超薄玻璃原型制作的进展



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本文提出了在外墙中使用超薄玻璃的系统概念和制造方法。

它记录了团队对超薄玻璃的研究,从 2017 年的雕塑到 20​​18 年和 2019 年的展馆开发。探索包括原型开发、切割方法、层压技术和超薄玻璃特有的连接。

介绍

超薄玻璃包括厚度在1-2mm以下的玻璃。因此,它非常灵活。例如,0.1 毫米厚的超薄玻璃会像普通纸一样弯曲,而普通纸的厚度通常也为 0.1 毫米。超薄玻璃是通过“Draw Down”[1] 或“Fusion Draw”[2] 生产的。这些在 60 年代开发的工艺包括在将玻璃卷成线轴之前垂直拉伸玻璃。超薄玻璃通常采用 1.3m 宽、300m 长的线轴。

主要供应商是康宁、AGC和肖特。除非另有说明,本研究使用的超薄玻璃产品为康宁的 Willow Glass。它由厚度为 0.1 和 0.2 毫米的无碱硼硅酸盐制成。目前市场上,超薄玻璃的应用包括汽车内饰玻璃、消费电子、液晶显示技术、电动晶圆和内饰建筑玻璃。

在大多数应用中,玻璃安装在基板上。例如,具有小热负荷的室内建筑应用允许粘合不同热膨胀系数 (CTE) 的材料,例如铝或木纤维板 (MDF)。对玻璃进行层压以确保其在构建环境中使用时的破碎后冗余至关重要,因为它会破碎成大碎片,类似于退火玻璃。

超薄玻璃在立面中的潜力包括轻质双层表皮、改造、弯曲立面或具有多个空腔的中空玻璃单元 (IGU)。此外,使用 300m 线轴的玻璃材料的潜力是深不可测的。

冷弯玻璃是在室温下使玻璃弹性变形的过程,与热弯相反,热弯是在高温下使玻璃坍塌。冷弯玻璃的形状需要通过连接来保持:如果移除连接元件,玻璃会弹回,完全恢复其原始平整度。许多项目使用冷弯玻璃面板,例如纽约的 IAC 总部、斯特拉斯堡火车站或伦敦的黑衣修士一号塔。

对于这些项目中的每一个,固定玻璃的组件,无论是支撑结构、确保剪切传递的夹层,还是 IGU 框架的密封,都必须设计成能够承受取决于弯曲刚度的高回弹力玻璃系统。由于其很薄,扁平超薄玻璃的刚度很小,因此冷弯时的回弹力非常低。此外,曲面玻璃增加了几何刚度,从而提高了可维护性。

此处讨论的研究主题受到 Pennetier 2017 年雕塑项目超薄玻璃研究进展的启发 [3]。该雕塑高 700 毫米,平面尺寸为 750 x 750 毫米。它展示了几何和内力的迭代分析可以产生刚性自由形式设计和可扩展到构建环境的过程。它结合了 6 个非层压 0.2 毫米玻璃面板,通过 3D 打印的 PLA V 形型材连接。

玻璃由 Coresix 提供,Coresix 是一家位于美国弗吉尼亚州的玻璃制造商,擅长切割超薄玻璃。V 型材在并行打印机上以 250 毫米的长度打印,这是一种经济的连接方式(在第 3 节中进一步讨论)。虽然这些材料足以用于玻璃本身的原型制作和研究,但从这个项目中吸取了一些教训:

不连贯的 V 子型材的连接在玻璃破裂处产生了软铰接位置(图 2)。此外,选择用于将玻璃连接到 V 型材的粘合剂是因为其旋转能力和即时粘合能力相结合,但由于粘合剂在长期负载和整个夏季储存的高温下蠕变,因此性能不佳。本文将讨论进一步的经验教训。

这项研究的主要目标是探索学生和设计师可以使用的解决方案,用于为建筑应用制作超薄玻璃系统的原型。这些探索无法与主要玻璃制造商的广泛研究和开发相比。然而,他们的知识很少扩散到外墙行业。

