Drei

Datum: 6. Juli 2023

Autoren: Rena Giesecke & Benjamin Dillenburger

Quelle:Glass Structures & Engineering, Band 7, (2022)

DOI:https://doi.org/10.1007/s40940-022-00176-y

Die vorgestellte Forschung untersucht eine digitale Herstellungsmethode für maßgeschneiderte Glasbauelemente basierend auf dreidimensional (3D) gedruckten Formen. Maßgeschneiderte Glasteile mit spezifischen Geometrien erfordern in der Regel mehrere Fertigungsschritte, hochspezialisierte Handwerkskunst oder Maschinen. Computer-numerisch gesteuerte gefräste Stahlformen eignen sich aufgrund ihrer hohen Kosten und begrenzten geometrischen Freiheit nur für große Losgrößen. Der Wachsausschmelzguss erfordert mehrere Herstellungs- und Nachbearbeitungsschritte. In diesem Artikel wird ein zugänglicher, kostengünstiger Prozess zur Formung von Glasartefakten mithilfe von 3D-gedruckten Formen untersucht, um die Lücke zwischen massenproduzierten und individuell gefertigten Glaselementen zu schließen. Frühere Untersuchungen haben das Potenzial des Binder Jetting mit anorganischen Bindemitteln für den Glasguss aufgezeigt. In diesem Artikel werden neben dem Glasguss eine Reihe traditioneller Herstellungsmethoden untersucht, die mit 3D-gedruckten Formen kombiniert werden können, darunter Gießerei- und Ofenguss, Blasformen und Absacken.

Ziel ist es, die Fertigungsmöglichkeiten zu erweitern und vielfältige Ansätze für dreidimensionales Glas bereitzustellen. Ziel ist es, den Prozess vom Entwurf bis zur Produktion dreidimensionaler massiver, hohler oder doppelt gebogener Flachglaselemente mit hoher Präzision zu vereinfachen. In diesem Artikel werden Untersuchungen zu Binder-Jetting-Techniken und Materialüberlegungen, deren Hitzebeständigkeit, Kompatibilität mit verschiedenen Glasherstellungsprozessen und Beschichtungen für die Formenbehandlung vorgestellt. Darüber hinaus wird die Präzision der resultierenden Glasteile bewertet und Designrichtlinien für Glastypologien definiert. Glasbausteine ​​oder -platten für Fassaden mit geometrischen Merkmalen, die durch die vorgestellte Herstellungsmethode ermöglicht werden, könnten neuartige optische, strukturelle oder dekorative Eigenschaften in Bauelementen ermöglichen.

1.1 Hintergrund

Glas spielte eine wesentliche Rolle in der Kultur- und Architekturgeschichte und wurde erstmals in der Bronzezeit Mitte des dritten Jahrtausends v. Chr. in Mesopotamien von Menschen entdeckt (Wight 2011). In der Römerzeit wurden Haushaltsgegenstände durch Frittenguss hergestellt, bei dem kleine Glaskörnchen unter Hitze in einer Form verschmolzen wurden. Seitdem spielt die Glasformung eine wesentliche Rolle in der Glasherstellung. Im 1. Jahrhundert v. Chr. erfanden die Phönizier die Glasbläserei, um hohle Artefakte wie Gefäße und Flaschen herzustellen. Die Römer waren die ersten, die im Jahr 100 n. Chr. kleine, teilweise transparente Gussglasstücke in Gebäuden verwendeten (McGrath und Frost 1937). Ab dem 18. Jahrhundert wurde zur Herstellung von Fensterscheiben zylindergeblasenes Flachglas oder Kronglas verwendet. Der Schweizer Architekt Gustave Falconnier modifizierte das traditionelle Flaschenblasverfahren, indem er Stahlformen zur Herstellung von Hohlglasbausteinen für architektonische Zwecke verwendete (Jeandrevin 2018).

1887 ermöglichte das industrielle Blasformen die Massenproduktion von Gefäßen und Haushaltsgegenständen. Im Jahr 1959 ermöglichte die Erfindung des Floatglasverfahrens die Massenproduktion von Floatglas als standardisiertes Produkt für den Bau (Pilkington 1969). Heutzutage decken massenproduzierte Glasteile weltweit einen bedeutenden Markt ab (Statista 2021), während kundenspezifisch gefertigtes Glas eine rückläufige Branche ist (Guardian 2021). Massenproduzierte Formen für Glaskomponenten bestehen typischerweise aus Edelstahl oder Graphit, während Formen für kundenspezifische Glasobjekte typischerweise entweder durch Sandpressen oder Gips-Silikat-Formen hergestellt werden. Die Wahl des Formverfahrens hängt von der erforderlichen Präzision, Geometrie und der Produktionsanzahl der Teile ab, und das Formmaterial ist spezifisch für das verwendete Glasverarbeitungsverfahren. Beim Sandpressverfahren wird ein Holzmodell in eine Sand-Ton-Bentonit-Mischung gepresst, bevor es für den Sandmodellformprozess gegossen wird.

Bei der Wachsausschmelztechnik wird ein Wachs- oder Kunststoffpositiv manuell geformt oder CNC-gefräst, anschließend wird eine Gips-Silikat-Mischung um das Positiv gegossen (Feinberg 1983). Allerdings ist die Technik zeitaufwändig und mühsam, und die Glasoberfläche, die mit der Form in Kontakt kommt, führt zu einer rauen Oberfläche, die für ein transparentes Ergebnis eine Nachbearbeitung erfordert, was wahrscheinlich die Präzision des Glasobjekts beeinträchtigt. Während CNC-gefräste Stahlformen für großtechnische Anwendungen und hochpräzise Elemente mit hohen Losgrößen von großem Vorteil sind (Oikonomopoulou et al. 2018), sind sie für kleine Produktionszahlen zu teuer und teilweise in der geometrischen Komplexität begrenzt. Obwohl einige Mehrkomponenten-Stahlformen die Herstellung komplexer Teile ermöglichen, können sie bei komplexen Teilen keine Hinterschnitte erzeugen, da die Form nicht entfernt werden konnte.

