Verre coulé topologiquement optimisé

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 substantielle 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 allant jusqu'à la taille de briques de construction ordinaires, qui peuvent être recuites en quelques heures. Pour la première fois, l'optimisation topologique structurelle (TO) est étudiée comme approche pour concevoir des éléments monolithiques porteurs en verre coulé de masse et de dimensions substantielles, avec des temps de recuit considérablement réduits. La recherche est double. Tout d’abord, 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 en grille de verre coulé est conçu et optimisé.

Pour y parvenir, plusieurs critères de conception concernant le verre en tant que matériau, le moulage en tant que processus de fabrication et le TO en tant que méthode de conception, sont formulés et appliqués dans l'optimisation. Nous concluons qu'une approche TO entièrement adaptée à la conception de verre tridimensionnel n'est pas encore disponible. Pour cette recherche, un TO basé sur la déformation ou la conformité est sélectionné pour l'optimisation du nœud de coque de grille en verre coulé tridimensionnel ; dans notre cas, nous considérons qu'une déformation basée sur TO 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 inférieure du verre deviendrait le principal obstacle, laissant sous-utilisée la résistance à la compression plus élevée. De plus, il est déterminé qu’un cas de charge unique, inchangé et dominant est le plus adapté à l’optimisation du TO.

Grâce à ANSYS Workbench, des réductions de masse allant jusqu'à 69 % par rapport à une géométrie initiale non optimisée sont obtenues, réduisant ainsi les temps de recuit d'environ 90 %. Ensuite, la faisabilité de la fabrication des composants en verre de forme complexe résultants est étudiée au moyen de prototypes physiques. Deux techniques de fabrication sont explorées : le moulage à la cire perdue utilisant des géométries de cire imprimées en 3D et le moulage 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 ceci, plusieurs conclusions sont tirées concernant l'applicabilité et les limites du TO pour les composants en verre coulé et le potentiel de 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 transparent porteur d'une haute résistance à la compression, déclarée jusqu'à 1 000 MPa pour la chaux sodée flottée. verre par (Saint Gobain 2016 ; Weller et al. 2008 ; Ashby et Jones 2006), supérieure à celle de l'acier de construction, même. En effet, les applications structurelles du verre dans l'environnement bâti augmentent continuellement, 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 qui peuvent être générées par la surface virtuellement plane. , panneaux flottants bidimensionnels. Le verre coulé peut échapper aux limitations de conception imposées par le caractère essentiellement bidimensionnel du verre flotté.

En versant du verre fondu dans des moules, cette méthode de fabrication alternative permet de créer des éléments en verre tridimensionnels solides de pratiquement n'importe quelle forme et section (Oikonomopoulou et al. 2018a). Les éléments porteurs en verre coulé n'ont jusqu'à présent que peu d'applications 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 d'Optique (Hiroshi 2013), les Maisons de Cristal (Oikonomopoulou et al. 2015, 2018b) (Fig. 1), le Qwalala Sculpture (Paech et Göppert 2018), le LightVault (Parascho et al. 2020) et le Pavillon Qaammat (Oikonomopoulou et al. 2022).