这里介绍的研究有两个方面:制造和设计。Enclos 的同事、可用的设备和材料,以及我们在波士顿 Autodesk 技术中心的驻地,在那里可以访问多件设备,以及员工和其他方面的宝贵支持,对这项研究的制造方面的帮助很大。居民。在以下部分中,记录了超薄玻璃切割的进步,包括使用水刀 (1.1)、激光切割机 (1.2) 和划线轮工具 (1.3)。对多个切割试样进行弯曲以评估弯曲强度,这取决于边缘条件 (1.4)。其次,讨论了层压(2)和连接(3)的发展。

最后,介绍了南加州大学硕士生 Josephine Stoddard [4] 与 Enclos 合作的工作,包括展馆的设计开发、其几何形状、创新的细节设计、结构分析和原型设计 (4),它们解决了这个双重研究项目的第二个方面.

Glass Sculpture, J. Stoddard 馆模型

图 1、2、3:Glass Sculpture 2017 年 6 月(左)和 2017 年 10 月(中),南加州大学硕士论文 J. Stoddard 馆模型(右)

1 玻璃切割

将超薄玻璃用于消费电子产品或内墙面板应用的玻璃制造商使用划线或激光切割技术。划线包括用小金刚石砂轮在玻璃表面上划线并机械地将其破碎。Coresix 将这种技术用于上述应用,厚度低至 0.05 毫米(尽管通常在 0.1 到 0.7 毫米之间)。

划线轮安装在刳刨机上,可以在 X 和 Y 方向上平移,并附加 Z 旋转以保持划线轮平行于划线轮廓。划线轮廓可以是直线也可以是曲线,曲率半径小至 0.025mm [5]。从理论上讲,这项技术允许面板几乎与线轴本身一样大(1.3x300 米)。

或者,康宁生产激光切割机 CLT 500X [6],其精度小于 0.005 毫米(每 200 毫米)。激光切割机可切割最大 450 x 660 毫米的碎片,适用于厚度为 0.05 至 6 毫米的玻璃。切割轮廓可以是弯曲的、直线的、垂直的或成角度的线,以及孔和槽。

寻找负担得起且易于使用的工具是外墙设计师和建筑师探索超薄玻璃潜力的关键。本节涵盖三种技术:水刀、激光和划线。值得注意的是,这项研究是使用 Willow Glass 进行的,它的行为类似于退火玻璃产品 [3],因此可以切割而不会像钢化玻璃那样破碎成小碎片。它也不需要进一步的化学回火,这将极大地限制池的大小和位置的原型制作。

Corning CLT500X(左、中)、Coresix 路由器

图 4、5、6:Corning CLT500X(左、中)、Coresix 路由器(右)

1.1. 水刀切割

当玻璃在 2-20 毫米的范围内时,使用水刀切割玻璃是很常见的。该团队测试了使用波士顿 Autodesk 技术中心提供的 5 轴 CNC 水刀切割超薄玻璃,其他团队已成功使用该水刀切割厚度低至 2 毫米的玻璃。水刀流体是纯水,混有少量磨料。每个试件都用胶带固定在刚性塑料蜂窝结构上(见图 7 和图 8)。

Autodesk 技术中心的水刀

图 7,8:位于波士顿 Autodesk 技术中心的水刀

第一个试件是非层压的,0.1 毫米,要么无法切割,要么完全破碎。在层压两块 0.1 毫米玻璃板(参见有关层压的单独部分)时,试验在某种意义上是成功的,因为它没有完全破碎。切割轮廓为单曲和双曲(S形)。然而,粗糙的边缘条件仍然不令人满意(见图 9、10、11)。在项目的这个阶段,其他切割方法已经给出了更好的结果,因此水刀切割研究中止。进一步的研究领域应该研究更厚的超薄玻璃层压板、替代夹层材料、不同的磨料混合物和密度,以及其他支撑材料。

水刀切割层压 0.1+0.1mm 试样

图 9、10、11:水刀切割层压 0.1+0.1mm 试样

1.2. 激光切割

为了开发一种广泛可用的切割方法,我们的团队探索了多位建筑师或设计师办公室普遍使用的桌面激光切割机的使用。这些激光切割机最常用于切割建筑模型或标牌的 PET、亚克力和薄 MDF 板。