1.2 Stand der Technik

Jüngste Entwicklungen nutzen den 3D-Druck von Kunststoff, um das Positiv für die Wachsausschmelztechnik herzustellen (Dudly 2019). Nach dem Schmelzen des Kunststoffs bleibt die Keramikform zurück und aus einem darüber platzierten Behälter wird Glas in den Hohlraum gegossen. Dieser Prozess kann zu präzisen Teilen führen, erfordert jedoch mehrere Schritte und eine Nachbearbeitung der rauen Glasoberfläche, um transparente Ergebnisse zu erzielen. In den letzten Jahren wurden mehrere schimmelfreie 3D-Druckverfahren für Glas entwickelt, darunter mikroskalige 3D-Druckverfahren wie das Drucken von transparentem Quarzglas (Kotz et al. 2017). Die Mediated Matter Group am Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat ein extrusionsbasiertes Verfahren zum Drucken optisch transparenter Glasobjekte mit einer Größe von bis zu 25 × 25 × 30 cm in einer beheizten Kammer entwickelt (Klein et al. 2015). Der direkte 3D-Glasdruck ist jedoch hinsichtlich Maßstab und Geometrie begrenzt und erfordert hochspezialisierte Ausrüstung und Fachwissen.

Die Glass and Transparency Group an der TU Delft erforscht die Verwendung von strukturellem und recyceltem Gussglas (Bristogianni et al. 2018) und hat im Rahmen einer Überprüfung verschiedener Glasformverfahren den ersten Proof of Concept für die Verwendung von 3D-gedruckten Sandformen vorgelegt (Oikonomopoulou et al. 2020). Die letztgenannte Forschung zeigt die Machbarkeit der Verwendung von 3D-gedruckten Sandformen und anorganischen Bindemitteln für den Glasguss im Ofen und die Verwendung von Beschichtungen zur Erzielung transparenter Endoberflächen für im Ofen gegossene Glasteile. Eine schwedische Forschungsgruppe hat außerdem die Verwendung von 3D-gedruckten Sandformen für den Glasguss untersucht. In diesem Zusammenhang hat die Gruppe Erkenntnisse zu Beschichtungen für den Gießereiglasguss gewonnen (Lundstedt et al. 2022). Darüber hinaus haben 3D-gedruckte Sandformen ihr Potenzial für Anwendungen im Baubereich für komplexe Strukturen aus Beton und Metall unter Beweis gestellt. Beispiele hierfür sind 3D-gedruckte Sandformen für Betonbauelemente (Jipa et al. 2017) und für von Arup entwickelte Gussmetallknoten (Galjaard et al. 2015).

3D-gedruckte Formen für Beton haben das Potenzial, hochauflösende komplexe Geometrien herzustellen, die mit direkten 3D-Druckverfahren nicht hergestellt werden können, und 3D-gedrucktes Sandformen für Gussmetall bietet erhebliche Kostenvorteile gegenüber direkt 3D-gedruckten Teilen. Generell sind 3D-gedruckte Sandformen für die Herstellung komplexer Teile mit kleinen Losgrößen und hohen Präzisionsanforderungen von Vorteil. Für Glas bieten 3D-gedruckte Sandformen ein einzigartiges Potenzial für die Herstellung komplizierter Geometrien mit Hinterschnitten, die mit Mehrkomponenten-Stahlformen aufgrund der Umschließung der Glasteile oder der Stahlform oder in Fällen, in denen Spuren von Segmentierungsnähten unerwünscht sind, nicht hergestellt werden können. In solchen Fällen können sie als Einwegform dienen, die durch Bruch entfernt wird. Darüber hinaus sind 3D-gedruckte Sandformen aufgrund der deutlich geringeren Kosten als Stahlformen äußerst vorteilhaft für Einzelteile, Prototypen oder kleine Losgrößen. Im Vergleich zu anderen Einwegformtechniken wie dem Wachsausschmelzverfahren haben 3D-gedruckte Sandformen mehrere Vorteile: Sie sind weniger arbeitsintensiv, hochpräzise und erfordern keine Nachbearbeitung des Glasteils.

1.3 Ansatz

Die Ziele dieser Forschung sind:

Diese Forschung erweitert die bestehende Forschung, indem sie ein breites Spektrum verschiedener Glasherstellungstechniken in Kombination mit 3D-gedruckten Sandformen untersucht. Ziel ist es, traditionelle Techniken mit den neuesten AM-Methoden zu verbessern und eine Reihe von Strategien für kundenspezifische Glasteile bereitzustellen. Insbesondere untersucht die Forschung, ob Glasofen- und Gießereiguss, Blasformen und Absacken mit 3DPM kompatibel sind, um eine zugängliche und präzise digitale Fertigungsmethode für kundenspezifische dreidimensionale Glasteile bereitzustellen. Das vorgeschlagene Verfahren reduziert den manuellen Arbeitsaufwand und die hohen Herstellungskosten und überwindet die Größenbeschränkungen von Direktglas-3D-Druckverfahren. Darüber hinaus geht das Papier auf die damit verbundenen Anforderungen für jeden dieser Prozesse und die Präzision der erzielten Ergebnisse ein und stellt Designrichtlinien für verschiedene Typologien vor. Es ist von entscheidender Bedeutung, die Herstellungsmethode für die beabsichtigten geometrischen Merkmale unter Berücksichtigung der für jede Herstellungsmethode spezifischen Einschränkungen auszuwählen. Glasguss eignet sich für massive Freiformobjekte, Blasformen für hohle Freiformobjekte und Absenken für doppelt gebogene Glasscheiben.

