Estudio sobre la calidad óptica y resistencia de los bordes del vidrio tras el proceso de esmerilado y pulido.

Fecha: 22 de noviembre de 2022

Autores: Paulina Bukieda, Katharina Lohr, Jens Meiberg y Bernhard Weller

Fuente:Ingeniería y estructuras de vidrio volumen 5, (2020)

https://doi.org/10.1007/s40940-020-00121-x

Los bordes del vidrio resultan del corte de láminas de vidrio y de un acabado adicional opcional. La interferencia mecánica en el frágil material de vidrio provoca fallas y grietas en la superficie del borde. Estos defectos influyen en la resistencia del conjunto del acristalamiento. En el marco de un proyecto de investigación del Instituto de Construcción de la Universidad Técnica de Dresde se examina el proceso de esmerilado y pulido en términos de los efectos visibles característicos sobre el borde del vidrio y su resistencia. Por lo tanto, un enfoque especial del proyecto de investigación es el impacto de varias muelas de pulido para la superficie biselada del vidrio recocido. El artículo presenta algunos conceptos básicos sobre los pasos de procesamiento de las superficies de los bordes de vidrio, presenta las muelas de copa de esmerilado y pulido consideradas y brinda una descripción general de los exámenes experimentales realizados.

Un análisis microscópico permite caracterizar los defectos típicos en las superficies. Además, se realizan pruebas de flexión en cuatro puntos para determinar las tensiones de flexión y tracción en el momento de la falla. La combinación de ambos métodos permite un análisis del defecto que causa la fractura antes de su destrucción y una correlación entre la calidad de la superficie óptica y las tensiones de flexión y tracción. Además, la microscopía podría usarse para respaldar el ajuste de una máquina rectificadora y controlar las cualidades reproducibles de los bordes. La evaluación muestra que un desarrollo especial de las muelas de pulido para el chaflán puede mejorar la calidad de la superficie y, en consecuencia, aumentar la resistencia del borde.

Consideración de la resistencia del borde del vidrio en el diseño.

Las cargas mecánicas y térmicas en las construcciones de ventanas y fachadas aumentan con las exigencias arquitectónicas modernas y los estrictos requisitos de la física de la construcción. Con formatos de vidrio cada vez mayores y estructuras de vidrio complejas, la superposición de cargas mecánicas y especialmente térmicas puede provocar tensiones críticas, especialmente en las zonas de los bordes. Según los códigos de diseño actuales en varios países europeos, el valor de diseño del vidrio recocido debe reducirse para dimensionar los bordes del vidrio (Feldmann y Kasper 2014, p. 55). En el caso de las normas alemana y austriaca (DIN 18008-1 2019 y ÖNORM B 3716-1 2016) se requiere una reducción del 80 % de la resistencia característica a la flexión del vidrio recocido. Esta reducción considera la alta dispersión de la resistencia del borde debido al procesamiento y representa un nivel mínimo de resistencia del borde del vidrio.

La reducida resistencia de los bordes del vidrio recocido y la falta de escenarios de carga adaptables en los bordes del vidrio generan inseguridades. Para garantizar un cierto nivel de seguridad en el diseño de estructuras de vidrio y acristalamientos sin daños, es necesario un examen más profundo de los bordes del vidrio. Actualmente, los planificadores suelen utilizar vidrio templado, que muestra una mayor resistencia de los bordes. Sin embargo, la mayor resistencia de los bordes conlleva el riesgo de rotura espontánea debido a la inclusión de sulfuro de níquel y una reducción de la calidad óptica, ya que las anisotropías pueden ser visibles. Además, el uso de vidrio templado es muy costoso. Es deseable un uso más eficiente del vidrio recocido. Por esta razón, es necesario un enfoque de diseño seguro y una producción de vidrio recocido con una resistencia de borde aceptable y una baja dispersión.

Geometrías y tipos de cantos de vidrio.