位于波士顿的 Autodesk 技术中心拥有四台 Epilog Fusion40 CO2 120 瓦激光切割机,切割床为 1000x710 毫米。该团队成功切割了 0.1 和 0.2 毫米的非夹层玻璃而不会破碎,我们微调了以下参数以获得最佳边缘质量:激光的速度、功率和频率。测试了塑料和钢背衬材料,并且没有背衬材料,直接在华夫饼干支架上切割。事实证明,塑料支架是最好的选择,因为它比钢支架反射性更弱,并且边缘状况更好。

材料的缺失不会导致令人满意的边缘条件。最好的结果是使用 3 毫米厚的透明塑料背衬获得的:事实上,彩色塑料产生的烟雾会使玻璃本身着色并且很难去除。3 毫米厚背衬的完美平整度对于确保激光的准确焦点至关重要。最佳结果结合了低速、低功率和高频激光设置。每次激光通过都会去除材料,因为超薄玻璃会燃烧。在最佳参数下,切割轮廓宽度约为 0.5-1mm。值得注意的是,激光切割机配备了一个通风系统,可以排出玻璃和塑料的烟雾。

当切割自由边缘时,观察到小的“耳朵”(见图 13),特别是在玻璃自由边缘切割的开始处。添加胶带以固定边缘并没有解决问题。直、单曲、双曲(S 形)和圆形均已成功测试。在切割一个层压样品时也观察到了良好的结果(参见第 1.4 节)。该团队无法调整激光切割机以获得刻痕通风口,以便随后机械地破坏它。

使用激光切割机进行直线和曲线切割

图 12、13、14:使用激光切割机进行直线和曲线切割

每个激光切割试样都进行了弯曲试验(见第 1.4 节)。鉴于边缘质量粗糙,一些样品在测试前用细砂纸抛光。尽管激光切割片的性能不如划片,但它仍然被认为是生产用于原型制作的超薄切割玻璃片的一条有前途的小巷。未来的研究应包括自动切割层压板、替代夹层材料和其他支撑材料。

1.3. 划线

划线包括使用金刚石砂轮对玻璃进行划线以创建通风口,然后玻璃沿着通风口手动破碎。这项技术由Coresix掌握,用于切割2017年雕塑项目的0.2m玻璃面板。用于较厚玻璃的标准玻璃切割轮对于超薄玻璃来说过于粗糙,导致无法控制的破损。虽然采购合适的金刚石砂轮比标准的激光切割机贵,但迄今为止它产生了最好的结果。

图 15 和 16 显示了使用金刚石砂轮进行的手动切割。直线、单曲、双曲(S 形)和自由形状轮廓在厚 MDF 办公桌支架或硬切割垫上成功测试。手动操作砂轮仅限于小尺寸样品,并且不是一种非常可原谅的方法,因为砂轮的压力和角度对于确保平滑连续切割至关重要。在本文发表时,该团队正在探索将轮子安装到路由器上。

直件经过弯曲试验(见第 1.4 节),以将这种技术与激光切割进行比较。

使用金刚石砂轮划线直线和曲线切口
图 15,16:使用金刚石砂轮划线直线和曲线切口

1.4. 结构测试

玻璃强度是材料缺陷分布及其增长倾向的函数,主要受边缘粗糙度的影响。虽然在研究切割超薄玻璃的可行方法的过程中具有创新性(并且思想非常开放),但该团队过度意识到需要优化玻璃切割技术以保持或至少最大限度地提高玻璃面板的强度。后者尤其重要,因为这里的 Willow Glass 产品具有相对较低的弯曲强度。

如 [3] 中所述,康宁玻璃指定了 40 MPa 的设计值。虽然非风化超薄玻璃被证明具有 3-4 的安全系数,但作者建议在超薄玻璃用于灵活应用的情况下使用更大的安全系数。事实上,玻璃制造商在切割后的玻璃板上标有“压缩”表面,它对应于面向线轴内部的表面,而外表面则处于张力状态。

弯曲条试样 A、B、C 和 D。

图 17,18:弯曲条试样 A、B、C 和 D。

针对上述每种切割方法,生产并测试了多个样品。试样尺寸为0.1x20x100mm。下面列出了所有类型,并在图 17 中从左到右说明:

