鋳造ガラス金型の再考

日付: 2021 年 4 月 1 日

ソース：

GlassBelis の建築および構造応用に関する会議、Bos & Louter (編)、ゲント大学、2020 年 9 月。著作権 © および著者。 著作権所有。ISBN 978-94-6366-296-3、https://doi.org/10.7480/cgc.7.4662

この論文では、コスト効率の高い方法で、形状やサイズ、カスタマイズされた設計の自由度が高い (固体) ガラス部品の鋳造を可能にする 2 つの代替金型製造技術を検討します。 具体的には、この論文では、デルフト工科大学で 3D プリントされた砂型と調整可能な高精度の鋼製型に関して行われた研究、設計、実験作業について説明します。3D プリントされた砂型は、固体の高精度でコスト効率の高いソリューションを提供できます。複雑な形状および/またはカスタマイズされたデザインのガラスコンポーネント。

この鋳型技術は金属鋳造ではすでに使われていますが、ガラス鋳造の分野ではまだ未開発の技術です。 したがって、この論文では、デルフト工科大学でこの金型技術に関する最初の実験結果を紹介します。さまざまな結合剤を使用し、表面仕上げのためにさまざまなコーティングで処理された金型サンプルを、ガラス (窯) 鋳造で予想される高温でテストしました。

次に、特定のガラス形状に合わせて 3D プリントされた金型が準備され、窯鋳造によって物理的なガラスのプロトタイプが作成されます。 調整可能な金型は、構造の弾性率に自由度を与えるもう 1 つの金型技術です。 基本的に、異なるサイズのコンポーネント、およびある程度の形状のコンポーネントを同じ金型で生成できます。 したがって、そのような金型の設計原理とエンジニアリング、およびこの技術の潜在的な用途と制限について説明します。

概念実証として、3D プリントした PLA とレーザーカットした MDF を使用して調整可能な金型を作成しました。 この型は、ロストワックス技術によってガラスのプロトタイプを窯成型するために使用される、さまざまな形状のワックスモデルの生成に使用されます。 提示された両方の金型技術に関する調査結果に基づいて、生産量、要求される精度のレベル、関連する形状の複雑さとバリエーションに応じた適合性に関するガイドラインが示されます。

1.1. 鋳造ガラスの成形可能性と金型技術によって課せられる現状の制限

理論的には、ガラス鋳造、つまり溶融ガラスを型に流し込むことにより、事実上あらゆる形状および断面のモノリシック ガラス部品の製造が可能になります。 このような巨大な成形の可能性は、ガラスの高い圧縮強度 (フロート ソーダ石灰ガラスについては (Saint Gobain 2016; Weller et al. 2008; Ashby, Jones 2006) によって最大 1000 MPa と記載されています) と組み合わされて、ガラスの設計に無限の可能性をもたらします。階高のガラス柱からガラスのエンベロープ全体まで、あらゆるサイズと形状の透明なモノリシック構造ガラス部材。

しかし、実際には、建築環境における鋳造ガラスの成形可能性は、ほとんどが未解明の分野のままです。鋳造ガラスのコンポーネントで構成される自立構造の実現された少数の例としては、アトーチャ記念碑 (Schober et al. 2007)、クラウン噴水などがあります。 (Hannah 2009)、オプティカル ハウス (hiroshi 2013)、クリスタル ハウス (Oikonomopoulou et al. 2017; Oikonomopoulou et al. 2015) は、単純な形状で、質量がおよそ 10 kg に達する同一の固体ガラス ユニットを採用しています (図1)。 固体ガラスユニットの設計選択の背後には 2 つの主な理由があり、これらはある程度絡み合っています: (a) より大きな質量と厚さの鋳造ガラス要素に必要な、長くて複雑なアニーリング時間、および (b) コスト障壁複雑な高精度のスチールまたはグラファイトの型を必要とする形状、またはカスタマイズされた生産によって課せられます (図 2)。

必要なアニーリング時間は、かなりの質量のガラス片を鋳造する場合の最大の欠点と考えられます。 アニーリング時間を短縮するための重要な要素は、ガラスの熱膨張係数 (ガラス組成に直接関係する)、物体の質量および全体の形状です (Oikonomopoulou 2019)。 この方向では、実質的に軽量な構造によりアニーリング時間が大幅に短縮され、大幅に短縮された時間でより大きなコンポーネントの製造が可能になります。