ロボットによる再構成可能な二重曲面フロートガラス用砂型成形

日付: 2023 年 6 月 7 日

発表された研究では、カスタムガラス部品の再構成可能な成形戦略としての緩い砂の形成を調査しています。 二重に湾曲したガラス部品は通常、個々のセラミックまたはスチール製の型を多大な労力をかけて製造する必要があります。 ガラス用の再構成可能なモールドは特定のモジュール形状に限定されており、高価な耐熱性の作動機構が必要です。 ガラススランプ用の 3 次元 (3D) プリント砂型にはバインダーが必要で、再利用できません。 この研究の目的は、二重湾曲ガラス要素の無駄のない製造と、ガラスの熱間曲げのための容易で高速かつ低コストの金型製造プロセスを促進することです。 成形システムには耐熱性があり、すぐに再成形できる粒状のルースサンド素材を採用しています。 この技術は、新しいデジタル ツールとロボット製造と組み合わせて、業界ですぐに使用できるフロート ガラスを変革するための柔軟な成形システムを提供します。

この研究では、ゆるい粒状成形のための可能な粒状材料システム、粒状材料のロボットによるセットアップと配置戦略、ロボットプロセスパラメータを考慮した体積材料形成などの最初の結果が示されています。 さらに、スランプ時の金型の安定性と、金型とその結果得られるガラス要素の幾何学的精度を調査します。 得られるガラス要素は完全に透明であり、汚染は発生しません。 提示されたアプローチにより、滑らかな曲率、簡単な金型の取り外し、さらに処理を行わずに金型を完全にリサイクルすることが可能になります。 この方法は、どのような種類のフォームを生成できるかについての調査を含む、いくつかの中規模実験に適用されました。 提案された製造方法の幾何学的自由度と制限について説明します。 再構成可能なガラス用砂型成形により、ガラス要素の幾何学的カスタマイズが可能になり、ガラスのファサードや窓に新しい光学的、構造的、または装飾的特性が可能になる可能性があります。

1.1. 背景

ガラス製造の起源は古代にあります。 ガラスの型の最初の証拠はローマ時代に遡ります。 家庭用の物品は、金型内で加熱して小さなガラス粒子を融着させる、または金型内で液体ガラスを鋳造する、フリットキャスティングを使用して作られました (Wight 2011)。 紀元前 1 世紀に吹きガラスが発明され、中空の自由形状物体を型を使わずに製造できるようになるまで (Eisen 1916)、職人は、コアの周りに溶融ガラスを巻き付ける、いわゆるコア成形を使用していました。中空のオブジェクトを作成します (コーニング ガラス博物館 2022)。 モールドを使用しないプロセスが発明されたにもかかわらず、モールドは歴史を通じてガラスの成形に非常に重要なツールでした。 型の材料には、砂、セラミック、粘土ベントナイト、グラファイト、鋼などがあります。 中でも、砂はガラスや金属の鋳造に関連した成形材料です。

いわゆるパターン鋳造プロセスでは、木製のパターンを砂、粘土、ベントナイトの混合物に押し込み、鋳造前に取り除きます (Corning Museum of Glass 2022)。 職人たちは今日に至るまで自由形状の工芸品にこのような伝統的な方法を採用していますが、板ガラス産業は建築用ガラス工学の歴史を通じて大きな進歩を遂げてきました。 産業革命の間、シリンダー吹き込み板ガラス技術により、建築用途向けの平板ガラスの製造が可能になりました。 このプロセスには、ガラスシリンダーを吹き込み、平らな鋼板上で展開して平らなガラス板を製造することが含まれていました (Diderot et al. 2002)。 1952 年のフロート ガラス プロセスの発明により、建築および自動車産業向けに標準化された歪みのないフロート ガラスの製造が可能になりました (Pilkington 1969)。 現在、フロートガラスはガラス市場の大部分を占めており、2028 年までに年間 4% の成長が継続的に予測されています (Statista 2021)。

建築における曲面ガラスの導入は、標準化された品質と高いエネルギーコストと金型コストで二重曲面ガラスを製造するという課題のため、依然として例外的な状況にあります。 建築や自動車産業で使用される二重曲面ガラス部品の金型は、通常、セラミックまたはクロム鋼で作られていますが、これらは高価であり、1 種類の形状しか製造できません (ドイツ連邦政府フラッハグラス 2012)。 ガラスの冷間曲げ加工は、環境に優しい利点があるため人気が高まっています。 それでも、この技術は単一およびわずかな二重曲率に限定されており、パネル内に小規模な二重曲率を生成する可能性はありません (Fildhuth et al. 2019)。