A - 激光切割 (4)
B - 激光切割手动打磨 (3)
C - 划线 Enclos (2)
D - 划线 Coresix (7)

总共测试了 16 个样本,这不是一个重要的样本群体,但提供了足够的关于玻璃元件相对容量数量级的见解。将样品放置在一端滑动而另一端固定的系统上(见图 18)。

必要时,放置一片薄薄的泡沫垫片以避免玻璃与金属接触并防止短边失效。正如预期的那样,没有试样在短边处断裂,它们都在长边的大约中间长度处断裂。一些样品在滑出测试支架后进一步断裂,但通过查看每个测试的视频和样品片,确认它们都在长边的大约中间长度处断裂。

监测变形形状的弯曲半径(先抛物线然后是圆形),然后将其归一化为指数 D 并总结在图 19 和 20 中。A 型样品的弯曲能力是指数 D 的 47%。B 型和 C 型样品分别为指数 D 的 48% 和 97%。

弯曲试样列表和相对弯曲半径 (mm)

图 19,20:弯曲试样列表和相对弯曲半径 (mm)

结果相对分散,这可能是由于多个参数造成的,在本文发布时尚未孤立:玻璃的储存以及由于处理、切割方法可变性、测试设置和测量方法可能导致的风化或划痕。虽然每个系列类型的所有样品都是由一块玻璃制成的(对于 4 种样品类型,总共有 4 个源板),但缺陷在整个表面的分布可能会有所不同。

虽然所有样品的测试设置和测量方法都相同,但支架的一些最小平面外旋转可能会导致结果不同。E 系列的结果比其他系列更分散,这可以通过特定于该组的处理来解释,但也可以解释为这些样品在测试前经受了多次加载,这可能会导致玻璃裂纹产生疲劳。在这一点上没有孤立的另一个参数是样品是在产品的“压缩”侧还是“拉伸”侧弯曲。

样品的边缘抛光没有显示出明显的改善,这仍然是测量本身的数量级。抛光方法、砂砾等级 (50)、抛光方向(建筑玻璃设计师都知道)似乎并没有软化激光切割产生的边缘默认值。在任何一种情况下,激光切割的样品都远非最佳,其弯曲半径和弯曲能力是样品 C 和 D 的一半。

划线的样品 (C, D) 以大约 2 的半径弯曲。23 毫米。与康宁推荐的 90mm 值相比,该值提供了平均 3.9 的安全系数,或者在极端情况下为 3.5 到 4.7。作者不建议设计低于康宁推荐的值(90 毫米),因为此时无法量化处理、风化或应力疲劳的影响。

总之,激光切割方法在提供一半其他技术的结果的同时,仍然是原型制作早期阶段可行、一致且经济实惠的切割技术。划线技术虽然经济性要低得多,但为原型设计和生产提供了最佳结果。未来的研究应该解决超薄玻璃的风化、边缘处理、应力疲劳、测试设备的改进、计量。

2 层压

安全玻璃由钢化和/或夹层玻璃组成。如前所述 [3],Willow Glass 的行为就像一种退火产品,它会碎裂成大碎片并需要层压。如果面板破裂,层压可以保留玻璃碎片。通常,建筑物中的安全玻璃是用 PVB、EVA 或 SGP 夹层夹层的。

然而,这些薄膜比超薄玻璃本身厚得多,而且 SGP 通常比超薄玻璃本身更硬。由于本研究的背景是利用超薄玻璃的柔韧性,因此研究了另一种更薄的中间层。我们使用了 1 密耳 (0.025 毫米) 的高质量光学透明 PET 薄膜,两面都涂有压敏永久性溶剂丙烯酸粘合剂,两者都由透明的 PET 离型纸保护。薄膜和粘合剂使用最好的光学透明度组件,并提供出色的紫外线稳定性。

层压样品尺寸为 0.1 x 100 x 20 毫米,使用由 Coresix 切割的 2 个玻璃样品和一张中间层。图 21 和 22 描绘了在室温下将层压材料压过层压机辊之前,在玻璃带上施加双面膜。

