Verre coulé topologiquement optimisé

Oct 04, 2023

Date : 14 novembre 2022

Auteurs : Wilfried Damen, Faidra Oikonomopoulou, Telesilla Bristogianni et Michela Turrin

Source:Structures de verre et ingénierie volume 7, (2022) - https://doi.org/10.1007/s40940-022-00181-1

Jusqu'à présent, la fabrication de composants en verre coulé de masse et/ou d'épaisseur importantes implique un processus de recuit long et complexe. Cela a limité l'utilisation de cette méthode de fabrication du verre dans l'environnement bâti à des objets simples jusqu'à la taille de briques de construction ordinaires, qui peuvent être recuits en quelques heures. Pour la première fois, l'optimisation topologique structurelle (TO) est étudiée comme une approche pour concevoir des éléments porteurs monolithiques en verre coulé de masse et de dimensions substantielles, avec des temps de recuit considérablement réduits. La recherche est double. Dans un premier temps, une exploration numérique est effectuée. Le potentiel de réduction de la masse tout en maintenant une rigidité satisfaisante d'un composant structurel est réalisé à travers une étude de cas, dans laquelle un nœud de coque de grille en verre coulé est conçu et optimisé.

Pour y parvenir, plusieurs critères de conception concernant le verre en tant que matériau, la coulée en tant que processus de fabrication et le TO en tant que méthode de conception, sont formulés et appliqués dans l'optimisation. Il est conclu qu'une approche TO entièrement adaptée à la conception tridimensionnelle du verre n'est pas encore disponible. Pour cette recherche, le TO basé sur la déformation ou la conformité est sélectionné pour l'optimisation du nœud tridimensionnel de coque de grille en verre coulé ; dans notre cas, nous considérons qu'un TO basé sur la déformation permet une meilleure exploration de la réduction d'épaisseur, qui, à son tour, a une influence majeure sur le temps de recuit du verre coulé. En comparaison, dans une optimisation basée sur les contraintes, la résistance à la traction considérablement plus faible du verre deviendrait la principale contrainte, laissant sous-utilisée la résistance à la compression plus élevée. En outre, il est déterminé qu'un cas de charge unique, inchangé et dominant est le plus adapté à l'optimisation du TO.

En utilisant ANSYS Workbench, des réductions de masse allant jusqu'à 69 % par rapport à une géométrie initiale non optimisée sont obtenues, réduisant les temps de recuit d'environ 90 %. Ensuite, la faisabilité de la fabrication des composants en verre de forme complexe résultants est étudiée à l'aide de prototypes physiques. Deux techniques de fabrication sont explorées : la coulée à la cire perdue à l'aide de géométries de cire imprimées en 3D et la coulée au four à l'aide de moules en sable jetables imprimés en 3D. Plusieurs prototypes de verre ont été coulés et recuits avec succès. De cela, plusieurs conclusions sont tirées concernant l'applicabilité et les limites de TO pour les composants en verre coulé et le potentiel des méthodes de fabrication alternatives pour fabriquer de tels composants en verre de forme complexe.

Le façonnage du verre coulé : possibilités et limites

Au cours des dernières décennies, la perception du verre dans la communauté des ingénieurs a évolué d'un matériau cassant et fragile utilisé uniquement pour les éléments de remplissage, à un matériau porteur transparent d'une résistance à la compression élevée - indiquée jusqu'à 1000 MPa pour le verre sodocalcique flotté par (Saint Gobain 2016 ; Weller et al. 2008 ; Ashby et Jones 2006), supérieure à celle même de l'acier de construction. En effet, les applications structurelles du verre dans l'environnement bâti sont en constante augmentation, mais avec une limitation géométrique considérable : en raison de la prédominance de l'industrie du verre flotté, le verre structurel est généralement limité aux formes et aux formes qui peuvent être générées par les panneaux flottants bidimensionnels pratiquement plans. Le verre coulé peut échapper aux limites de conception imposées par la nature essentiellement bidimensionnelle du verre flotté.

En versant du verre fondu dans des moules, cette méthode de fabrication alternative permet la création d'éléments en verre tridimensionnel solide de pratiquement n'importe quelle forme et section (Oikonomopoulou et al. 2018a). Les éléments porteurs en verre coulé ont jusqu'à présent vu peu d'application dans les structures réalisées. Quelques exemples notables incluent le Mémorial d'Atocha (Paech et Göppert 2008), la Fontaine de la Couronne (Hannah 2009), la Maison Optique (Hiroshi 2013), les Maisons de Cristal (Oikonomopoulou et al. 2015, 2018b) (Fig. 1), la Sculpture Qwalala (Paech et Göppert 2018), le LightVault (Parascho et al. 2020) et le Pavillon Qaammat (Oikonomopoulou et al. 2022).

Ce qui est commun à tous les projets susmentionnés, c'est que les éléments en verre coulé suivent la forme de briques standardisées, imitant la fonctionnalité, la forme et la taille de la maçonnerie en céramique ; un volume de verre qui peut être recuit dans un délai raisonnable (Fig. 2). Malgré son potentiel de fabrication d'éléments de forme libre, peu d'explorations ont été faites jusqu'à présent sur les formes réalisables en verre coulé (Oikonomopoulou et al. 2018a).

Un obstacle majeur à la fabrication d'éléments en verre coulé de masse et de dimensions substantielles est le processus de recuit méticuleux et chronophage impliqué, qui concerne le refroidissement lent et contrôlé du verre fondu en dessous de son point de ramollissement,1,2 (Oikonomopoulou et al. 2018a). L'étape de recuit est impérative afin d'éliminer toute déformation différentielle possible et d'empêcher la génération de contraintes résiduelles internes lors d'un refroidissement supplémentaire en raison d'un retrait inégal (Shand et Armistead 1958), qui à son tour, peut influencer négativement la performance structurelle et le mode de défaillance du composant en verre résultant. Pendant l'étape de recuit, l'amplitude des contraintes internes résultantes est déterminée par la différence de température entre les parties les plus chaudes et les plus froides de l'objet coulé.

Ceci est directement lié à la quantité de surfaces exposées au refroidissement, au type de verre, à la quantité de contrainte résiduelle requise et à l'épaisseur, la taille et la distribution de masse de l'objet impliqué (Shand et Armistead 1958). Ainsi, en termes de géométrie, la taille, la répartition des masses et l'épaisseur maximale de l'objet coulé peuvent largement influencer les temps de refroidissement requis (Oikonomopoulou et al. 2018a) ; en fait, toute augmentation de la section transversale de l'objet augmente de manière exponentielle le temps de refroidissement requis. Un exemple pratique de ceci peut être montré en comparant deux variantes de briques de verre sodocalcique fabriquées pour le projet Crystal Houses (Figs. 1, 2). Dans ce projet, la plus petite brique de verre de 50 × 105 × 210 mm a nécessité 8 h de recuit ; alors qu'une brique d'une largeur double (50 × 210 × 210 mm) nécessitait 36 ​​à 38 h de recuit (Oikonomopoulou et al. 2015). Par la suite, dans l'environnement bâti, les longs temps de recuit de la fabrication du verre coulé et les coûts de production interconnectés ont entravé la fabrication d'éléments en verre coulé au-delà de la taille des briques de construction ordinaires.