Um die Kompatibilität von 3D-gedruckten Sandformen mit verschiedenen Glasverarbeitungsmethoden zu untersuchen, werden vier verschiedene Methoden getestet, nämlich Gießerei- und Ofenglasguss, Blasformen und Absacken. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die untersuchten Glasverarbeitungsmethoden, einschließlich Verarbeitungstemperaturen, Formkontaktzeiten, Glastyp, Eingangsstufe und Ausgangstypologie. Im Folgenden wird der Begriff Typologie für die verschiedenen Arten von Glasteilen wie volumetrische Vollteile, volumetrische Hohlteile und doppelt gebogene Scheiben verwendet. Die wichtigsten Parameter, die in dieser Forschung für jede der vier Glasverarbeitungsmethoden in Bezug auf die Glasqualität und den Herstellungsprozess bewertet werden, sind:

Tabelle 1 Übersicht über Glasherstellungsmethoden und -aufbauten mit dreidimensional gedruckten Formen (3DPM) –Tisch in voller Größe

Glasqualitätsbezogene Bewertungsparameter:

Die Qualität der Oberflächenveredelung wird anhand der optischen Transparenz der Teile und der Glätte der resultierenden Oberfläche im Verhältnis zu den verschiedenen getesteten Beschichtungen überprüft. Die Möglichkeit der Wiederverwendung der Form wird anhand der wiederholten Verwendung der Form überprüft. Die Präzision wird durch 3D-Scannen der Formen und Glasteile überprüft. Die geometrischen Einschränkungen werden durch iterative Tests und digitalen Vergleich mittels 3D-Scanning untersucht. Die Kosten und die Zeit für die Formenherstellung werden anhand der vom Dienstleister bereitgestellten Zeiten und Kosten sowie durch Messung der Bearbeitungszeiten während Experimenten überprüft.

Alle Experimente werden mit Sandformen durchgeführt, die von ExOne mittels Binder Jetting und anorganischem Natriumsilikat-Binder gedruckt wurden (ExOne 2022). Alle hergestellten Formen werden in einem Stück gedruckt. Zu den Beschichtungsmaterialien, die zur Erzielung optisch transparenter Oberflächeneigenschaften getestet wurden, gehören wasserbasierte und alkoholbasierte Beschichtungen. Eine Übersicht über die konkret eingesetzten Beschichtungsprodukte finden Sie in Abschn. 3.2.1 in Tabelle 4. Vor der Durchführung der Experimente werden die Formen bei einer Temperatur von 200 °C getrocknet, um ein Versagen durch in den Formen eingeschlossene Feuchtigkeit zu vermeiden. Für alle Versuche wird Kalknatronglas verwendet. Die Brennversuche werden in einem Nabertherm GF600 Glasofen durchgeführt (Nabertherm 2021). Um die Präzision von Formen und Glasteilen zu untersuchen, werden diese mit dem GOM ATOS CORE 300 Scanner mit einer Scangenauigkeit von 10–20 µm 3D-gescannt. Vor dem Scannen werden Glasproben mit einem Scanspray namens AESUB Blue (3D Ware 2021) besprüht, um Streueffekte unter der Oberfläche in den gescannten Daten zu vermeiden. Der Datenabgleich wird mit der Software GOM Inspect durchgeführt.

Tabelle 2 bietet einen Überblick über alle in dieser Forschung durchgeführten Experimente, einschließlich der verwendeten Glasverarbeitungsmethode und -anordnung, der Formgeometrie, des Glasvolumens, der aufgetragenen Beschichtungsprodukte, der Anzahl der getesteten Proben und des Glüh- oder Brennplans. Für jede Glasverarbeitungsmethode sind unterschiedliche Verarbeitungsviskosität und -temperatur erforderlich, was zu unterschiedlichen Anforderungen für jeden Formprozess führt.

Tabelle 2 Übersicht über die im Rahmen dieser Forschung durchgeführten Experimente –Tisch in voller Größe

3.1 Herstellung von Formen

Dieser Abschnitt bietet einen Überblick über die derzeit auf dem Markt erhältlichen Binder-Jetting-Systeme und untersucht deren Eignung für den Glasguss. Sie sind nach Bindemitteltyp, Unternehmen, Gussanwendung, Temperaturbeständigkeit und Emissionen bei Hitze kategorisiert (Tabelle 3). Das Binderjetting von Quarzsand ermöglicht die Herstellung von 3D-gedruckten Teilen mit hoher geometrischer Komplexität und hoher Genauigkeit (Voxeljet 2022). In einem automatisierten Prozess wird loser Quarzsand mit einer Körnung von 130 µm verteilt und lokal gebunden, indem schichtweise ein 2D-Muster aus Bindemittel gedruckt wird. Der Vorteil von Binder-Jetting-Methoden besteht darin, dass eine erhöhte geometrische Komplexität keinen zusätzlichen Zeitaufwand für die Herstellung der Form verursacht. Der 3D-Scan eines 15 × 15 × 10 cm großen Drucks (Abb. 1) zeigt, dass eine hohe Präzision von weniger als 0,25 mm Abweichung vom digitalen 3D-Modell erreicht werden kann (vergleiche Abb. 8 in Abschn. 4.2). Für den industriellen Guss von Freiform-Metallteilen hat sich der Einsatz organischer Bindemittel beim Binder-Jetting von Sandformen etabliert. Phenol und Furan können jedoch beim Gießen Dämpfe abgeben, wenn organische Inhaltsstoffe verbrennen (Showman und Scheller 2015).

Daher sind organische Bindemittel von den folgenden Experimenten ausgeschlossen, da sie spezielle Belüftungssysteme für Öfen und den Schutz des Personals in der Forschungseinrichtung und Gießerei erfordern. Derzeit neu auf dem Markt erhältliche anorganische Binder-Jetting-Lösungen stellen eine vielversprechende Alternative zu organischen Binder-Jetting-Systemen dar, da sie für den Hochtemperaturguss geeignet sind und ein emissionsfreies Gießen ohne Verbrennung organischer Bestandteile beim Gießen ermöglichen (ExOne 2022). Bei anorganischen Bindemitteln erweichen die Bindemittelstrukturen bei Temperaturen zwischen 550 und 700 °C. Bei furanhaltigen Bindemitteln beginnt die Erweichung zwischen 550 und 675 °C. Bei phenolischen Bindemitteln beginnt die Erweichung tendenziell etwas höher. Der Erweichungsprozess kann jedoch durch die Verwendung spezieller Sande, wie z. B. Cerabeads, verzögert werden.Fußnote1 Da für den Glasgießereiguss Temperaturen von ca. 1200 °C und für den Ofenguss 900 °C erforderlich sind, sind die Formen deutlich höheren Temperaturen ausgesetzt. Im Bereich der anorganischen Bindemittel-Jetting-Systeme sind derzeit Wasserglas, auch Natriumsilikat-Bindemittel genannt, und anorganisches zementäres Bindemittel auf dem Markt und werden getestet.