Los bordes del vidrio resultan del corte de una hoja de vidrio y de un acabado adicional opcional. El proceso de corte define la geometría y el tamaño de los paneles de vidrio. En el siguiente proceso de esmerilado y pulido, el material se erosiona en la superficie del borde y los márgenes, para garantizar la precisión del tamaño y mejorar la calidad óptica. Los llamados bordes mecanizados reducen el riesgo de lesiones y permiten un mayor templado térmico de los cristales.

La Figura 1 muestra la geometría típica de un borde cortado en la parte posterior y un borde pulido y procesado con dos chaflanes diagonales en la parte frontal. Se definen cinco áreas, divididas en superficies y líneas, para explicar el proceso de rectificado y relacionar la ubicación de los orígenes de la fractura con un área definida. La superficie del borde (e) describe el área perpendicular a la superficie del cristal (p). El chaflán (c) define la superficie de los márgenes recortados, que normalmente forman un ángulo de 45° y se extienden desde ambos lados de la superficie del panel de vidrio hacia la superficie del borde. Además, están definidas las transiciones entre el borde y el bisel (tc), así como entre el bisel y la superficie del cristal (tp).

En la industria de la construcción se clasifican diferentes tipos de cantos de vidrio según la norma DIN 1249-11 (2017). El borde cortado se describe con márgenes nítidos, zona de corte limpia y fractura irregular en la zona rayada. Además del borde cortado, existen cuatro tipos de bordes procesados ​​con pasos de procesamiento y calidad óptica cada vez mayores. Para producir un borde arqueado, se recortan los márgenes agudos y las fracturas irregulares de los bordes cortados. La superficie del borde no está necesariamente procesada. Dependiendo de los siguientes pasos de esmerilado y pulido se definen el borde esmerilado, el borde esmerilado liso y el borde pulido. Durante el proceso de rectificado, siempre se llevan a cabo primero los pasos de procesamiento abrasivos y ásperos, lo que provoca una apariencia rugosa. Posteriormente, las superficies se pulen con herramientas más finas y de mejor calidad, lo que crea una superficie plana y transparente. Sin embargo, el proceso de esmerilado y pulido introduce nuevos defectos y grietas en la superficie del borde, que influyen en las tensiones de flexión y tracción en el momento del fallo y pueden tener que tenerse en cuenta para la resistencia del borde de todo el acristalamiento.

Exámenes experimentales en bordes de vidrio.

El grupo de trabajo Resistencia de cantos de la Fachverband Konstruktiver Glasbau eV (FKG) llevó a cabo un amplio estudio experimental sobre la resistencia de los tipos de acabado de cantos: canto cortado, canto acanalado y canto pulido liso. Allí se probaron más de 1.000 vigas de vidrio en 33 series de pruebas de seis fabricantes diferentes con flexión en cuatro puntos (Ensslen 2013). Además, antes de la destrucción se examinó al microscopio una selección de muestras de cada serie de pruebas en la superficie del borde. Kleuderlein et al. (2014) presentaron las diferencias en los tipos de superficies de borde entre fabricantes en la Fig. 2. Para cada tipo de borde de vidrio, hay imágenes de tres fabricantes diferentes. Especialmente la calidad del borde arriostrado difiere mucho. Un registro de los parámetros de procesamiento reveló que los bordes arriostrados se produjeron con diferentes máquinas rectificadoras (cinta transversal o muelas abrasivas).

El procedimiento de ensayo para la determinación de la resistencia de los bordes del vidrio se refiere a la norma DIN 1288-3 (2000), que define el ensayo de flexión en cuatro puntos de vidrio plano con introducción de carga en el eje débil. Sin embargo, para el examen especial de la resistencia del borde, se modificó la configuración para realizar pruebas en el plano. De esta manera, se generan tensiones de tracción homogéneas en los bordes, lo que aumenta la probabilidad de una fractura directamente desde el borde y permite determinar la resistencia del borde (Ensslen 2013). Las series de pruebas se evaluaron estadísticamente con una distribución de Weibull de dos parámetros para determinar el 5 % de fractiles con un nivel de confianza del 95 %, que corresponden a la resistencia característica a la flexión del vidrio.