Des éléments en verre coulé massif à grande échelle ont néanmoins été réalisés dans des applications non architecturales. Les plus remarquables sont les ébauches de miroir coulées de manière monolithique des télescopes géants au sol, qui s'étendent sur plusieurs mètres de diamètre. Du fait de leurs grandes dimensions, les temps de recuit sont importants. A titre d'exemple, 12 mois de recuit ont été nécessaires pour le miroir en verre massif du télescope Hooker, de 2,50 m de diamètre et de 0,32 m d'épaisseur, pesant 4 tonnes, coulé en verre sodocalcique de bouteille de vin (Zirker 2005). Pour raccourcir les temps de recuit, dans les conceptions ultérieures, en plus d'opter pour une composition de verre avec un coefficient de dilatation thermique plus faible, 3 une sous-structure creuse en nid d'abeille a été introduite, ce qui a réduit l'épaisseur et la masse de la section tout en garantissant un disque de verre de haute rigidité. En raison de ces changements, les ébauches les plus récentes du télescope géant de Magellan, bien qu'elles mesurent 8,4 m de diamètre et pèsent 16 tonnes chacune, n'ont nécessité qu'un temps de recuit de trois mois (Oikonomopoulou et al. 2018a), comme le montre la Fig. 3.

Optimisation de la topologie : conception d'éléments structuraux de masse réduite

Dans cette direction, cet article explore une nouvelle approche de conception structurelle pour la conception d'éléments en verre coulé de forme libre avec des temps de recuit réduits, grâce à l'application de l'optimisation de la topologie structurelle.

L'optimisation topologique (TO) est une approche de conception structurelle qui permet l'optimisation - et donc la réduction - de la masse en relation avec les performances structurelles. Il fonctionne en se rapprochant de la répartition optimale des matériaux dans un espace de conception donné, en tenant compte des charges, des supports et des contraintes spécifiés (Bendsøe et Sigmund 2003). La réduction de la masse, tout en maintenant une rigidité élevée, le rend potentiellement prometteur pour les éléments structurels en verre coulé ; grâce à TO, nous pouvons concevoir des composants monolithiques en verre structurel d'épaisseur et de volume réduits, et donc d'un temps de recuit réduit.

TO se traduit souvent par des formes hautement personnalisées, complexes et pas toujours intuitives. Ces formes sont généralement difficiles et coûteuses à produire avec des techniques de production traditionnelles, telles que le moulage par injection, le fraisage et le formage utilisés pour la production de masse. L'utilisation de méthodes additives et soustractives contrôlées par ordinateur permet d'automatiser la production de tels composants - directement des pièces ou des moules respectifs - avec un haut niveau de précision et dans un temps de production de plomb réduit.4 Comme chaque élément est produit individuellement, un haut niveau de personnalisation est possible, évitant les frais généraux d'outillage, mais aussi la création de déchets dus, par exemple, aux chutes, liées aux formes complexes. En utilisant la fabrication additive (AM), l'ensemble du composant peut être fabriqué en un seul processus (sous réserve des dimensions totales de l'imprimante), ainsi les coûts liés à l'assemblage de pièces complexes peuvent également être annulés. Tous ces éléments rendent la fabrication additive particulièrement attrayante pour les productions en lots limités.

En revanche, la FA donne une qualité de finition de surface compromise qui nécessite un post-traitement et présente encore certaines limitations sur la taille maximale du produit pouvant être produit (sous réserve des limitations de taille du lit d'impression), ainsi que sur les matériaux qui peuvent être (directement) appliqués ; tandis que la fabrication couche par couche est toujours soumise à la normalisation, ce qui peut rendre l'utilisation de la FA difficile dans les applications où la certification est nécessaire (Kawalkar et al. 2021). Quoi qu'il en soit, la FA reste le procédé de fabrication le plus adapté pour réaliser des structures TO, dans lequel chaque élément est optimisé en fonction des charges spécifiques qu'il doit supporter, à peu de surcoût de fabrication.

Jusqu'à présent, l'application pratique du TO est restée principalement limitée aux applications de haute performance, telles que la conception aérospatiale (Rozvany 2009). Diverses applications du TO dans l'environnement bâti, réalisées à l'aide de la FA, ont été étudiées (Jipa et al. 2016 ; Prayudhi 2016 ; Galjaard et al. 2015 ; Naboni et Kunic 2019) (voirFigure 4 ); cependant, en tant qu'outil de conception pour les composants en verre structurel, il est resté plutôt inexploré.

Les coques de grille sont une classe de structures qui présentent les propriétés de portance efficaces des structures de coque, tout en étant principalement constituées d'éléments de poutre unidimensionnels, permettant des structures légères et économiques. La complexité de la structure est concentrée dans les nœuds dans lesquels les poutres sont connectées. Des nœuds de coque de grille complexes conçus à l'aide de TO ont déjà été explorés dans des structures en acier (van der Linden 2015 ; Prayudhi 2016 ; Seifi et al. 2018) et ont constaté que des économies de poids importantes peuvent être réalisées tout en conservant l'intégrité structurelle. À la connaissance des auteurs, les nœuds de coque de grille structurelle en verre sont une nouveauté.

Méthodologie

Pour étudier le potentiel du TO pour les applications de verre coulé structurel, une structure de coque en grille de verre a été conçue, en utilisant du verre coulé topologiquement optimisé pour les nœuds de connexion.

Le processus de recherche est double, consistant en une conception numérique suivie d'un prototypage physique. Aux fins de cette recherche, une structure d'étude de cas a été utilisée, basée sur un pavillon construit à l'Université de technologie et de design de Singapour (Sevtsuk et Kalvo 2014). La structure a d'abord été repensée avec des éléments vitrés tubulaires porteurs dans Rhinoceros 6 et paramétrée à l'aide de Grasshopper et du plug-in FEA structurel Karamba3D. L'objectif est d'étudier l'utilisation de TO pour la conception de nœuds de grille-coque en verre coulé structurel qui relient les éléments tubulaires en verre. Le dimensionnement de la structure de coque en verre est utilisé pour déterminer les dimensions et la forme des nœuds de verre à optimiser, tandis que le modèle FEA fournit les forces sur le nœud, utilisées pour l'optimisation et la validation structurelle.

Pour l'optimisation, plusieurs critères de conception concernant le processus de coulée et de recuit du verre sont établis, issus d'observations faites à partir de coulées de verre existantes, en plus de critères fonctionnels basés sur l'assemblage et l'installation de la structure. Ceux-ci sont ensuite appliqués dans l'optimisation des nœuds sélectionnés, à l'aide de l'optimisation basée sur les contraintes dans l'atelier ANSYS. En plus d'être accessible via une licence académique, ce programme a été sélectionné en raison de son vaste ensemble d'outils TO, ainsi que de ses outils de modélisation et FEA intégrés. Une boucle de conception est utilisée, dans laquelle une géométrie de base est générée dans Grasshopper, suivie d'une optimisation, d'un post-traitement et d'une FEA dans ANSYS. Sur la base de ces résultats, la géométrie initiale et les paramètres d'optimisation peuvent être modifiés selon les besoins.