1.2. 最先端の

最近の技術では、クロム鋼要素またはセラミックからの再構成可能な成形システムを使用して、同じ型で異なる形状のスランプ板ガラスを製造しています。 ただし、これらは通常、特定のモジュール形状に限定されており、高価な耐熱性作動機構が必要です (McGee et al. 2012)。 デルフト工科大学のガラスと透明性グループは、さまざまなガラス成形法のレビューの一環として、ガラス鋳造に 3D プリントされた金型を使用するための最初の概念実証を発表しました (Oikonomopoulou et al. 2020)。 これまでの研究では、ガラスの鋳造、ブロー成形、スランピングに 3 次元プリントされた金型を使用することが実証されています。 しかし、ガラススランプ用の 3 次元 (3D) プリント砂型には結合剤が必要で、再利用できず、テスト中に脆弱であることが実証されています (Giesecke and Dillenburger 2022)。 チューリッヒ工科大学でのこれまでの研究では、粒状ガラスの印刷にカスタム ツール ヘッドを使用すること (Michopoulou et al. 2021)、ロボット セットアップとカスタム ディスペンサーを使用して砂を緩く成形すること (Medina et al. 2020) が実証されています。コンクリートの再構成可能な成形方法 (Gramazio Kohler Research 2022)。

1.3. アプローチ

建築用のカスタム二重湾曲フロートガラス部品の実装を可能にするために、この研究では、低コストで再構成可能で無駄のない成形戦略として、ゆるい砂の自動堆積を採用しています。 提案された方法は、従来の金型製造技術の労働集約性と高コスト、3D プリント金型の適応性の低さ、および高度に設計された再構成可能な成形システムの必要性を克服します。 粒状システムに基づく再構成可能な成形により、各部品に非反復的なカスタマイズされた曲率を備えたガラス部品を備えた建物が可能になります。

次の実験は、砂を分配するためのカスタム ツールを備えた CNC セットアップを使用して実行されます。 この論文で紹介されているすべての実験では、同じサプライヤーからの厚さ 6 mm の 300x480 mm ガラス板を使用しています。 窯のセットアップは、Nabertherm GF600 ガラス窯 (Nabertherm 2022) です。 すべての実験は、摂氏 650 度のピーク温度の同じ熱曲線で実行されます。 型枠に使用する材料は、建築業者から購入した天然砂や砂利です。 具体的には、粒径０．１〜０．２ｍｍの珪砂、砂粒０．３５〜１．５ｍｍ、砂利２〜５ｍｍ、粒径２５〜５０ｍｍの岩石で、添加剤や結合剤を添加していない状態で成形材料を構成する。

2.1. 粒状成形システムとキルニングプロセス

この章では、さまざまな材料をテストして粒状成形システムの性能を調査します。 鋳造セラミック部品を使用した初期テストでは、ガラスの尖った特徴とモジュール性の可読性が得られました。 したがって、砂、砂利、岩は、滑らかな曲率を生成できる可能性があり、再構成可能な金型を効率的で予測可能な組み立てを行うための積層造形技術で処理できる、天然の完全にリサイクル可能な成形材料としてテストされています。

砂、砂利、岩は耐熱性、リサイクル性、ガラス部分からの除去に優れた効果を発揮します。 結果の解像度と滑らかさは大きく異なります (図 2)。 0.1 ～ 0.2 mm の珪砂 (図 1a) は、緩やかで滑らかな曲率を持つ形状の成形に最適ですが、粒径 2 ～ 5 mm の砂利 (図 1b) やサイズ 25 ～ 50 mm の大きな岩 (図 1c) は、尖った特徴があり、岩特有のユニークな形状とその方向の両方に大きく依存します。 これらの発見により、次の研究では、高解像度でガラスを滑らかな形状に成形できる能力と、ツールヘッドを使用して砂を効率的に加工できる可能性があるため、成形材料としての砂に焦点を当てます。 ただし、砂利や岩は、砂では希望の高さや安定性が得られない場所に設置する可能性が非常に高くなります。

要約すると、砂は次の理由から理想的な造形材料です。

珪砂を用いた初期テスト（図3）では、6mmの平らなガラスが砂の山と砂が置かれていない領域の形状を完全に再現していることが実証されました。 平らなガラス板を砂山の上に置くと、砂山の先端がわずかに変形し、そのような領域が平らになります。 サンドパイルは、おそらく、適用されるガラスの荷重とその下の粒状物質の詰まりによって引き起こされると考えられ、優れた安定性を示します。 得られた部品の精度については、「2.5 精度: 金型の変形と 3D スキャン解析」でさらに調査されます。 ガラスのスランプ処理では、窯の中で堆積した砂の上にガラス板を慎重に置きます。 ガラスを成形するには、キルンを 650°C まで加熱し、その後数段階にわたって冷却して応力を解放します。 より極端な曲率やより厚いガラス板には、最大 800°C の高温が適用される可能性があります。