Erste Tests mit zementhaltigem Bindemittel von Concr3de ​​(ConCr3de 2022) führen aus unbekannten Gründen zum Sieden des Glases beim Gießen, während Natriumsilikat-Bindemittel dem Gieß- und Glühprozess ohne strukturelles Versagen der Form oder Gasentwicklung standhält. Während kleine Druckvolumina fehlerfrei gedruckt werden können, weisen Vollvolumina mit einer Größe von 45 × 45 × 25 cm Spannungsrisse auf, die durch den Aushärtungsprozess nach dem Drucken entstehen. Um dieses Problem zu mildern und das Druckvolumen zu reduzieren, sind Hohlräume in die Geometrie integriert. Trotzdem kommt es immer wieder zu Spannungsrissen. Der Rissbildungsprozess bei größeren Teilen mit einer Abweichung von ± 0,4 % und einer Standardschicht von 280 µm kann durch die Verwendung spezieller Sande wie Cerabeads erfolgreich verzögert werden, so dass Teile mit der Größe 45 × 25 cm erfolgreich gedruckt werden können.

Tabelle 3 Sandbindemittel-Sprühsysteme –Tisch in voller Größe

3.2 3DPM-Glasguss

In diesem Abschnitt wird die Machbarkeit der Verwendung von 3DPM-Formen für den Glasguss in Gießereien und Brennöfen untersucht.

3.2.1 Formbeschichtung

Um optisch transparente Glasabgüsse mit glatten Oberflächen herzustellen und eine einfache Entformung zu ermöglichen, ist eine Beschichtung der Form erforderlich. Es wird nicht empfohlen, das Glas für eine bessere Oberflächenqualität nachzubearbeiten, da Schleifen oder Schneiden sehr arbeitsintensiv ist und das Teil strukturell schwächen kann. Anforderungen an Beschichtungen für den Glasguss sind:

Tabelle 4 bietet einen Überblick über alle für den Ofen- und Gießereiglasguss getesteten Beschichtungen, ihre angegebene Temperaturbeständigkeit, Auftragungsmethode, Form- und Prozesskompatibilität und die daraus resultierenden Glasoberflächeneigenschaften. Beschichtungen werden basierend auf ihrer angegebenen Temperaturbeständigkeit entweder im Ofen oder im Gießereiguss getestet. Erste Ofengussversuche ohne Formbeschichtung (Abb. 3a) und mit pulverbasierten Trennmitteln (Abb. 3b) führen zu opaken Oberflächen von Glasobjekten. In der ersten Phase der Beschichtungsforschung werden wasserbasierte Keramik- und Betonbeschichtungen auf ihre Verträglichkeit mit der anorganisch gebundenen Sandform untersucht. Wasserbasierte Beschichtungen lösen jedoch den Druck auf oder verursachen Oberflächenrisse der Form, was zu Flecken im Gussglas führt (Abb. 3c).

Im nächsten Schritt wurden handelsübliche Hobbybeschichtungsmaterialien für den Ofenguss getestet, darunter pulverbasierter Paragon Glass Separator Dry (Abb. 3b), Bodmer Casting Slip Porcelain C40 (Abb. 3c), Bullseye Shelf Primer und Bornitrid Aerosol 3M Spray (als zweite Schicht aufgetragen) (Abb. 3d). Das pulverbasierte Trennmittel Paragon Glass Separator Dry führte zu undurchsichtigen Abgüssen ohne aufgetragene Beschichtung oder Trennmittel (Abb. 3a). Bullseye Shelf Primer hinterlässt undurchsichtige Flecken auf der Glasoberfläche (Abb. 3d). Aufgrund der mangelnden Transparenz der ersten Ergebnisse werden Natriumsilikatbeschichtungen und nichtwässrige Hochtemperaturbeschichtungen auf Alkoholbasis Zirkofluid®6672 und Zirkofluid®1219 für den Ofenguss (Abb. 3f) und für den Gießereiguss (Abb. 3g) getestet. . Im Gegensatz zu wässrigen Beschichtungen haben alkoholbasierte Beschichtungen den Vorteil, dass sie den Natriumsilikat-Binder nicht lösen.

Zirkofluid®6672 und Zirkofluid®1219 sowie die Natriumsilikatlösung werden im Tauchbeschichtungsverfahren aufgetragen (Abb. 2), um ein gleichmäßig dickes Beschichtungsergebnis zu erzielen. Durch die Natriumsilikatbeschichtung entstehen optisch transparente, präzise Glasteile, die körnige Oberfläche der Sandform wird jedoch auf den Guss übertragen (Abb. 3e). Zirkofluid®6672 und Zirkofluid®1219 ergeben optisch transparentes Glas mit glatten Oberflächeneigenschaften für den Ofenguss bei 900 °C (Abb. 3d). Beim Gießguss mit Zirkofluid®-Beschichtung ergeben sich transparente, jedoch leicht milchige Oberflächeneigenschaften (Abb. 3g). Vor dem Auftragen wird die Beschichtung mit 25 Prozent Isopropanol verdünnt, um eine geeignete Viskosität für den Tauchbeschichtungsprozess bereitzustellen. Der Prozess besteht darin, die Beschichtung in die Form zu gießen und sie nach 13 Sekunden zu entfernen, um eine Zieldicke von etwa 50 µm zu erreichen. Die resultierende Nassdicke der Beschichtung wird mit einem Dickenmessgerät gemessen und kann nach Wunsch angepasst werden. Der Alkoholgehalt muss verdunsten oder verbrannt werden, bevor der Gießvorgang eingeleitet wird. Nach verschiedenen Tests wurde festgestellt, dass diese Schichtdicke zu der besten Oberflächenbeschaffenheit des Glases führt und gleichzeitig die geometrischen Eigenschaften der Form beibehält.