Sur la base de la conception finale du nœud, deux techniques de moulage distinctes pour la fabrication d'éléments en verre personnalisés de forme complexe à l'aide de la fabrication additive sont explorées à travers le moulage au four de prototypes à petite échelle dans le Glass Lab : (i) un moule en plâtre de silice jetable utilisant un moulage à modèle perdu et un élément en cire imprimé en 3D, et (ii) un moule en sable imprimé en 3D produit par ExOne.

Conception d'études de cas

Une documentation complète du projet de coque de grille SUTD a été fournie via le SUTD (Figure 5 ). Ce projet a été sélectionné en raison de sa forme libre. Comme chacun de ses nœuds sera optimisé de manière unique sans éléments uniformes et répétitifs, il devient possible de réaliser une structure de forme complexe sans grands investissements supplémentaires. De plus, la coque est conçue comme une structure basée sur la compression, ce qui réduit le risque que les éléments verriers soient soumis à des contraintes de traction importantes, là où le verre présente une performance considérablement plus faible.

La structure de la coque a été repensée comme un assemblage hybride acier-verre. Les poutres de la grille sont constituées de profilés en tubes de verre extrudés serrés entre deux capots en plastique POM. Ceux-ci sont maintenus en place par une tige centrale en acier traversant le profilé en verre (Figure 6 ). Pour l'assemblage de la structure, le principe suivant est utilisé (Figure 7 ): un mince anneau en acier est inséré dans un vide cylindrique au centre de chaque nœud. À travers cet anneau, des boulons peuvent être insérés qui se connectent aux tiges d'acier des poutres environnantes à travers un écrou d'accouplement. De cette façon, le verre donne de la rigidité à la structure et supporte les charges de compression, tandis que les charges de traction directes sont transférées par la sous-structure en acier, en utilisant efficacement les propriétés inhérentes aux deux matériaux.

TO en tant qu'outil pour le verre structurel - optimisation basée sur les contraintes et les déformations

Lors de l'utilisation d'outils d'optimisation de la topologie (TO) pour le verre, certaines complications surviennent, car la plupart des outils TO disponibles sont conçus pour être utilisés dans des matériaux ductiles avec une résistance à la traction et à la compression comparable. Le verre, cependant, est un matériau fragile, avec une résistance à la traction supposée inférieure d'au moins un ordre de grandeur à sa résistance à la compression déclarée.

Deux approches différentes des outils TO peuvent être distinguées : l'optimisation basée sur les contraintes et l'optimisation basée sur les déformations. Le TO basé sur les contraintes vise à minimiser les contraintes dans un objet pour un ensemble donné de conditions aux limites. La plupart des méthodes basées sur les contraintes simplifient ce calcul en utilisant un critère de contrainte de Mises, qui est une abstraction qui ne fait pas de distinction entre la traction et la compression. Cela permet une progression simplifiée et plus rapide de l'optimisation, mais limite son applicabilité pour le verre fragile, où les contraintes principales sont la cause de la rupture. Essentiellement, le critère de Von Mises offre une contrainte de traction équivalente qui est utilisée pour prédire la plastification des matériaux (ductiles) dans des conditions de chargement multiaxial.5

En comparaison, les contraintes principales, applicables pour la conception du verre, dépendent fortement du plan de référence, qui change à chaque changement de géométrie ; rendant leur mise en œuvre dans un environnement TO particulièrement difficile. De plus, s'ils sont appliqués au verre, les critères de contrainte de Mises font que la résistance à la traction considérablement plus faible devient le facteur limitant (généralement considéré entre 30 et 45 MPa pour le verre sodocalcique recuit6 et 22 et 32 ​​MPa pour le verre borosilicaté (O' Regan 2014; Granta Design Limited 2015)), laissant sous-utilisée la résistance à la compression considérablement plus élevée du matériau (enregistrée jusqu'à 1000 MPa par (Ashby et Jones 2006), tandis que (Oikonomopoulou et al. 2017) a mené des expériences avec du verre borosilicaté qui ont indiqué une contrainte nominale de rupture en compression > 500 MPa).

De plus, le TO basé sur les contraintes a une forte dépendance au maillage, avec différentes dispositions et tailles de maillage résultant en différentes géométries optimisées (Bendsøe et Sigmund 2003). Actuellement, des outils TO adaptés aux matériaux fragiles sont en cours de recherche, se concentrant généralement sur la conception du béton, en utilisant le principe d'optimisation basée sur les contraintes (Jewett et Carstensen 2019 ; Chen et al. 2021) ou l'optimisation bi-matériau (Gaynor et al. 2013). Contrairement à l'optimisation basée sur Von Mises, ces méthodes peuvent différencier les valeurs admissibles de contrainte de traction et de compression dans les éléments. Cependant, ces méthodes sont encore à un stade précoce de développement et, en raison de leur complexité, ont été limitées à des études de cas bidimensionnelles.

Le TO basé sur la déformation ou la conformité est une approche différente qui vise à maximiser la rigidité d'un objet. Par rapport à l'optimisation basée sur les contraintes, elle offre une rigidité plus élevée, tout en étant moins dépendante du maillage. Bien que cette approche devrait produire des géométries plus fiables, comme l'optimisation basée sur les contraintes, elle n'offre pas de distinction entre les valeurs de contrainte de traction et de compression admissibles. De plus, les contraintes n'étant pas directement prises en compte, des pics de contraintes locales peuvent apparaître. Le verre étant incapable de se déformer plastiquement pour redistribuer ces pics locaux, une post-analyse est indispensable dans ce cas également afin de vérifier que les contraintes résultantes se situent dans les limites acceptables.

Il est conclu que les deux approches d'optimisation présentées présentent des lacunes lorsqu'elles sont appliquées à des matériaux fragiles avec une variation significative entre leurs valeurs de résistance à la traction et à la compression, comme le verre. Pour le but de cette recherche, l'analyse TO d'un élément tridimensionnel est préférée, car cela permet une meilleure exploration de la réduction d'épaisseur, qui, à son tour, a une influence majeure sur le comportement au recuit du verre coulé. L'analyse TO basée sur la conformité a été choisie, car nous considérons qu'elle permet une meilleure exploration de la réduction d'épaisseur du composant de verre coulé cassant. De même qu'une optimisation basée sur les contraintes, l'optimisation basée sur les contraintes ne fait pas non plus de distinction entre la traction et la compression, et une analyse supplémentaire est nécessaire après l'optimisation pour vérifier les contraintes de pointe locales potentielles. Pourtant, nous constatons qu'en comparaison, dans une optimisation basée sur les contraintes, la résistance à la traction considérablement plus faible du verre prévaudrait comme principale contrainte, laissant encore plus sous-utilisée la résistance à la compression nettement plus élevée du matériau.