试验前弯曲试样

图 21:试验前弯曲试样

试验后弯曲试样
图 22:试验后弯曲试样

手动弯曲玻璃层压板(图 25)。一颗 lite 以接近 25 毫米的半径破裂,然后第二颗不久后破裂。在断裂处形成铰链,夹层将碎片保持在一起,没有碎片飞出玻璃层压板。

尽管事实证明 PET 足以在小玻璃碎片破裂后获得碎片的保留,但它可能不足以实现复合作用,因为它的 E 模量非常低,并且对温度和永久载荷下的蠕变极其敏感。

压力层压 @ Autodesk Build Space

图 23、24:位于波士顿 Autodesk 技术中心的压力层压

层压试样的弯曲

图 25:层压试样的弯曲

Autodesk Build Space Tube Bender、Autodesk Tube Bender、Twisted profile

图 26、27:位于波士顿 Autodesk 技术中心的弯管机,Twisted profile(未公开的 Enclos 供应商)

3D 打印的弯曲 V 型轮廓

图 28、29:3D 打印的弯曲 V 型轮廓(Pennetier 雕塑 + 波士顿 Autodesk 技术中心的 BigRep 3D 打印)

焊接弯曲铝 V 型材

图 30:焊接弯曲铝 V 型材(未公开的 Enclos 分包商)

3 连接

2017 年雕塑项目的超薄玻璃面板通过自由形式的 V 形轮廓按照螺旋曲线相互连接。在这种规模下,V 型材不可能由在其中间弯曲的单个条带制造,因为沿该部分出现折痕或开口。它可以由 2 条沿一个边缘连接的弯曲材料条制成。研究了各种制造选项,例如 CNC 切割金属板和焊接。

鉴于雕塑的自由形式非重复几何形状,切割轮廓无法完美嵌套,导致材料产量大。此外,这些条带需要在空间上弯曲,无论是塑性还是弹性,这都不太适合项目的自由形式性质。塑性方法被忽略,因为没有经济技术与几何的自由形式性质相匹配。

弹性成形会导致回弹力,这需要连续或多次焊接,这既及时又昂贵。在任何一种情况下,焊接都不能自动化。这些方面极大地影响了制造成本,并且由于预算限制,2017 年雕塑项目不再使用金属。下面记录了对金属连接器的进一步探索。

3D 打印被认为适用于 2017 年的雕塑,承受有限的负载,也适用于桌面规模的原型制作。然而,就建筑外墙系统而言,不锈钢或铝无疑是最坚固、最耐用和最佳的材料。使用透明 PLA 长丝 3D 打印了宽阔的 V 型轮廓。

时间和预算限制导致选择小型打印机,将零件的最大尺寸限制为 250 毫米。这些部件用粘合剂连接,造成刚度的不连续性。该雕塑建于 2017 年 6 月,并在夏季存放了几个月。在此期间,粘合部分蠕变,连接型材在连接处铰接,从而使玻璃受力过大(图 2)。从中学习,研究了替代材料和设备。

位于波士顿的 Autodesk 技术中心有一台大型 BigRep 打印机,它有一个 1x1x1m 的打印床。该团队为展馆项目进行了 PLA 打印试验(图 29)。没有单一平面的自由形状扫掠 V 型材在打印过程中需要支撑材料。与一些小型打印机不同,BigRep 打印机不提供可溶解的支持选项,因为溶解浴需要超过 1 立方米。虽然 3D 打印是一种很有前途的原型制作方法,但值得注意的是,由于没有不同的支撑和打印材料,需要对零件进行密集的后处理,这并不代表有效的快速原型制作选项,也不符合展馆的项目时间表。

源于在雕塑上学到的经验教训,包括使用更多重复的形状进行研究,这些形状很好地嵌套在一张纸上。尽管这极大地限制了设计,但结果更有希望并允许自动化(图 30)。

4 展馆设计+连接

当 Enclos 团队通过在波士顿 Autodesk 技术中心的驻留期间并利用内部知识和外部供应商对切割和层压超薄玻璃进行研究时,Josephine Stoddard 为南加州大学建筑科学硕士项目撰写了一篇关于该主题的论文:“概念用于在弹性弯曲中使用超薄玻璃:类型学发展和新兴技术”。