Tabelle 4 Geprüfte Formbeschichtungen: Resultierende Proben in Abb. 3 -Tisch in voller Größe

Um das Problem der milchigen Oberfläche von Gießereigussglasteilen anzugehen, wird eine zusätzliche Schicht einer Graphit-Wasser-Dispersion namens Bonderite® LGP (Silitech 2022) getestet und auf die Zirkofluid®-Beschichtung gesprüht, was zu glatten, optisch transparenten Glasteilen führt ( Abb. 3h und 5e, d). Graphitschmierstoffe werden üblicherweise beim Gießereiguss von Metall bei hohen Temperaturen verwendet und sind aufgrund ihrer hervorragenden Trenneigenschaften vorteilhaft (Fuchs 2022). Nach Angaben des Herstellers wurde mittels thermogravimetrischer Analyse untersucht, dass der verwendete Graphitschmierstoff Bonderite® bei etwa 600 °C zu verbrennen beginnt.Fußnote2 Obwohl die Gusstemperatur mit 1200 °C deutlich höher liegt, sind die Oberflächeneigenschaften des Gussteils vollständig optisch transparent (Abb. 4). Es ist davon auszugehen, dass die Temperatur an der Kontaktfläche der Form deutlich unter der Gießtemperatur liegt und unter der Temperaturgrenze des Produkts von 600 °C bleibt. Weitere Faktoren, die die Leistung des Graphitsprays beeinflussen, sind die Abkühlgeschwindigkeit des Glases beim Gießen, die Sauerstoffzufuhr aus der Umgebung und der Abtransport des CO2 durch die Öffnungen und Poren der Form. Weitere Untersuchungen dieser Parameter sind erforderlich.

3.2.2 Gießereiglasguss

Beim Gießerei-Glasgussverfahren, auch Heißgießen genannt, wird geschmolzenes Glas vom Kunsthandwerker mit einer Gießpfanne in die Form gegossen. Abbildung 4 zeigt das resultierende transparente, im Ofen gegossene Glasteil, das nach dem Glühen aus der 3D-gedruckten Form entfernt wurde. Die Gießtemperaturen variieren bei Kalknatronglas zwischen 1100 und 1400 °C, abhängig von der Viskosität, die das Glas benötigt, um zu fließen und die Form zu füllen. Vor dem Gießen sollte die Form gründlich getrocknet werden und es darf keine Feuchtigkeit in den Poren eingeschlossen sein, da Feuchtigkeit während des Gießvorgangs und im Gussglas zur Bildung von Luftblasen führen kann. Bei dem Glas handelt es sich um eine Analyse, bei der das Graphitschmiermittel Bonderite® verwendet und dann mit einer Schöpfkelle in die Form gegossen wurde (Tabelle 1A). Nachdem das Glas in die Form gegossen wurde, wird es für den Glühvorgang in den Ofen gestellt, der erforderlich ist, um innere Spannungen aus dem Glas abzubauen (Abb. 5b).

Die Glühzeiten können je nach Glasvolumen und -geometrie erheblich variieren und von mehreren Stunden bei kleinen Teilen bis zu einem Jahr bei großen Teilen reichen (Oikonomopoulou et al. 2018). Tabelle 5 (Glühplan A) zeigt den spezifischen Glühplan, der für Gießereiguss angewendet wird. Zirkofluid®6672, Zirkofluid®1219 und Natriumsilikatbeschichtung verursachen im Gießereigussprozess keine Emissionen oder Dämpfe. Mit Natriumsilikat beschichtete Formen ergeben optisch transparente Ergebnisse mit einer körnigen Oberflächenstruktur aus dem Sand (Abb. 3f). Mit Zirkofluid®6672 und Zirkofluid®1219 beschichtete Formen erzeugen transparente, aber milchige Oberflächeneigenschaften (Abb. 3g). Abbildung 5c ​​zeigt das Ergebnis einer unbeschichteten Form (links) und einer mit Zirkofluid beschichteten Form (rechts).

Tabelle 5 Glüh- und Brennpläne –Tisch in voller Größe

Um die Oberflächeneigenschaften des Glases weiter zu verbessern, wird eine zusätzliche Beschichtung mit der Graphit-Wasser-Dispersion Bonderite® L-GP aufgetragen (Abb. 5d) und sorgt für vollständig transparente, glatte Oberflächeneigenschaften (Abb. 5e).

3.2.3 Glasguss im Ofen

Für den Glasgussprozess im Ofen werden Glasnuggets in einen Keramikbehälter gegeben und in einer darunter platzierten Form bei einer Spitzentemperatur von 900 °C geschmolzen (Abb. 5c). Tabelle 5 (Glühplan B) zeigt den spezifischen Glühplan, der für Gießereiguss angewendet wird. Wird die Sandform nicht beschichtet, haften die Sandkörner an der Oberfläche des Glasgusses (Abb. 3a). Paragon Glass Separator erzeugt ebenfalls undurchsichtige Oberflächeneigenschaften (Abb. 3b), und Bodmer Slip Casting Porcelain führt aufgrund der Schrumpfung des Materials zu Rissen in der Form, die Spuren in der Form hinterlassen (Abb. 3c). Zirkofluid®6672, Zirkofluid®1219 sind geeignete Beschichtungen für den Ofengussprozess und führen zu transparenten, jedoch leicht milchigen Oberflächeneigenschaften (Abb. 3d).

3.3 3DPM Glasbläserei

Beim Glasblasen entnimmt der Handwerker eine Charge geschmolzenes Glas aus dem Gießereiofen, formt daraus eine Glaskugel und bläst diese auf, indem er Luft durch ein Rohr in die Glascharge bläst (Abb. 6a). Der aufgeblasene Glasballon wird in die Form gelegt und weiter aufgeblasen, bis er die Wände der Form berührt (Abb. 6b). Für Geometrien ohne Hinterschneidungen kann das geblasene Glas sofort entnommen und für den Glühprozess in den Ofen gegeben werden. Traditionell werden für Geometrien mit Hinterschneidungen Holzformen verwendet, aber auch 3D-gedruckte Sandformen eignen sich, da sie den Glühprozess im Ofen überstehen. Tabelle 5 (Glühplan A) zeigt den spezifischen Glühplan, der für mundgeblasene Glasteile in der Gießerei angewendet wird. Abhängig vom Volumen des Glasteils kann die Wandstärke zwischen 3 und 20 mm variieren, mit leicht erhöhten Wandstärken in den Ecken.