Objectifs de conception pour réduire les temps de recuit

Quatre propriétés géométriques ont été formulées qui devraient réduire le temps de recuit d'un objet en verre solide (tableau 1).

Tableau 1 Propriétés géométriques et objectifs d'optimisation de la topologie pour le recuit accéléré -Tableau pleine grandeur

Limiter la masse réduit le temps global nécessaire pour recuire l'élément, en diminuant le volume de matériau chauffé qui doit être refroidi. En utilisant TO, des réductions de volume comprises entre 60 et 80 % par rapport à des géométries non optimisées ont été constatées dans la pratique (Galjaard et al. 2015 ; Jipa et al. 2016).

L'absence d'arêtes vives et une épaisseur de section uniforme et mince dans tout l'objet sont essentielles pour atteindre une vitesse de refroidissement homogène dans tout l'élément coulé (Oikonomopoulou et al. 2018a). Les angles vifs et les sections minces refroidiront plus rapidement que le reste de l'objet, ce qui entraînera un rétrécissement irrégulier, provoquant ainsi des niveaux indésirables de contraintes internes. Sur la base du congé suggéré utilisé dans les blocs de verre du projet Crystal Houses (Oikonomopoulou et al. 2018b), un congé minimal de 3 mm de rayon pour les angles vifs est supposé. Il convient de noter que dans les géométries générées par TO, les angles vifs ne sont généralement pas trouvés. Le processus d'optimisation applique le matériau d'une manière qui minimise les contraintes et les déformations, tandis que les éléments fortement inclinés entraînent soit des concentrations de contraintes, soit contribuent peu à la rigidité de l'objet.

Pour créer des sections minces et homogènes, un ensemble de contraintes d'épaisseur de fabrication a été défini dans ANSYS pour le processus d'optimisation. Une épaisseur de section minimale de 15 mm a été choisie à partir de l'expérience de coulée empirique, car des sections plus minces pourraient être difficiles à couler avec succès, tandis que plusieurs épaisseurs maximales, entre 30 et 50 mm, ont été utilisées. Cela évite les longs temps de refroidissement liés aux sections épaisses, tout en garantissant que les épaisseurs de section restent relativement homogènes.

Composant non optimisé : Charges d'exploitation et dimensions

Une configuration paramétrique a été faite qui génère automatiquement une géométrie de base non optimisée pour chaque nœud et répertorie les charges appliquées sur le nœud. Un nœud d'un diamètre de 240 mm et d'une épaisseur allant jusqu'à 95 mm a été sélectionné ; un vide central de 100 mm de diamètre s'est avéré le plus approprié en fonction des exigences d'assemblage, car il s'agit de la taille minimale nécessaire pour insérer et fixer un boulon dans l'anneau central. Sur la base d'une analyse structurelle dans Karamba3D utilisant la charge permanente de la coque, un revêtement de 0,5 kN/m2 et une charge de vent de 0,6 kN/m2 (représentative pour des structures de moins de 4 m de hauteur dans une situation côtière néerlandaise), les poutres de verre de la coque ont été dimensionnées comme des tubes de verre avec un diamètre extérieur de 50 mm et une épaisseur de paroi de 9 mm. L'élément non optimisé résultant est illustré à la Fig. 8. Les moments de flexion, les forces de cisaillement et la force normale de compression ont été appliqués aux connexions extérieures où les poutres en verre se connectent au nœud (rouge), tandis que toutes les forces normales de traction sont appliquées à l'anneau central en acier (bleu), car ces charges ne seraient pas portées par le verre.

Les géométries grossières après optimisation ont été post-traitées avec Spaceclaim, le logiciel de modélisation inclus dans ANSYS. Les outils d'emballage rétractable et de lissage ont été appliqués manuellement pour remailler les éléments trouvés, ce qui supprime les éléments de maillage invalides tout en garantissant une surface lisse. De plus, plusieurs éléments ont été réinsérés au niveau des connexions des poutres et de l'anneau central pour garantir que le nœud peut être correctement connecté à la structure restante (Fig. 9).

Trois itérations d'optimisations ont été réalisées (tableau 2), celles-ci sont développées plus en détail dans les chapitres suivants. Deux nœuds ont été sélectionnés pour l'optimisation (Fig. 10), caractérisés par une combinaison de forces de coque de compression élevées et de forces de traction dans les poutres adjacentes.

Tableau 2 Vue d'ensemble des itérations d'optimisation pour la conception du nœud de verre -Tableau pleine grandeur

Le tableau 3 contient les propriétés du verre utilisé pour l'optimisation et la FEA ultérieure. Le verre borosilicaté a été choisi en raison de son comportement de recuit favorable par rapport au verre sodocalcique ordinaire. Les valeurs de résistance du verre peuvent varier considérablement en fonction de la source de littérature utilisée. Pour cette recherche, des valeurs conservatrices ont été choisies.

Tableau 3 Propriétés matérielles du verre utilisé pendant TO et FEA -Tableau pleine grandeur

Tout au long du processus, l'objectif d'optimisation fixé était de minimiser la conformité et une taille de maille uniforme de 8 mm a été utilisée. Le pourcentage de matériau retenu après optimisation et l'épaisseur de section autorisée ont été variés à chaque itération pour observer leur influence sur la géométrie obtenue.

Optimisation TO1, rigidité minimale grâce à une charge répartie.

La première optimisation a été effectuée en utilisant deux cas de charge. Le premier cas de charge appliqué est la charge permanente de la structure en coque, car elle constitue la charge permanente principale que le nœud est censé supporter. L'optimisation pour cette seule charge risque d'aboutir à une conception de nœud de rigidité insuffisante en raison d'une sur-optimisation, car l'optimisation ne prend en compte aucune charge externe. Dans (van der Linden 2015), une rigidité minimale est créée en appliquant un moment de flexion supplémentaire à chaque poutre du nœud, en anticipant les forces externes qui ne sont pas prises en compte lors de l'optimisation uniquement pour la charge permanente de la structure.

Une tentative de recréer cet effet a été faite en ajoutant une charge de maille hors plan répartie de 0,5 kN/m2 sur toute la coque, fournissant une charge minimale garantie sur chaque nœud. Un aperçu de toutes les charges se trouve dans les tableaux 9 et 10 en annexe.

Comme le montre le tableau 4, 70 % et 80 % d'enlèvement de matière ont été testés. Les deux géométries résultantes étaient capables de supporter la charge permanente de la coque sans dépasser la capacité de traction du verre (Figs. 11, 12).

