トポロジー的に最適化された鋳造ガラス

日付: 2022 年 11 月 14 日

著者: ウィルフリード・ダーメン、ファイドラ・オイコノポウロウ、テレシラ・ブリストジャンニ、ミケーラ・トゥリン

ソース：Glass Structures & Engineering volume 7、(2022) - https://doi.org/10.1007/s40940-022-00181-1

これまで、かなりの質量および/または厚さの​​鋳造ガラス部品の製造には、長く複雑なアニーリングプロセスが必要でした。 このため、建築環境におけるこのガラス製造法の使用は、数時間以内にアニールできる通常の建築用レンガサイズまでの単純な物体に限定されています。 構造トポロジカル最適化 (TO) は、アニーリング時間を大幅に短縮して、十分な質量と寸法を備えたモノリシック耐荷重鋳造ガラス要素を設計するアプローチとして初めて研究されました。 研究には 2 つの要素があります。 まず、数値探索が実行されます。 構造コンポーネントの十分な剛性を維持しながら質量を削減できる可能性は、鋳造ガラス グリッド シェル ノードが設計および最適化されるケーススタディを通じて実現されます。

これを実現するために、材料としてのガラス、製造プロセスとしての鋳造、設計手法としてのTOに関するいくつかの設計基準を策定し、最適化に適用します。 三次元ガラス設計に完全に適した TO アプローチは、現時点ではまだ利用できないと結論付けられています。 この研究では、3 次元の鋳造ガラス グリッド シェル ノードの最適化のために、ひずみまたはコンプライアンスに基づいた TO が選択されています。 私たちの場合、ひずみベースの TO によって厚さの減少をより適切に調査できるようになり、それが鋳造ガラスのアニーリング時間に大きな影響を与えると考えられます。 比較すると、応力ベースの最適化では、ガラスのかなり低い引張強度が主な制約となり、より高い圧縮強度が十分に活用されなくなります。 さらに、単一の変化しない支配的な荷重ケースが TO 最適化に最も適していると判断されます。

ANSYS Workbench を使用すると、初期の最適化されていない形状と比較して最大 69% の質量削減が達成され、アニーリング時間が推定 90% 短縮されます。 これに続いて、結果として得られる複雑な形状のガラス部品の製造の実現可能性が、物理的なプロトタイプを通じて調査されます。 3D プリントされたワックス形状を使用したロストワックス鋳造と、3D プリントされた使い捨て砂型を使用したキルン鋳造という 2 つの製造技術について検討します。 いくつかのガラスのプロトタイプが正常に鋳造され、アニールされました。 このことから、鋳造ガラス部品に対する TO の適用性と限界、およびそのような複雑な形状のガラス部品を製造するための代替製造法の可能性に関して、いくつかの結論が導き出されます。

鋳造ガラスの成形: 可能性と限界

過去数十年にわたり、工学界におけるガラスの認識は、充填要素のみに使用される脆くて壊れやすい材料という認識から、フロートソーダ石灰で最大 1000 MPa に達するとされる高い圧縮強度を備えた透明な耐荷重材料へと進化してきました。 (Saint Gobain 2016; Weller et al. 2008; Ashby and Jones 2006) によるガラスの強度は、構造用鋼のガラスよりも高くなります。 実際、建築環境におけるガラスの構造用途は増加し続けていますが、幾何学的にかなりの制限があります。フロートガラス産業の普及により、構造用ガラスは一般に、実質的に平面的なガラスによって生成できる形状や形式に制限されています。 、二次元のフロート パネル。 キャストガラスは、本質的にフロートガラスの二次元性によって課せられる設計上の制限を回避できます。

この代替製造方法では、溶融ガラスを型に流し込むことで、実質的にあらゆる形状および断面の固体の 3 次元ガラス要素の作成が可能になります (Oikonomopoulou et al. 2018a)。 耐荷重性の鋳造ガラス要素は、実現された構造体にはまだほとんど適用されていません。 いくつかの注目すべき例としては、アトーチャ記念碑 (Paech and Göppert 2008)、王冠の噴水 (Hannah 2009)、オプティカル ハウス (hiroshi 2013)、クリスタル ハウス (Oikonomopoulou et al. 2015, 2018b) (図 1)、クワララなどがあります。彫刻（Paech and Göppert 2018）、LightVault（Parascho et al. 2020）、Qaammat Pavilion（Oikonomopoulou et al. 2022）。