3DPM-Blasglas hat optisch transparente Eigenschaften und ist eine effiziente Technik zur Herstellung hohler und leichter Glasteile (Abb. 6c). Für optisch transparente Ergebnisse ist keine Beschichtung erforderlich. Dies hängt höchstwahrscheinlich mit der kurzen Kontaktzeit von weniger als einer Minute mit der Form zusammen. Bei höheren Temperaturen können auf der Formkontaktseite des Glases geringfügige Spuren von Sandkörnern auftreten. In Fällen, in denen eine perfekte Glätte erforderlich ist, können kleinere Spuren jedoch durch die Zirkofluid®-Beschichtung beseitigt werden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Blasformtests wurden ohne Beschichtung durchgeführt, weitere Tests haben jedoch die Eignung der Zirkofluid®-Beschichtung für das Blasformen experimentell nachgewiesen.

3.4 3DPM-Glas sackt ab

Der Absetzvorgang ermöglicht die Umformung einer flachen Floatglasscheibe in eine doppelt gekrümmte Glasfläche. Eine flache Glasscheibe wird auf die Form im Ofen gelegt (Abb. 7a) und durch die Schwerkraft auf die 3D-gedruckte Sandform geformt. Abbildung 7c zeigt die resultierende Krümmung bei 30x48cm großen Glasscheiben und 7b die doppelte Krümmung aus der Nähe. In dieser Untersuchung werden zwei verschiedene Spitzentemperaturen getestet, um die Grenzen von zusammengesacktem, doppelt gekrümmtem Floatglas zu ermitteln. Tabelle 5 zeigt die beiden Glühpläne, die für das Absacken bei 675 °C (Glühplan C) und bei 800 °C (Glühplan D) angewendet wurden. Für optisch transparente Ergebnisse ist bei diesem Verfahren keine Beschichtung erforderlich, da das gesunkene Glas bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von 675–800 °C mit geringerer Glasviskosität als beim Gießverfahren verarbeitet wird. Dadurch verschmilzt der Sand nicht mit der Glasscheibe. Bei höheren Temperaturen kann es auf der Formkontaktseite der Glasscheibe zu geringfügigen Strukturen aufgrund des körnigen Sandes kommen.

Wenn solche geringfügigen Spuren jedoch unerwünscht sind und eine perfekte Glätte erforderlich ist, können sie durch die Verwendung einer Zirkofluid®-Beschichtung vollständig beseitigt werden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Absetztests wurden ohne Beschichtung durchgeführt, weitere Tests haben jedoch experimentell die Eignung der Zirkofluid®-Beschichtung zum Absinken nachgewiesen. Um die geometrischen Einschränkungen von doppelt gekrümmtem Glas zu untersuchen, wurden Formgeometrien mit unterschiedlichen Krümmungsintensitäten getestet. Ergebnisse und Prozessparameter werden in Kap. 4.3. Da eine Wiederverwendung der Form wünschenswert ist, wurde die Stabilität der Form über mehrere Wiederholungen hinweg getestet. Während die Formen in der ersten Iteration des Prozesses völlig stabil bleiben, zeigen sie in der zweiten Iteration Risse und Brüche an den Spitzen der Geometrie und in der dritten Iteration des Prozesses gebrochene Ecken. Der Bruch wird hauptsächlich durch mechanische Krafteinwirkung auf die Form und das Erweichen des Bindemittels verursacht.

4.1 Typologien

In diesem Absatz werden die wichtigsten Aspekte zusammengefasst, die bei der Gestaltung von 3DP-Formen für die Glasherstellung zu berücksichtigen sind. Die Methode sollte im Hinblick auf die gewünschten Gestaltungsmerkmale und Typologie gewählt werden. Glasguss eignet sich für massive Objekte, Blasformen für hohle Objekte und Absenken für doppelt gebogene Glasscheiben. Tabelle 6 bietet einen Überblick über die Typologien, die mit den vorgestellten Methoden hergestellt werden können, sowie Informationen zu den Designaspekten, die im Hinblick auf Größenbeschränkungen, geometrische Einschränkungen sowie Formgeometrie und -abmessungen zu berücksichtigen sind. Bei den Einschränkungen und Dimensionen handelt es sich eher um Empfehlungen, die aus praktischen Erfahrungen und systembedingten Einschränkungen abgeleitet sind, als um strategische experimentelle Tests. Massive Freiformglasteile, die mit 3DPM-Glasguss hergestellt werden, sind auf die Ofengröße beschränkt, in der das Glas für den Glühprozess platziert werden kann. Eine Vergrößerung des Volumens kann die Glühzeiten für massive Gussglasteile erheblich verlängern. Die Wandstärken der Form müssen im Verhältnis zum spezifischen hydrostatischen Druck in der Form definiert werden.

Formen unter 15 × 15 × 10 cm Größe und 20 mm Dicke blieben während der Experimente stabil, während Formen über 25 × 25 × 25 cm Größe zerbrachen und mit einem Metallstützkasten gegossen werden mussten. Für den Glasguss komplexer Formen ist eine gezielte Viskositätskalibrierung erforderlich. Weitere Arbeiten könnten die spezifischen Kriterien durch Experimente untersuchen. Bei der Herstellung hohler Freiformteile beim 3DPM-Glasblasen ist die Teilegröße auf die Blasengröße begrenzt, die der Handwerker oder die Maschine herstellen kann. Damit die Glasblasen eindringen können, ist ein oberer Einlass erforderlich. Enge Spalten oder spitze Geometrien stellen eine Herausforderung dar, während die Oberflächenkontinuität beim Glasblasen von Vorteil ist. Die einmalige Wiederverwendung für nicht umschlossene Glasteile gelang in Versuchen; Zur Schimmelentfernung ist jedoch eine Segmentierung erforderlich. Auch für die Herstellung von doppelt gebogenen Glasteilen mittels 3DPM-Slumping ist die Größe auf die Ofengröße beschränkt. Die Druckerei empfiehlt, dass die Segmente eine Größe von 45 × 45 × 25 cm nicht überschreiten sollten, da es bei den Tests zu Spannungsrissen kam und Teile beim Herausnehmen aus der Druckbox brechen könnten. Im Setzverfahren können keine Hinterschnitte erzeugt werden, enge Krümmungen sind möglich. Die spezifischen Einschränkungen für Doppelkrümmungen werden in Abschn. 2.1 untersucht. 4.3.