Tableau 4 Vue d'ensemble de l'optimisation TO1 -Tableau pleine grandeur

Une FEA supplémentaire a été réalisée avec une charge de vent supplémentaire de 0,6 kN/m2, perpendiculaire au nœud, avec les forces précises dérivées du modèle Karamba3D. Sous cette charge, les contraintes de traction dépassent la valeur admissible pour le verre en plusieurs points (Fig. 13). Cela montre comment TO peut générer des géométries efficaces en poids pour un seul cas de charge prédominant, mais que ces résultats deviennent peu fiables lorsque les charges qui se produisent commencent à diverger de cela. Le pavillon choisi comme étude de cas est une petite structure relativement légère. De ce fait, les contraintes dans la structure sont fortement influencées par la charge de vent, ce qui rend difficile la détermination d'un cas de charge unique (prévalent) pour l'optimisation des nœuds. La tentative d'obtenir une rigidité minimale grâce à une charge de maillage répartie s'est avérée insuffisante pour résister à une charge externe. En conséquence, l'optimisation TO1 a été rejetée et deux variantes ont été apportées pour étudier comment ces charges changeantes peuvent être prises en compte dans le processus d'optimisation.

Optimisation TO2, deux cas de charge

Dans cette itération, une méthodologie pour optimiser un nœud pour plusieurs cas de charge a été explorée. Dans ce cas, deux optimisations distinctes ont été effectuées, en utilisant deux cas de charge distincts : le poids propre (charge permanente) de la structure et les forces sur le nœud résultant d'une charge de vent de 0,6 kN/m2 perpendiculaire au nœud. Les paramètres utilisés pour les deux optimisations sont indiqués dans le tableau 5 ; les charges se trouvent en annexe, tableaux 11 et 12. Les deux géométries optimisées distinctes ont finalement été fusionnées pour créer une géométrie unique (Fig. 14).

Tableau 5 Vue d'ensemble de l'optimisation TO2 -Tableau pleine grandeur

L'analyse structurale montre que l'élément résultant est capable de supporter à la fois la charge permanente et la charge de vent utilisées pour les deux optimisations (Fig. 15). Cependant, une analyse plus approfondie utilisant une charge de vent dans la direction opposée à la charge d'optimisation provoque une défaillance en plusieurs points en raison de contraintes de traction excessives (Fig. 16). Cela démontre en outre que le processus TO est capable d'optimiser pour un ou plusieurs cas de charge prédéterminés, mais les géométries résultantes ne peuvent plus supporter efficacement des charges qui divergent des charges de conception prédéterminées. Une telle approche est particulièrement critique pour une structure légère telle que celle-ci, où les charges de vent provoquent d'importants changements de forces ; par rapport à une structure plus lourde où la charge permanente reste le cas de charge dominant.

Optimisation TO3, augmentation du poids mort

Suite aux résultats des optimisations précédentes, et afin de s'assurer que la charge permanente de la coque reste le cas de charge dominant dans toutes les conditions, la structure de la coque elle-même est modifiée pour diminuer l'influence relative des charges de vent fluctuantes sur la structure. La taille du pavillon a été augmentée de 50% dans toutes les dimensions, tandis que les poutres sont passées d'un diamètre de 50 mm à 80 mm et d'une épaisseur de paroi de 9 mm à 12 mm.

De plus, la masse du revêtement de façade a été augmentée de 0,5 kN/m2 à 1,2 kN/m2, ce qui représente le passage d'un revêtement léger en verre à un ensemble à double vitrage. Les dimensions du nœud sont restées les mêmes. La charge permanente de la structure a été utilisée comme seule charge d'optimisation. Aux deux poutres où le nœud est soumis à une tension, des forces de compression de 3,0 kN ont été appliquées au verre pour assurer une rigidité minimale du nœud. Un aperçu des charges est inclus dans les tableaux 13 et 14 en annexe, les autres réglages se trouvent dans le tableau 6.

Tableau 6 Vue d'ensemble de l'optimisation TO3 -Tableau pleine grandeur

La conception finalisée du nœud est illustrée à la Fig. 17. Une analyse structurelle linéaire a été effectuée pour tester le comportement du nœud à la fois sous charge permanente et sous le vent. Une charge de vent réduite de 0,49 kN/m2 a été utilisée, correspondant à un emplacement à l'intérieur des terres néerlandais à faible hauteur comme dicté par l'Eurocode. Sous diverses charges de vent, les contraintes de traction se sont avérées ne pas dépasser la valeur admissible (Fig. 18).

Déterminer le temps de recuit requis pour un objet en verre est compliqué, car il est déterminé par une multitude de facteurs (Oikonomopoulou et al. 2018a). Non seulement la forme et la distribution de masse du modèle, mais aussi la quantité de surface exposée au refroidissement, les autres masses thermiques présentes dans le four et les propriétés du four lui-même influencent tous le cycle de recuit. Bien qu'il existe de la littérature qui tente de guider avec précision le processus de recuit, elle repose souvent sur des hypothèses non déclarées et des circonstances spécifiques qui ne peuvent pas être largement appliquées (Watson 1999).

Une estimation empirique des temps de recuit anticipés est donc faite par comparaison avec les résultats existants. Trois éléments en briques de verre sodocalciques du projet de façade Crystal Houses ont été sélectionnés pour une comparaison quantitative, en utilisant les temps de refroidissement enregistrés indiqués dans (Oikonomopoulou et al. 2018b). Les principaux aspects qui déterminent les temps de recuit sont le type de verre, la masse et l'épaisseur de chaque élément. Partant de l'hypothèse que le même verre sodocalcique est utilisé pour tous ces éléments, l'estimation suivante peut être faite en comparant la masse et l'épaisseur de la section (tableau 7). L'optimisation TO1 a été exclue car sa géométrie s'est avérée peu efficace pour supporter une charge extérieure.

Tableau 7 Estimations du temps de recuit du nœud optimisé de verre coulé sur la base des temps de recuit fournis pour les unités de briques de verre coulé de la façade Crystal Houses -Tableau pleine grandeur

Résultats de la conception numérique

Un aperçu des résultats de l'optimisation peut être trouvé dans le tableau 8. L'utilisation de l'optimisation topologique (TO) pour la conception d'un nœud capable de supporter à la fois le poids/la charge permanente de la coque et une charge de vent variable s'avère difficile, car un composant optimisé pour supporter la charge permanente de la structure devient vulnérable à toutes les charges importantes qui en divergent. Il est possible d'augmenter la résilience de la structure en optimisant sa répartition des masses pour une combinaison de cas de charge importants, ou en s'assurant que le cas de charge d'optimisation reste celui qui dicte en toutes circonstances.

Tableau 8 Aperçu des résultats d'optimisation -Tableau pleine grandeur

Bien que toutes les charges de traction directes soient supportées par la sous-structure métallique, les moments de flexion se produisant en raison de la charge de vent excentrique de la coque entraînent toujours des contraintes de traction. Comme le TO basé sur la conformité appliqué dans cette recherche ne fait pas la distinction entre la tension et la compression au sein du matériau, on peut en déduire que la résistance à la traction inférieure du verre reste normative, tandis que sa capacité de compression élevée reste sous-utilisée.

Des économies de poids importantes ont été réalisées malgré cela, avec une réduction de 69 % et 53 % pour le TO2 et le TO3 respectivement. De plus, l'épaisseur de section maximale de chaque composant a été réduite à 8–30 mm et 20–40 mm respectivement à partir d'une épaisseur non optimisée de 95 mm. Les temps de recuit empiriques dérivés de la comparaison avec le projet Crystal Houses montrent des réductions de 90% et 66%, par rapport aux géométries non optimisées correspondantes.