该论文记录了先例项目、材料特性、具有弯曲活性超薄玻璃的展馆的设计、超薄玻璃展馆结构的数值分析以及物理比例模型的详细说明。比例模型由 PET 片材、3D 打印连接器、木桅杆和连接到刚性 MDF 平台的不锈钢电缆制成。它高 850 毫米,宽 1200x1200 毫米(图 31、32、33)。

虽然有些步骤利用了 2017 年雕塑的发展,例如几何合理化原则或大部分连接,但展馆设计还雕刻了一些创新理念。设计师热衷于重用拉伸建筑类型和元素,其中玻璃面板将包裹在中央桅杆上,由电缆固定,就像多条船帆一样。

虽然玻璃肋之间的连接在雕塑中会被详细描述为 V 形,但该设计使用通道来加强直边。引入这些直边型材不仅是为了将玻璃边缘连接到张力电缆以限制玻璃边缘的偏转,而且还可以保护裸露的边缘免受公众的影响,公众可以在全尺寸展馆周围走动。直边件将沿着张力电缆运行,并通过螺旋式辅助索具连接到它(图 36)。

PET 在 3D 打印支架上进行冷弯,并用热胶枪粘合。子部件在一个大型预组装件中相互连接(图 34)。帆组件随后由一个小桁架支撑脱离张力电缆(图 35)。最终,调整了电缆的张力并锁定了电缆。

这项研究不仅提出了创新的细节构想,并未全部反映在展馆项目中,而且还很好地记录了费力的迭代设计过程和原型制作过程,因为它影响了模型的规模和项目进度。

南加州大学硕士生 Josephine Stoddard 比例模型(左、中);比例模型和人体比例

图 31、32、33:南加州大学硕士生 Josephine Stoddard 比例模型(左、中);比例模型和人体比例(右)

南加州大学硕士生 Josephine Stoddard 模型细节

图 34、35、36:南加州大学硕士生 Josephine Stoddard 模型细节

结论和未来的工作

目前的研究涉及两个方面:制造和设计,因为它们是密不可分的。

本文展示了可供大量学生和设计专业人士使用的低成本工具可用于制作超薄玻璃元件的原型。虽然并非所有设计师都可以使用专业的水刀和工业激光切割设备,但提出了两种可行的技术:桌面激光切割和使用金刚石砂轮手动划线。在这一点上,手动划线给出了最好的立竿见影的结果,但很难扩大规模,即使是对桌面模型进行原型制作。已经提出了关于层压和连接的多项发现,为经济原型制作提供了指导。

在设计方面,2017年的雕塑项目提出了设计和分析的概念。2018-2019 年南加州大学硕士论文为研究的当前状态提供了极好的文档,并成功证明了来自南加州大学建筑学院的坚定的建筑科学专业的学生,​​结构工程或玻璃知识有限,但仍然可以成为当地的专家采用超薄玻璃设计。

该研究确定了大量进一步的超薄玻璃研究主题:风化、边缘处理、应力疲劳、测试设备改进、计量等。其他要解决的主题是连接、粘合剂的结构、化学和热兼容性、数值分析、眩光和光学。这些主题是在构建环境中实施超薄玻璃的必要条件。

超薄玻璃因其重量轻、耐用性和光学质量而在建筑环境中具有巨大的潜力。然而,关于超薄玻璃面板的细节和可扩展性,仍有许多悬而未决的问题需要回答。作者希望分享他们的原型制作理念将激励其他设计师探索超薄玻璃的设计和原型制作。

参考

[1] https://www.us.schott.com/advanced_optics/english/capabilities/down-draw-process.html (accessed 4/30/2019)
[2] https://www.cmog.org/article/long-road-successfusion-draw-glass (accessed 4/30/2019)
[3] Shaping ultra-thin glass, Pennetier, Bowers, Evain, GPD 2017
[4] Concepts for Working with Ultra-Thin Glass in Elastic Bending: Typological Development and Emergent Technology, Josephine Stoddard, University of Southern California school of Architecture, 2019
[5] https://coresix.com/services/cutting (accessed 4/30/2019)
[6] https://www.corning.com/worldwide/en/products/advanced-optics/product-materials/lasertechnologies/clt-500x.html (accessed 4/30/2019)

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