémentaire convient à une transition en douceur des géométries et des courbures douces sur des surfaces doublement incurvées. Les limites de hauteur, d’échelle et de courbure devront être étudiées lors d’autres tests. La combinaison de roches et de sable pourrait aider à produire des géométries avec des courbures plus extrêmes et à stabiliser la typologie du sable meuble grâce à un placement stratégique.

Le nouveau système de moulage sans déchets : Cette recherche étend l’état de l’art en fournissant un nouveau système de moulage reconfigurable et sans déchets pour le verre doublement incurvé. Des expériences à moyenne échelle fournissent la première preuve de concept pour combiner la mise en forme automatisée de sable meuble pour fabriquer des pièces en verre doublement incurvées. Les expériences ci-dessus ont démontré le potentiel de l’utilisation de sable meuble pour façonner le verre et de l’impression avec du sable à cette fin de manière automatisée.

Nouveau distributeur robotique pour matériau granulaire : Le nouveau distributeur robotisé permet la distribution automatisée contrôlée de matériaux granulaires. Il fournit une solution de tête d’outil personnalisée compatible avec les systèmes de mouvement de bras CNC ou robotiques et permet l’assemblage et la reconfiguration précis de matériaux en vrac.

Reconfigurabilité et recyclage: Alors que les moules pour verre nécessitent généralement des processus de coulée ou de fraisage d’une forme finale ou de modules et des mécanismes de reconfiguration automatisés compliqués, le matériau de moulage en vrac peut être entièrement recyclé et remodelé; Il fournit une technique de moulage sans colle et sans déchets pour le verre à base d’un matériau naturel.

Résolution et précision: Sand fournit un système de matériau haute résolution pour le moulage avec une grande précision de seulement 2 mm d’écarts dans les points locaux par rapport à la géométrie cible. La simulation et la modélisation volumétrique pourraient atténuer davantage ces écarts et les prédire dans le flux de travail de la conception à la production.

Coût et accessibilité: Avec l’accès à une installation CNC ou à un bras robotisé et à un four à verre, cette technique est facilement accessible à faible coût. Le matériau de moulage est presque gratuit, et la tête d’outil personnalisée prototypique (un canal suffit) peut être construite pour environ 300 euros pour les composants électriques, les pièces imprimées en 3D et les tuyaux en acrylique.

Verre numérique de forme libre: En architecture, le verre est généralement mis en œuvre en tant que matériau plat standardisé. L’industrie du verre a principalement négligé la personnalisation de la forme en raison des coûts élevés de production du verre de forme libre et des exigences pour des moules coûteux. La FA peut contribuer à la conception et à la fabrication prévisibles de verre fabriqué numériquement, permettant potentiellement une personnalisation du verre économiquement viable.

Le nouveau système de moulage sans déchets: accessibilité et nouvel espace de conception pour le verre. Le moulage par sable meuble fournit une méthode peu coûteuse et facilement reproductible pour façonner le verre en trois dimensions sans avoir besoin de produire des moules en céramique ou en acier chromé qui sont difficiles à manipuler, se cassent facilement et nécessitent des processus de coulée à forte intensité de main-d’œuvre. Cette recherche ouvre un nouvel espace de conception pour les concepteurs, les architectes et les ingénieurs afin de produire de nouvelles propriétés dans les pièces en verre. Les caractéristiques potentielles comprennent les propriétés réfléchissantes, réfractives et structurelles du verre.

Système de matériaux granulaires reconfigurables et conception sensible au processus : La reconfigurabilité du système de matériaux, les interactions des matériaux et le processus mis en œuvre ont un impact considérable sur les familles de formes produites. Il est très pertinent de produire des approches de conception sensibles aux processus et aux matériaux. La conception informatique et la fabrication additive sont des outils très efficaces pour concevoir avec de tels systèmes.

Modélisation volumétrique computationnelle : Pour améliorer la prévisibilité de la méthode de FA présentée, la conception informatique et la modélisation volumétrique, telles que la modélisation volumétrique pour le terrain mise en œuvre dans la modélisation du paysage (Hurkxkens 2019), pourraient prendre en charge un flux de travail stable de la conception à la production qui tient compte des paramètres physiques du processus et des limites du système matériel.

Mise à l’échelle et applications : La recherche présentée fournit une preuve de concept à petite échelle. Il est crucial de relever les défis liés à la mise à l’échelle et à la construction, y compris la faisabilité de la mise à l’échelle du processus de fabrication vers de grandes vitres, la menuiserie de pièces de forme libre dans des façades architecturales et la performance structurelle des pièces. Les applications pourraient inclure des fenêtres pour panneaux de façade qui redirigent la lumière à des fins fonctionnelles ou décoratives ou qui ont des propriétés structurelles spécifiques résultant de la courbure.

Limites et défis: Les défis dans le processus de production comprennent le contrôle de la qualité des pièces en verre kilté. La question reste ouverte de savoir comment la structure matérielle est affectée par le processus de cuisson et comment le verre flotté doublement incurvé se comporte structurellement par rapport au verre flotté standard.

Travaux futurs: Les travaux futurs comprendront des essais en laboratoire pour déterminer la performance des pièces résultantes en termes de propriétés structurelles et étudier la menuiserie de pièces en verre uniques doublement incurvées. En outre, les travaux futurs exploreront comment les propriétés structurelles et optiques fonctionnelles peuvent être produites pour démontrer de nouvelles propriétés dans les architectures et les façades en verre.

Les auteurs remercient Tobias Hartmann du Robotic Fabrication Lab (RFL) et Robert Presl de l’Institut de géodésie et de photogrammétrie de l’ETH Zurich pour leur soutien technique. Au nom de tous les auteurs, l’auteur correspondant déclare qu’il n’y a pas de conflit d’intérêts.

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