Il est à noter que les géométries initiales étaient basées sur une estimation du volume requis, et doivent donc être considérées comme surdimensionnées. En effet, dans les approches de conformité TO, la répartition optimale des matériaux est l'une des principales variables d'entrée, définie et fortement dépendante des connaissances de l'utilisateur final (Gebremedhen et al. 2017). Les réductions de masse et de temps de recuit indiquées peuvent donc être considérées comme des estimations optimistes. Malgré cela, les résultats indiquent que la réduction de masse obtenue grâce au TO peut contribuer à raccourcir considérablement le processus de recuit pour les composants en verre coulé structurel.

Dans cette recherche, deux approches de fabrication assistée par ordinateur sont utilisées pour fabriquer avec une précision suffisante les géométries de verre optimisées complexes et personnalisées. L'impression 3D du moule a été préférée à l'impression 3D directe du nœud de verre, car cette dernière présente encore plusieurs inconvénients importants : bien que la fabrication additive directe du verre ait connu quelques avancées (Klein 2015), elle présente toujours de sérieuses limitations dans la taille et les formes qui peuvent être obtenues, tandis que la superposition du matériau et la certification restent des préoccupations valables pour la création de composants en verre structurel. En raison de ces considérations, cette recherche se concentre plutôt uniquement sur l'utilisation de la fabrication numérique pour créer des moules de coulée de verre.

Généralement, pour les moulages en verre, on utilise soit des moules en métal fraisés CNC de haute précision, soit des moules jetables à faible coût (Fig. 19). Des moules usinés CNC de haute précision composés d'acier ou de graphite sont couramment utilisés dans la fabrication en série d'éléments en verre coulé, car ils peuvent être réutilisés pour une production à grand volume (Oikonomopoulou et al. 2018a). Ces moules réutilisables peuvent produire un niveau élevé de détails de surface et une grande précision dimensionnelle ; néanmoins, ils impliquent généralement des coûts de fabrication élevés, ce qui les rend peu économiques pour des productions en petits lots ou pour des composants uniques et personnalisés. De plus, de tels moules pour la coulée d'éléments optimisés de forme complexe, devraient être très complexes, constitués de multiples éléments démontables pour permettre le démoulage ; ajoutant à la fois au temps et au coût de fabrication. Pour les composants personnalisés, généralement peu coûteux, les moules jetables sont préférés. Néanmoins, ce sont des composants à forte intensité de main-d'œuvre et de rendement d'une précision compromise et nécessitant un post-traitement (Oikonomopoulou et al.2020).

En raison de ces considérations, des moules jetables imprimés en 3D de haute précision sont proposés ici comme une solution rentable pour la coulée de composants en verre massif personnalisés de géométrie complexe. Par rapport au processus laborieux et chronophage des moules de moulage à la cire perdue standard et aux coûts de fabrication élevés des moules métalliques de haute précision, les moules imprimés en 3D sont rapides, faciles et économiques à fabriquer et permettent une grande complexité dans les formes, y compris les contre-dépouilles et les vides. Dans cette recherche, deux techniques de fabrication de tels moules à l'aide de la fabrication additive ont été étudiées : le moulage à la cire perdue à l'aide d'éléments en cire fabriqués de manière additive et les moules en sable imprimés en 3D.

Moulage à la cire perdue

Le moulage à modèle perdu implique la reproduction de la géométrie souhaitée dans un matériau sacrificiel ; communément la cire. La production consiste en plusieurs étapes, illustrées à la Fig. 20. Un moule résistant à la chaleur est formé autour du composant jetable (en cire). L'élément sacrificiel est retiré par chauffage dans un processus appelé brûlage ou cuisson à la vapeur, laissant un moule creux adapté à la coulée.

La fabrication additive par modélisation par dépôt de fil fondu (FDM) peut être utilisée pour fabriquer les éléments sacrificiels. Des filaments spécialisés ont été développés pour cela, qui brûlent à des températures plus basses et laissent moins de résidus dans le moule, par rapport aux plastiques ordinaires tels que le PLA. Pour cette recherche, le filament P2C-175 a été utilisé. Il s'agit d'un filament à base de cire développé pour le moulage à la cire perdue, disponible sur Machineablewax.com. À l'aide d'une imprimante FDM conventionnelle, deux nœuds optimisés ont été imprimés à l'échelle 1:2.

Plusieurs éléments temporaires ont été ajoutés au modèle en cire pour améliorer la qualité du moulage. Celles-ci comprennent un canal central plus large pour le coulage du verre, six canaux verticaux pour empêcher les bulles d'air d'être piégées dans le moule et quelques canaux supplémentaires pour assurer une bonne circulation du verre dans tout le moule (Fig. 21). Autour de l'élément imprimé en cire (Fig. 22), un moule en plâtre de silice a été coulé (Fig. 23). Après solidification, le moule a été placé dans un four pendant 6 h à 515 °C pour brûler le modèle en cire.8 Le prototype final en verre coulé est visible sur la Fig. 24.

Le verre a été coulé à l'aide d'un coulage au four, car le moule en plâtre est incapable de supporter les températures plus élevées de la coulée à chaud. La coulée au four est réalisée en plaçant des morceaux de verre dans un réservoir résistant à la chaleur (par exemple un pot de fleur en céramique) au-dessus du moule. Lors du chauffage, le verre fond et s'écoule dans le moule, où il est laissé à recuire en abaissant de manière contrôlée la température du four. Cela permet à l'objet d'être coulé et recuit dans un seul four. Cependant, par rapport à d'autres méthodes de coulée du verre telles que la coulée à chaud, un programme de cuisson plus long est nécessaire pour s'assurer que le verre a suffisamment de temps pour fondre complètement (Fig. 25). Cette coulée a été réalisée avec du verre sodocalcique modifié Schott B270 recyclé. Ce verre peut être coulé à une température plus basse par rapport au verre sodocalcique ordinaire, avec une température de fusion de 827 °C et une température de recuit de 482 °C.

Après refroidissement, le moule en plâtre de silice a été ramolli en étant placé dans l'eau, ce qui a facilité le démoulage et le démoulage sans risquer d'endommager les éléments en verre à l'intérieur. Lors du post-traitement, les canaux d'air et de circulation ajoutés, ainsi que tous les bords tranchants restants, ont été éliminés à l'aide d'un petit broyeur portatif.