Tabelle 6 3DPM-Glastypologien –Tisch in voller Größe

4.2 Präzisionsgrad

In diesem Abschnitt wird die Präzision der Form und der gegossenen, geblasenen und gesunkenen Glaselemente im Vergleich zum digitalen Eingabemodell untersucht.

Formpräzision Um die Präzision der gedruckten Formen in verschiedenen Phasen des Herstellungsprozesses zu ermitteln, wurden die Formen vor dem Beschichten (Abb. 8a), nach dem Beschichten (Abb. 8b) und nach dem Brennen mit dem GOM ATOS CORE 300-Scanner in 3D gescannt ( Abb. 8c). Abbildung 8 zeigt die Abweichungen vom digitalen Modell entlang des Prozesses. Die 3D-gedruckte Sandform ist exakt mit Abweichungen von < 0,25 mm zum digitalen Modell. Nach dem Auftragen der dünnen Schicht von 50 µm weicht die Geometrie weniger als 0,25 mm vom digitalen Modell ab. Nach dem Brennen weist die Form entlang der scharfen Kanten und Außenflächen einige Verformungen mit einer Abweichung von < 0,75 mm auf.

Ofen- und Gießereiguss Scans der Teile zeigen, dass Ofen- und Gießereigussglas mit hoher Präzision mit weniger als 1 mm Abweichung im Oberflächenbereich hergestellt werden kann (Abb. 9a und b). Allerdings weist das Gießereigussglas größere Abweichungen von < 5 mm an brüchigen Kanten auf (Abb. 9a). Im Ofen gegossenes Glas führt zu einer höheren Präzision mit einer Abweichung von < 1,5 mm entlang des gesamten Teils (Abb. 9b).

Blasformen Beim Blasformen wird eine hohe Präzision von < 1 mm in Bereichen erreicht, in denen das Glas beim Aufblasen die Form sofort berühren kann. Durch Lücken oder Kerben kann das geblasene Glas jedoch nicht vollständig eindringen, was zu Abweichungen von bis zu 5 mm vom 3D-Modell führt (Abb. 9c).

Slumping Die Präzision der mit dem Slumping-Verfahren erzielten Ergebnisse hängt stark von der Wärmekurve und der Intensität der Krümmung ab. Scans identifizieren eine hohe Präzision an Kipppunkten der Geometrie und maximale Abweichungen von 9 mm in den Tälern (Abb. 10). Bei Spitzentemperaturen von 675 °C (Brennschema C) wurden in den Formtälern Abweichungen von 6 mm gemessen. Bei Spitzentemperaturen von 800 °C (Brennschema D) wurden in den Formtälern Abweichungen von 9 mm gemessen. Maximale Abweichungen wurden an den Kanten der Form beobachtet, als das Glas bei einer Spitzentemperatur von 800 °C von den Kanten in die Täler der Geometrie gezogen wurde. Die Kontrolle der Kanten stellt eine besondere Herausforderung beim Glasabsacken dar. Bei den Brennkurven bei 800 °C schwankte die Glasdicke erheblich, was zu brüchigem, gestrecktem Glas an den Spitzen der Geometrie führte, während bei den 675 °C-Tests die Dicke nicht wesentlich schwankte.

4.3 Geometrische Freiheiten und Einschränkungen

Über den Überblick über typologiespezifische geometrische Freiheiten und Einschränkungen hinaus untersucht dieser Abschnitt die geometrischen Freiheiten und Einschränkungen von zusammengesunkenem Glas anhand von Experimenten. Nach unserem Kenntnisstand gibt es keine standardisierte Methode zur Bestimmung der geometrischen Freiheit. Aufgrund des Mangels an verfügbaren Methoden konzentriert sich dieser Abschnitt auf die Untersuchung der geometrischen Einschränkungen von zusammengesacktem Glas, die durch unterschiedliche Krümmungsintensitäten auf relevante Weise untersucht werden können. Beim Glasgießen und -blasen sind die Anforderungen komplexer und der Umfang solcher Untersuchungen würde eine gesonderte Veröffentlichung erfordern. Daher wurden die folgenden Faktoren untersucht, da diese eine gute Vergleichbarkeit und praxisrelevante Beurteilung von Slumpglas ermöglichen.

Zur Untersuchung der Krümmungsbeschränkungen des Flachglasabsackens wurden drei Formen mit doppelter Krümmung und unterschiedlichen Wellenlängen (Abb. 11) rechnerisch entworfen und entlang zweier unterschiedlicher Wärmekurven mit 675 °C (Brennplan C) und 800 °C Spitzentemperatur getestet ( Brennplan D). Während die breitere Krümmung (Abb. 11a, c) mit beiden Wärmekurven erreicht werden kann, kann eine steilere Krümmung (Abb. 11b, d) nur mit höherer Setztemperatur erreicht werden. Bei der stärkeren Krümmung bleibt die Glasscheibe trotz einer leichten Verformung bei 675 °C nahezu flach (Abb. 11b). Um die geometrischen Freiheiten und Einschränkungen des gegossenen und geblasenen Glases experimentell zu testen, wären eine Reihe von Tests erforderlich, die über den Rahmen dieser Übersichtsarbeit hinausgehen. Die Entwicklung einer Reihe standardisierter Tests, die die Komplexität der geometrischen Einschränkungen des Glasgusses berücksichtigen können, könnte eine parameterbasierte Konstruktion der Form unabhängig von der Erfahrung der Praktiker ermöglichen.