2.2. CNCセットアップとサンドディスペンサーツールヘッド

砂を分配するロボットのセットアップは、CNC モーション システムまたは UR10 ロボット アームとカスタマイズされたエンド エフェクターで構成されます (図 4)。 エンド エフェクターは、さまざまな種類と色の粒状材料を印刷するためのテスト セットアップとして設計されています。 ツールヘッドは CNC セットアップまたはロボット アームに取り付けることができます。 円筒形のパイプには砂が保管されており、上から砂を補充できます。 既製のドリルビットで構成される回転ネジが砂を放出し、6 mm のパイプを通って 3D プリントされた円錐形のプラスチック部品で構成されるツールヘッドの先端まで砂を運びます。 放出される砂の量はモーターの回転数によって制御できます。 現在のセットアップは粒径 0.35 ～ 1.5 mm の砂用に調整されていますが、スクリューとパイプの直径を調整することで、さまざまな粒径に調整できます。

2.3. プロセスパラメータの校正とサンドプリンティング

砂を分配するロボットのセットアップは、CNC モーション システムまたは UR10 ロボット アームとカスタマイズされたエンド エフェクターで構成されます (図 4)。 エンド エフェクターは、さまざまな種類と色の粒状材料を印刷するためのテスト セットアップとして設計されています。 ツールヘッドは CNC セットアップまたはロボット アームに取り付けることができます。 円筒形のパイプには砂が保管されており、上から砂を補充できます。 既製のドリルビットで構成される回転ネジが砂を放出し、6 mm のパイプを通って 3D プリントされた円錐形のプラスチック部品で構成されるツールヘッドの先端まで砂を運びます。 放出される砂の量はモーターの回転数によって制御できます。 現在のセットアップは粒径 0.35 ～ 1.5 mm の砂用に調整されていますが、スクリューとパイプの直径を調整することで、さまざまな粒径に調整できます。

表 1: プロセスパラメータ。

2.4. 精度：金型変形と3Dスキャニング解析

この章では、緩い砂型のスキャンに関連して、得られたガラス サンプルの精度を調査します。 ガラス板を緩い砂の上に置くことによって生じる変形と、窯内での沈み込みプロセスを特定するために、窯焼きプロセスの前後に砂をスキャンします。 砂は GOM ATOS CORE 300 スキャナーを使用して 10 ～ 20μm の精度で 3D スキャンされ、GOM Inspect ソフトウェアでデータ比較が行われます。 図 6 は、ガラス板を緩い砂の上に置くときに加えられる重量によって生じる、ターゲット形状からの最小偏差を示しています。 全体的な砂の形状は高精度ですが、ガラスを配置するときに加えられる荷重により、砂山の先端には最大 2 mm の変形が見られます (図 6、赤色で表示)。 このプロセスにより、砂は下に押し下げられ、その結果、砂山の先端から下のずれは 2 mm 未満になります (図 6、青で視覚化)。

2.5. ガラスのスランピング試験

図 7 は、砂が置かれていない平らな領域を含め、ガラス板全体が緩い砂の類型に沿って形作られていることを示しています。 このガラスは、砂やプロセスによる汚染がなく、光学的に透明な特性を示します。 砂のサイズに応じて、粒状物質がガラスに刻印されます。 図7bは、一定の高さの規則的なグリッドに沿った点状の変形を伴うガラスの結果のパターンを示しています。これは、提示されたプロセス、さまざまな高さ、一定の高さの不規則なグリッド、および結果として生じる反射を備えたさまざまな高さの不規則なグリッドの再現性を示しています。およびガラスの変形の屈折特性 (図 8)。

2.6. フォームのファミリー: 幾何学的な自由と制限

提示されたプロセスで製造できる形状の種類は、砂の詰まり挙動と適用される自動化方法に大きく依存します。 追加の材料やバインダーを使用せずに細かい砂を使用する現在のアプローチは、滑らかに移行する形状や二重曲面の柔らかい曲率に適しています。 高さ、スケール、端の曲率の制限については、さらなるテストで調査する必要があります。 岩と砂を組み合わせると、より極端な曲率を持つジオメトリを生成し、戦略的に配置することで緩い砂の類型を安定させるのに役立つ可能性があります。

新規の無駄のない成形システム: この研究は、二重曲面ガラス用の新規の無駄のない再構成可能な成形システムを提供することにより、最先端技術を拡張します。 中規模の実験では、緩い砂の自動成形を組み合わせて二重に湾曲したガラス部品を製造するための最初の概念実証が行われました。 上記の実験は、ガラスを成形するために緩い砂を使用し、この目的のために自動化された方法で砂を使用して印刷する可能性を実証しました。