Moules en sable fabriqués de manière additive

Il est possible de fabriquer directement des moules grâce au sable imprimé en 3D, une technique de production utilisée dans l'industrie de la fonderie des métaux. Ces moules présentent une haute résistance à la chaleur, et permettent d'imprimer des formes très complexes sans supports supplémentaires. Les autres avantages des moules en sable imprimés incluent leur production rapide (normalement limitée à quelques jours), leur faible coût et leur précision jusqu'à 0,1 mm (selon le sable utilisé).9

Le plus grand élément qui peut actuellement être imprimé avec cette technique est de 4 mx 2 mx 1 m, en utilisant l'imprimante Voxeljet VX4000. (Galjaard et al. 2015 ; Meibodi et al. 2019 ; Jipa et al. 2016) ont appliqué cette méthodologie pour la coulée d'éléments topologiquement optimisés complexes en acier, aluminium et béton respectivement (Fig. 26), tandis que des recherches récentes sur l'utilisation de ces moules pour la coulée du verre par (Flygt 2018 ; Oikonomopoulou et al. 2020) suggèrent qu'elle peut être utilisée comme un y solution pour des objets en verre coulé sur mesure.

Différents liants sont disponibles pour l'impression au sable. Des travaux expérimentaux antérieurs de (Bhatia 2019 ; Oikonomopoulou et al. 2020) ont indiqué que les liants inorganiques, tels que le liant CHP d'ExOne, sont les plus adaptés au chauffage prolongé du moule aux températures requises. Ils ont également mis en évidence la nécessité d'appliquer un revêtement pour obtenir un bon résultat de surface de finition pour les composants coulés au four ; car la surface du verre résultant du contact avec le moule est en principe rugueuse et translucide. Les tests préliminaires de (Bhatia 2019) ont indiqué l'application au pinceau de Crystal Cast (silice-plâtre) pour le revêtement des moules, ce qui a donné une surface transparente, mais toujours de texture rugueuse. Ainsi, des recherches supplémentaires pour trouver un revêtement qui peut donner une texture complètement lisse et une surface de finition transparente sont nécessaires.

En conséquence, un moule en sable imprimé en 3D utilisant un liant CHP a été produit pour le nœud conçu dans l'itération TO2. Le moule, imprimé à l'échelle 1:1 par ExOne, se compose de 4 couches horizontales (Fig. 27), avec des éléments imbriqués pour garantir que les couches restent alignées. La conception en couches a été choisie car elle simplifie l'élimination des restes de sable après l'impression et rend la géométrie plus accessible pour le prétraitement, comme pour l'application de revêtements. Une fine couche de revêtement en plâtre de silice (Crystal-Cast)10 a été appliquée pour empêcher la fusion du sable du moule avec le verre fondu et pour assurer une surface de verre lisse, réduisant le post-traitement nécessaire (Bhatia 2019). Ce revêtement a été sélectionné pour être facilement disponible et abordable. Un pinceau a été utilisé pour appliquer manuellement le plâtre liquide en une fine couche qui ne détériore pas le moule imprimé en sable hydrosoluble.

Une configuration de coulée au four a été utilisée pour couler le verre. Sur la base des résultats préliminaires de (Bhatia 2019), il a été déterminé que pour le matériau liant choisi, le verre avec une température de fusion inférieure est préférable. Pour cette raison, le verre au plomb (recyclé) a été sélectionné. Un schéma de cuisson similaire au précédent a été utilisé, avec une température de fusion inférieure de 810 ° C et une température de recuit de 430 ° C.

Le moule en sable imprimé n'a pas réussi à produire une géométrie utilisable, car lors de l'ouverture du four refroidi, il a été constaté que le moule en sable s'était effondré sur lui-même (Fig. 28). Comme le liant utilisé pour imprimer le sable était moins résistant à la chaleur que prévu, il s'était évaporé, laissant le sable très fragile, s'effondrant sous le poids du pot de fleurs. Cela semble s'être produit relativement tôt dans le programme de cuisson, car peu de verre a été trouvé à l'intérieur du moule, ce qui indique que le moule s'est effondré avant que le verre n'ait eu le temps de se liquéfier complètement. La différence de comportement par rapport aux tests antérieurs effectués par (Bhatia 2019) peut s'expliquer par le fait que le liant a été exposé à des températures élevées pendant une période considérablement plus longue en raison de l'utilisation d'un processus de coulée au four complet.

En raison des contraintes de temps, aucune autre expérience n'a pu être réalisée sur l'utilisation de moules imprimés au sable pour la coulée du verre. Dans des recherches plus poussées par (Bhatia 2019), un élément en verre a été coulé avec succès en utilisant une configuration similaire (Fig. 29). Dans cette expérience, le récipient en céramique (pot de fleurs) contenant le verre pour la coulée n'a pas été placé directement sur le dessus du moule, mais soutenu séparément, l'empêchant de pousser vers le bas et d'ajouter un poids supplémentaire sur le moule. Cela a permis au moule de rester intact suffisamment longtemps pour que le verre coule et se solidifie.

Résultats de casting

Les éléments en verre fabriqués par moulage à modèle perdu ont une texture rugueuse en couches; une empreinte de la texture générée par le procédé FDM utilisé pour imprimer l'élément sacrificiel en cire (Fig. 30). Un élément plus lisse peut être obtenu en utilisant une imprimante avec une résolution plus élevée ou en post-traitant l'élément après l'impression pour supprimer la superposition visible ; bien que ce dernier puisse entraîner une perte de précision.

Cependant, le composant résultant démontre également le haut niveau de détail qui peut être atteint en utilisant le coulage au four. Comme le verre est maintenu au-dessus de son point de ramollissement pendant une longue période de temps pour s'assurer qu'il se liquéfie complètement, il a suffisamment de temps pour se déposer dans le moule et transférer même les détails les plus fins de la texture du moule sur le verre. Lors de la phase de conception, il a été estimé qu'une épaisseur de section de 15 mm serait la plus petite section pouvant être coulée de manière fiable. Le niveau de détail du moulage à la cire perdue 1:2 démontre qu'en utilisant des sections plus minces de coulée au four, il est possible d'abaisser davantage le temps de recuit des éléments résultants.

Bien que le moulage en sable n'ait pas produit d'élément valide en raison de l'effondrement du moule, d'autres recherches ont donné des résultats prometteurs. Des recherches et une validation supplémentaires sont nécessaires pour explorer le potentiel de cette méthodologie.

En comparant les deux méthodes de fabrication, le moulage à modèle perdu utilisant un modèle en cire s'est avéré beaucoup plus exigeant en main-d'œuvre en raison des multiples étapes de production et du post-traitement supplémentaire dû à la finition de surface en couches et aux supports dans le cadre de l'impression FDM. Bien que les outils et les matériaux requis pour cette méthode soient couramment disponibles, l'impression FDM à un niveau de précision suffisant est un processus lent.

L'impression 3D de moules en sable nécessite des outils plus spécialisés, mais permet l'impression directe de moules de haute précision. De plus, la taille des imprimantes disponibles (jusqu'à 4 mx 2 mx 1 m par l'imprimante Voxeljet VX4000), permet d'imprimer plusieurs éléments à la fois, permettant des tailles de lots plus importantes et un temps d'impression par élément réduit. L'intensité du travail est réduite car le moule est imprimé directement; de plus, la méthode d'impression permet d'imprimer des formes complexes sans support, ce qui réduit la quantité de post-traitement nécessaire. Cependant, une quantité de travail est nécessaire pour nettoyer le sable meuble et appliquer des revêtements avant la coulée afin d'améliorer la qualité de la surface.