4.4 Mögliche Herausforderungen

Beim Glasformungsprozess können für jede Methode spezifische Komplikationen auftreten, die zu Defekten im Glasartefakt führen können, wie zum Beispiel:

Glasguss

Glasbläserei

Zusammenbrechend

4.5 Kosten und Zeit für die Formenherstellung

3D-gedruckte Sandformen bieten einen erheblichen wirtschaftlichen Zeit- und Kostenvorteil gegenüber CNC-gefrästen Stahlformen für kleine Losgrößen und anderen Einwegformtechniken wie dem Wachsausschmelzverfahren. In diesem Abschnitt werden die Kosten und die Zeit für die Herstellung der in dieser Forschung verwendeten Formen zusammengefasst. Die Kosten für eine 3D-gedruckte Sandform als Industriedienstleistung betragen ca. 5 Euro/LiterFußnote3, es fallen keine weiteren Kosten für die Verarbeitung der Form selbst an. Die Kosten werden auf der Grundlage des benötigten Druckraumvolumens berechnet, nicht auf der Grundlage des gebundenen Sandvolumens. Konkret ergeben sich Kosten von etwa 12 Euro für die 15 × 15 × 10 cm (2,25 Liter) großen Formen mit konvexer Wölbung, 1,50 Euro für die kleinen 7 × 7 × 6 cm (0,3 Liter) großen Formen für 50 mm große Glaskugeln und ca. 72 Euro für die doppelt gebogenen Formen 30 × 48 × 10 cm (14,4 Liter) Form.

Der anorganische Binder-Jetting-Prozess dauert neun Stunden pro Druckkasten mit einem Volumen von 180 × 100 × 40 cm (720 Liter), wobei eine zusätzliche Stunde zum Aushärten der Beschichtung von 2 m2 Formoberfläche bei einer angenommenen Beschichtungsdicke von 50 µm bei Verdünnung mit Ethanol erforderlich ist. Der Zeitaufwand für den Tauchlackierungsprozess ist kurz, es muss jedoch mit einem Trocknungsprozess von ca. zwei Tagen gerechnet werden, in dem die Beschichtung trocknen kann und der Alkohol verdunsten kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass 3D-gedruckte Sandformen einen kostengünstigen und zeitsparenden Formansatz für Glas bieten.

In diesem Abschnitt werden die Schlussfolgerungen dieser Forschung vorgestellt. Tabelle 7 gibt einen Überblick über die Ergebnisse pro Herstellungsverfahren.

Tabelle 7 Übersicht der Ergebnisse pro Herstellungsverfahren –Tisch in voller Größe

Die allgemeinen Schlussfolgerungen der vorgestellten Forschung sind:

Die glasqualitätsbezogenen Schlussfolgerungen der vorgestellten Forschung sind:

Die herstellungsprozessbezogenen Schlussfolgerungen der vorgestellten Forschung sind:

Digitales Glas: Die direkte additive Fertigung (AM) von Materialien hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht, insbesondere bei Pasten und zementären Materialien. Allerdings stecken digitale Herstellungsmethoden für das Glas aufgrund der schwierigen Verarbeitung des Materials noch in den Kinderschuhen [Giesecke et al. 2022]. Dieses Papier bietet eine indirekte Anwendung von AM für Glas, die mit traditioneller Handwerkskunst kompatibel ist, um neue Möglichkeiten für die Herstellung von digital gefertigtem Glas zu eröffnen.

Neuartiger Gestaltungsraum für Glas und mögliche Anwendungen: Die vorgestellten Methoden eröffnen neue Möglichkeiten für die Glasherstellung in verschiedenen Maßstäben und Anwendungen. Diese neuen Möglichkeiten stehen Glasherstellern, Designern, Architekten und Ingenieuren zur Verfügung, um Prototypen hochwertiger kundenspezifischer Glasteile mit neuartigen geometrischen und optischen Eigenschaften zu erstellen. Einsatzgebiete für dreidimensional geformte Glasteile könnten Designteile, Ziegel und Fensterscheiben sowie Fassadenelemente sein.

Zukünftige Arbeit: Zukünftige Forschungen könnten die geometrischen und maßstabsgetreuen Einschränkungen der vorgestellten Techniken untersuchen. Dies könnte möglicherweise die Untersuchung der geometrischen Einschränkungen beim Glasgießen und Blasformen umfassen. Um ein allgemeines Regelwerk für alle in dieser Forschung vorgestellten Methoden abzuleiten, sind eine Reihe von Tests erforderlich, um deren Komplexität zu berücksichtigen und die Vergleichbarkeit mit anderen Methoden sicherzustellen. Strategische Tests zum hydrostatischen Druck in Formen und deren Stabilität beim Gießen zur Ableitung von Wandstärken könnten die evidenzbasierte Konstruktion von Formen ermöglichen. Darüber hinaus könnten zukünftige Arbeiten Mehrkomponentenformen, die Herstellung von Bauteilen für die Montage in großem Maßstab und deren strukturelle Leistung untersuchen. Diese Schritte könnten neue geometrische, strukturelle und dekorative Merkmale in der Glasarchitektur ermöglichen.

Die Autoren danken Andreas Müller und Leonard Stöckle von ExOne Deutschland, Holger Barth, David Hein, Julian Bernhardt und Dr. Christian Lustig von der Hüttenes-Albertus-Gruppe für die technische Unterstützung, Eduardo Arabiano und Robert Niederer von der Glasgießerei Hergiswil für die Unterstützung diese Forschung. Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung von Andreas Reusser, Heinz Richner und Lex Reiter vom Lehrstuhl für Physikalische Chemie der Baustoffe, Dr. Falk Wittel vom Lehrstuhl für Computational Physics for Engineering Materials und Robert Presl vom Institut für Geodäsie und Photogrammetrie ETH Zürich.

Open-Access-Förderung durch die Eidgenössische Technische Hochschule Zürich.

Autoren und Zugehörigkeiten

Architecture, Digital Building Technologies, ETH Zurich, Stefano-Franscini-Platz, CH-8093, Zurich, Switzerland - Rena Giesecke & Benjamin Dillenburger

Korrespondierender Autor

Korrespondenz mit Rena Giesecke.