粒状材料用の新しいロボット ディスペンサー: 新しいロボット ディスペンサーにより、粒状材料の制御された自動分配が可能になります。 CNC またはロボット アーム動作システムと互換性のあるカスタム ツール ヘッド ソリューションを提供し、ばらばらの材料の正確な組み立てと再構成を可能にします。

再構成可能性とリサイクル性: ガラス用の金型は通常、1 つの最終形状またはモジュールの鋳造またはフライス加工プロセスと複雑な自動再構成メカニズムを必要としますが、緩い成形材料は完全にリサイクルして再成形することができます。 天然素材をベースとしたガラスの接着剤と無駄のない成形技術を提供します。

解像度と精度: 砂は、ターゲット形状からの局所的な点の偏差がわずか 2 mm という高精度で成形するための高解像度材料システムを提供します。 シミュレーションと体積モデリングにより、これらの偏差をさらに軽減し、設計から製造までのワークフロー内で予測できる可能性があります。

コストと利用しやすさ: CNC セットアップまたはロボット アームとガラス窯を利用できるため、この技術は低コストで簡単に利用できます。 成形材料はほとんどコストがかからず、電気部品、3D プリント部品、アクリル パイプ用のプロトタイプのカスタム ツール ヘッド (1 チャネルで十分) を約 300 ユーロで構築できます。

デジタル自由形状ガラス: 建築では、ガラスは通常、標準化された平らな素材として実装されます。 ガラス業界は、自由形状ガラスの製造コストが高く、高価な金型が必要なため、形状のカスタマイズをほとんど無視してきました。 AM は、デジタル加工されたガラスの予測可能な設計と製造に貢献し、経済的に実行可能なガラスのカスタマイズを可能にする可能性があります。

無駄のない斬新な成形システム：ガラスのアクセシビリティと斬新なデザイン空間。 ルースサンドモールディングは、扱いが難しく、壊れやすく、労働集約的な鋳造プロセスを必要とするセラミックやクロム鋼から型を製造する必要がなく、ガラスを三次元に成形するための低コストで簡単に複製可能な方法を提供します。 この研究は、デザイナー、建築家、エンジニアがガラス部品に新しい特性を生み出すための新しい設計空間を開きます。 潜在的な特徴には、ガラスの反射特性、屈折特性、および構造特性が含まれます。

再構成可能な粒状材料システムとプロセスを意識した設計: 材料システムの再構成可能性、材料の相互作用、実装されるプロセスは、製造される形状のファミリーに大きな影響を与えます。 これは、プロセスおよび材料を意識した設計アプローチを生成することに非常に関連しています。 コンピューテーショナル デザインと積層造形は、このようなシステムを使用して設計するための非常に効率的なツールです。

計算による体積モデリング: 提示された AM 手法の予測可能性を向上させるために、ランドスケープ モデリング (Hurkxkens 2019) で実装される地形の体積モデリングなどの計算による設計と体積モデリングは、物理パラメーターを考慮した安定した設計から製造までのワークフローをサポートできる可能性があります。材料システムのプロセスと限界について。

アップスケーリングとアプリケーション: 提示された研究は、小規模な概念実証を提供します。 大型ガラス板への製造プロセスのスケールアップの実現可能性、建築ファサードへの自由形状部品の接合、部品の構造性能など、スケールアップと建設に関連する課題に取り組むことが重要です。 アプリケーションには、機能的または装飾的な目的で光の向きを変えたり、曲率から生じる特定の構造特性を持つファサード パネルの窓が含まれる可能性があります。

制限と課題: 製造プロセスにおける課題には、焼成ガラス部品の品質管理が含まれます。 材料の構造が焼成プロセスによってどのような影響を受けるか、また二重に湾曲したフロートガラスが既製のフロートガラスと比較して構造的にどのように動作するかは、未解決の疑問のままです。

今後の作業: 今後の作業には、構​​造特性の観点から結果として得られる部品の性能を判断し、独特の二重湾曲ガラス部品の接合部を調査するための実験室テストが含まれます。 さらに、将来の研究では、ガラス建築やファサードの新しい特性を実証するために、機能的な構造特性と光学特性をどのように生成できるかを調査します。

著者らは、Robotic Fabrication Lab (RFL) の Tobias Hartmann 氏とチューリッヒ工科大学測地学・写真測量研究所の Robert Presl 氏の技術サポートに感謝します。 すべての著者を代表して、責任著者は利益相反がないことを表明します。

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