L'optimisation de la topologie (TO) est une méthodologie de conception puissante pour les éléments structuraux en verre coulé personnalisés. Outre une réduction significative de l'utilisation de matériaux qui permet des structures relativement légères, dans le cas du verre coulé structurel, TO peut réduire considérablement les temps de fabrication et la consommation d'énergie entrelacée en réduisant considérablement les temps de recuit impliqués. Dans les études de cas présentées, les temps de recuit estimés ont été réduits de 67 à 90 %, par rapport aux nœuds solides non optimisés. En pratique, une telle approche de conception, qui correspond essentiellement à la répartition de la masse de verre avec les charges de conception prévues, pourrait aider à surmonter l'un des principaux défis de la fabrication d'éléments en verre coulé, ouvrant la voie à une utilisation beaucoup plus large du verre coulé en tant que matériau porteur pour les composants monolithiques de dimensions substantielles et de conception intrigante, tels que les dalles de sol transparentes, les ponts ou les fermes.

Des réductions de masse comprises entre 53 et 69 % ont été atteintes, alors que des réductions allant jusqu'à 85 % étaient initialement prévues. Certaines raisons du poids final plus élevé que prévu incluent la nécessité d'optimiser à la fois la charge permanente due au poids propre de la structure et aux charges de vent, ce qui entraîne l'ajout de matériau supplémentaire dans TO2 (essentiellement constitué de deux éléments optimisés en un) et TO3 (la quantité de matériau retiré a été réduite pour augmenter la flexibilité). De plus, le matériau a été réintroduit pour assurer une connexion complète aux éléments structurels de connexion, ce qui augmente encore le poids.

Les résultats de la coulée d'un modèle réduit ont montré que des éléments plus minces que l'épaisseur minimale estimée de 15 mm peuvent être coulés, ce qui peut être utilisé pour réduire encore les temps de recuit. Cependant, les moules nécessaires pour ces éléments détaillés peuvent devenir un facteur limitant, compte tenu par exemple des restes de sable qui doivent être retirés du moule imprimé au sable.

L'un des défis rencontrés lors de l'utilisation du TO était la prise en compte des charges variables (par exemple, le vent) dans la conception. Il a été démontré que TO est capable de concevoir des structures hautement optimisées, supportant des charges avec seulement une fraction du matériau d'origine. L'inconvénient de cette optimisation est une réduction de la flexibilité et de la capacité de la structure à bien fonctionner sous des charges variables. Le surdimensionnement étant réduit au minimum, les structures deviennent moins aptes à supporter des charges variables ou non prises en compte lors de la conception. Les structures dans l'environnement bâti sont soumises à une large gamme de charges, nécessitant une certaine rigidité et un surdimensionnement pour fonctionner de manière satisfaisante dans tous les cas de charge. Ainsi, il convient de noter que TO n'est pas une solution structurelle globale. Est-il judicieux d'utiliser cette approche de conception dans les cas où un ou plusieurs cas de charge dominants sont présents (par exemple lorsque la charge permanente est dominante).

La création de moules pour la coulée de ces géométries complexes, de forme organique et personnalisées de manière unique reste un défi, en s'appuyant sur des moules jetables fabriqués à l'aide de techniques de FAO telles que la fabrication additive. Le moulage à modèle perdu à l'aide d'un prototype sacrificiel fabriqué de manière additive a démontré que des éléments en verre très complexes peuvent être réalisés, bien que le processus actuel en plusieurs étapes prenne du temps et demande beaucoup de main-d'œuvre. Bien qu'ils nécessitent une validation supplémentaire, les auteurs pensent que les moules en sable imprimés en 3D ont le potentiel d'améliorer considérablement le processus de production d'éléments en verre coulé personnalisés et perplexes, en raison de leur grande précision et de leur vitesse d'impression améliorée par rapport aux méthodes de fabrication additive conventionnelles. Il convient de noter ici que pour tout projet utilisant du verre coulé, il est important que la technique de fabrication des moules soit considérée tôt dans le processus, car elle peut avoir une influence significative sur les décisions de conception.

Limites de cette recherche et des recherches futures

Comme il n'existe aucun nœud de coque de grille de verre structurel de conception traditionnelle, les conceptions optimisées ont été comparées à des géométries grossièrement choisies et non optimisées. Ces conceptions initiales peuvent être considérées comme surdimensionnées, ce qui signifie que les réductions totales trouvées de poids/masse et de temps de recuit peuvent être considérées comme relativement optimistes.

Le processus TO basé sur la conformité utilisé dans cette recherche ne fait pas de distinction entre les contraintes de traction et de compression, ce qui donne des éléments dans lesquels les deux sont également présents. Comme le verre est au moins d'un ordre de grandeur plus fort en compression qu'en tension, cette approche ne correspond pas aux propriétés structurelles du matériau. Ce comportement pourrait être amélioré par le développement d'une approche TO pour le verre coulé qui utilise une optimisation basée sur le principe de contrainte ou une optimisation bi-matériau.

Dans la méthodologie actuelle, le post-traitement de la géométrie optimisée consiste en un processus manuel répétitif et chronophage. Si une structure entièrement vitrée telle que proposée dans l'étude de cas doit être réalisée, composée de nombreux éléments coulés, un niveau d'automatisation est nécessaire pour améliorer sa faisabilité. Les exigences des éléments d'un point de vue structurel et de fabrication peuvent être clairement définies, tandis que les outils de post-traitement disponibles, tels que ceux de Spaceclaim utilisés dans cette recherche, fonctionnent déjà avec une contribution limitée de l'utilisateur. Pour cette raison, les auteurs pensent qu'un processus d'optimisation automatisé et paramétrique est faisable.

Des tests supplémentaires sont essentiels pour explorer et valider le potentiel des moules en sable imprimés en 3D. Les moules en sable utilisés pour cette recherche ont échoué lors de la coulée au four car le liant sélectionné a été affaibli par la chaleur du four, entraînant un effondrement sous le poids du verre fondu. Les premiers résultats de (Bhatia 2019) semblent indiquer qu'un liant différent, ExOne Anorganic, affiche une meilleure résistance aux températures élevées que le liant utilisé dans cette recherche.

De plus, l'utilisation de la coulée à chaud (primaire) au lieu de la coulée au four devrait être étudiée. Bien que lors de la coulée à chaud, le verre soit initialement coulé à une température nettement supérieure à la température maximale atteinte lors de la coulée au four, du fait que le verre est fondu dans un four séparé, le moule en sable est soumis à des températures élevées pendant une période de temps considérablement plus courte, empêchant potentiellement l'évaporation du liant.

Outre la composition du moule, plusieurs autres paramètres doivent être explorés plus avant pour garantir que les moules en sable peuvent être utilisés efficacement et avec un post-traitement minimal. Il s'agit notamment du choix du revêtement, de l'emplacement et de la taille des canaux d'admission et de circulation nécessaires lors de la coulée.