Ripensare lo stampo del vetro colato

Data: 1 aprile 2021

Fonte:

Conferenza sulle applicazioni architettoniche e strutturali di GlassBelis, Bos & Louter (a cura di), Università di Gent, settembre 2020.Copyright © con gli autori. Tutti i diritti riservati.ISBN 978-94-6366-296-3, https://doi.org/10.7480/cgc.7.4662

Questo articolo esplora due tecnologie alternative di fabbricazione di stampi che consentono la fusione di componenti in vetro (solidi) con un grande grado di libertà in termini di forma e dimensione e/o con un design personalizzato, in modo economicamente vantaggioso. Nello specifico, l'articolo discute la ricerca, la progettazione e il lavoro sperimentale condotto presso la TU Delft su stampi in sabbia stampati in 3D e stampi in acciaio regolabili e ad alta precisione. Gli stampi in sabbia stampati in 3D possono fornire una soluzione economica e ad alta precisione per solidi componenti in vetro di geometria complessa e/o di disegno personalizzato.

Sebbene questa tecnica dello stampo sia già utilizzata per le fusioni dei metalli, rimane ancora inesplorata nel campo della fusione del vetro. Di conseguenza, questo articolo presenta i primi risultati sperimentali presso la TU Delft di questa tecnologia di stampo: campioni di stampo utilizzando diversi leganti e trattati con vari rivestimenti per la finitura superficiale vengono testati alle alte temperature previste nella fusione del vetro (in forno).

Successivamente, vengono preparati stampi stampati in 3D per una determinata geometria del vetro e vengono realizzati prototipi fisici di vetro mediante fusione in forno. Gli stampi metallici regolabili sono un'altra tecnica di stampo che offre un certo grado di libertà nel modulo di una struttura. In sostanza, dallo stesso stampo possono essere generati componenti di dimensioni e, in una certa misura, forme diverse. Di conseguenza, vengono discussi i principi di progettazione e ingegneria di tale stampo e le potenziali applicazioni e limitazioni di questa tecnologia.

Come prova di concetto, viene realizzato uno stampo regolabile utilizzando PLA stampato in 3D e MDF tagliato al laser. Lo stampo viene utilizzato per la generazione di modelli in cera di forme variabili, che vengono utilizzati per la fusione a forno di prototipi in vetro mediante la tecnica della cera persa. Sulla base dei risultati di entrambe le tecnologie di stampo presentate, vengono fornite linee guida sulla loro idoneità in base al volume di produzione, al livello di precisione richiesto e alla complessità e variazione delle forme coinvolte.

1.1.Il potenziale di modellatura del vetro colato e le attuali limitazioni imposte dalle tecnologie dello stampo

In teoria, la fusione del vetro, ovvero il versamento del vetro fuso in stampi, consente la produzione di componenti monolitici in vetro praticamente di qualsiasi forma e sezione trasversale. Un potenziale di formatura così elevato, combinato con l’elevata resistenza alla compressione del vetro (dichiarata fino a 1000 MPa per il vetro float sodo-calcico da (Saint Gobain 2016; Weller et al. 2008; Ashby, Jones 2006)), offre infinite possibilità nella progettazione di elementi strutturali in vetro diafani e monolitici di qualsiasi dimensione e forma: da colonne di vetro alte un piano a interi involucri di vetro.

In pratica, tuttavia, il potenziale di modellamento del vetro colato nell’ambiente costruito rimane in gran parte un campo non mappato. I pochi esempi realizzati di strutture autoportanti costituite da componenti in vetro colato, vale a dire il Memoriale di Atocha (Schober et al. 2007), la Fontana della Corona (Hannah 2009), la Optical House (Hiroshi 2013) e le Crystal Houses (Oikonomopoulou et al. 2017; Oikonomopoulou et al. 2015), impiegano unità di vetro solido identiche di forma semplice e, approssimativamente, fino a 10 kg di massa ( Fig. 1). Ci sono due ragioni principali dietro queste scelte progettuali per le unità di vetro massiccio che sono anche, in una certa misura, intrecciate: (a) il lungo e complicato tempo di ricottura richiesto per elementi di vetro colato di massa e spessore maggiori e (b) le barriere di costo imposte da forme che richiedono stampi complessi in acciaio o grafite ad alta precisione, o da una produzione personalizzata (fig.2).

Il tempo di ricottura richiesto può essere considerato il più grande inconveniente per la fusione di pezzi di vetro di massa notevole. I fattori chiave per ridurre il tempo di ricottura sono il coefficiente di dilatazione termica del vetro (direttamente legato alla composizione del vetro), la massa e la forma complessiva dell’oggetto (Oikonomopoulou 2019). In questa direzione, una struttura sostanzialmente più leggera può ridurre notevolmente il tempo di ricottura, consentendo la fabbricazione di componenti più grandi in un tempo significativamente ridotto.