위상적으로 최적화된 주조 유리

날짜: 2022년 11월 14일

저자: Wilfried Damen, Faidra Oikonomopoulou, Telesilla Bristogianni 및 Michela Turrin

원천:유리 구조 및 엔지니어링 7권, (2022) - https://doi.org/10.1007/s40940-022-00181-1

지금까지 상당한 질량 및/또는 두께의 주조 유리 부품을 제조하려면 길고 복잡한 어닐링 공정이 필요했습니다. 이로 인해 건축 환경에서 이 유리 제조 방법의 사용은 몇 시간 내에 단련될 수 있는 일반 건축 벽돌 크기까지의 단순한 물체로 제한되었습니다. 처음으로 구조적 토폴로지 최적화(TO)가 어닐링 시간을 크게 줄이면서 상당한 질량과 크기의 모놀리식 하중 지지 주조 유리 요소를 설계하는 접근 방식으로 조사되었습니다. 연구는 두 가지로 진행됩니다. 먼저 수치탐색을 수행한다. 구조 구성 요소의 만족스러운 강성을 유지하면서 질량을 줄이는 가능성은 주조 유리 그리드 쉘 노드가 설계되고 최적화된 사례 연구를 통해 수행됩니다.

이를 달성하기 위해 재료로서의 유리, 제조 공정으로서의 주조, 설계 방법으로서의 TO에 관한 몇 가지 설계 기준이 공식화되어 최적화에 적용됩니다. 3차원 유리 디자인에 완전히 적합한 TO 접근 방식은 아직까지 가능하지 않다는 결론을 내렸습니다. 이 연구를 위해 3차원 주조 유리 그리드 쉘 노드의 최적화를 위해 변형률 또는 컴플라이언스 기반 TO가 선택되었습니다. 우리의 경우 변형률 기반 TO를 통해 두께 감소를 더 잘 탐색할 수 있으며 이는 결국 주조 유리의 어닐링 시간에 큰 영향을 미칩니다. 이에 비해 응력 기반 최적화에서는 유리의 상당히 낮은 인장 강도가 주된 제약이 되어 더 높은 압축 강도가 제대로 활용되지 않게 됩니다. 또한, 단일하고 변하지 않으며 지배적인 로드 케이스가 TO 최적화에 가장 적합한 것으로 결정되었습니다.

ANSYS Workbench를 사용하면 최적화되지 않은 초기 형상에 비해 최대 69%의 질량 감소가 달성되어 어닐링 시간이 약 90% 단축됩니다. 이어서, 물리적 프로토타입을 통해 결과적으로 복잡한 모양의 유리 부품을 제조할 수 있는 가능성이 조사됩니다. 3D 프린팅된 왁스 형상을 사용한 유실 왁스 주조와 3D 프린팅된 일회용 모래 주형을 사용한 가마 주조라는 두 가지 제조 기술을 탐구합니다. 몇몇 유리 프로토타입이 성공적으로 주조되고 어닐링되었습니다. 이로부터 주조 유리 부품에 대한 TO의 적용 가능성과 한계 및 이러한 복잡한 모양의 유리 부품을 제조하기 위한 대체 제조 방법의 잠재력에 관한 몇 가지 결론이 도출되었습니다.

주조 유리 성형: 가능성과 한계

지난 수십 년 동안 엔지니어링 커뮤니티에서 유리에 대한 인식은 채우기 요소에만 사용되는 부서지기 쉬운 깨지기 쉬운 재료에서 플로트 소다 석회의 경우 최대 1000MPa에 달하는 압축 강도가 높은 투명한 하중 지지 재료로 발전했습니다. 유리에 의한 것(Saint Gobain 2016; Weller et al. 2008; Ashby and Jones 2006)은 심지어 구조용 강철보다 높습니다. 실제로, 건축 환경에서 유리의 구조적 적용은 지속적으로 증가하고 있지만 상당한 기하학적 한계가 있습니다. 플로트 유리 산업의 보급으로 인해 구조용 유리는 일반적으로 사실상 평면에 의해 생성될 수 있는 모양과 형태로 제한됩니다. , 2차원 플로트 패널. 주조 유리는 본질적으로 플로트 유리의 2차원성에 의해 부과된 설계 한계를 벗어날 수 있습니다.

용융된 유리를 주형에 부어 이 대체 제조 방법을 사용하면 사실상 모든 모양과 단면의 견고한 3차원 유리 요소를 만들 수 있습니다(Oikonomopoulou et al. 2018a). 내하중 주조 유리 요소는 아직까지 실현된 구조에 거의 적용되지 않았습니다. 주목할만한 예로는 Atocha Memorial(Paech and Göppert 2008), Crown Fountain(Hannah 2009), Optical House(Hiroshi 2013), Crystal Houses(Oikonomopoulou et al. 2015, 2018b)(그림 1), Qwalala 조각품(Paech and Göppert 2018), LightVault(Parascho et al. 2020) 및 Qaammat Pavilion(Oikonomopoulou et al. 2022).