De 33 series de pruebas, solo dos series mostraron un 5 % de fractiles por debajo de la resistencia del borde característica sugerida para vidrio recocido de 36 N/mm² (80 % de fk= 45 N/mm² según DIN 18008-1 (2019)). El fractil máximo se determinó en un valor de 64,84 N/mm². Se puede refutar la creencia generalizada de que los cantos esmerilados y pulidos siempre presentan una calidad de canto superior a la de los cantos cortados. Una comparación dentro del mismo acabado de bordes muestra que el impacto del fabricante es mucho mayor que el acabado en sí. Por lo tanto, un borde bien cortado puede mostrar una mayor resistencia que un borde mal rectificado y con muchos defectos. (Kleuderlein et al.2014)

Además del trabajo del grupo de trabajo Edge Strength, Lindqvist (2013) y Vandebroek (2014) examinaron la resistencia de los bordes del vidrio recocido. Lindqvist (2013) realizó análisis microscópicos para predecir la resistencia del borde basándose en la identificación de la grieta crítica. Los resultados mostraron que es difícil detectar los defectos críticos. Vandebroek (2014) examinó la resistencia del borde mediante pruebas de flexión para determinar la influencia del historial de carga, la corrosión bajo tensión, el tamaño y la distribución de tensiones. Los exámenes se centraron en los distintos tipos de cantos, los diferentes fabricantes y las dimensiones del vidrio. Los resultados confirman una gran variación en los resultados de resistencia determinados entre diferentes fabricantes y expresan la necesidad de un examen de diferentes métodos de acabado de bordes.

Lohr (2019) examinó el pulido de vidrio templado térmicamente. En algunos exámenes microscópicos se pudo observar que las áreas de transición entre las superficies tc y tp (ver Fig. 1) mostraban muchos defectos y también una variedad de fracturas que tenían su origen en el chaflán y las áreas de transición. Es necesario investigar la transferibilidad de los resultados del vidrio templado térmicamente al vidrio recocido.

Generación de parámetros del proceso de corte.

Tras el amplio estudio sobre los diferentes tipos de cantos de vidrio, el grupo de trabajo Edge Strength se centró en los cantos cortados. Con los resultados del primer estudio y un examen más profundo del proceso de corte, fue posible generar un conjunto de "buenos" parámetros de corte para vidrio de 8 mm de espesor, que conducen a una resistencia del borde reproducible de al menos 45 N/mm245 N. /mm2 (Ensslen y Müller-Braun 2017). Además, fue posible determinar características ópticas, como la profundidad de las grietas laterales y medianas, que pueden correlacionarse con la resistencia del borde. De esta manera, se puede estimar la resistencia del borde de corte mediante métodos ópticos (Müller-Braun et al. 2020).

Los exámenes anteriores del grupo de trabajo Edge Strength del FKG (Ensslen 2013; Kleuderlein et al. 2014; Ensslen y Müller-Braun 2017) y Vandebroek (2014) mostraron que el proceso de esmerilado y pulido tiene una influencia significativa en la calidad y Resistencia de los bordes del vidrio. A pesar de los tipos de diseño estandarizados, existen diferencias considerables en la calidad del borde óptico, como muestra la Fig. 2. Existe una amplia gama de parámetros de proceso para todo tipo de bordes y una amplia distribución entre los fabricantes (Kleuderlein et al. 2014).

Estos hechos subrayan la necesidad de una comprensión más profunda de los procesos de acabado posteriores, la detección y especificación de los parámetros del proceso y la producción de calidades de cantos comparables. Los parámetros de fabricación del esmerilado y pulido aún no se han examinado científicamente. Sólo una calidad de canto reproducible, basada en parámetros de proceso definidos, puede minimizar la dispersión de la resistencia del canto, independientemente de los diferentes fabricantes. Esto es necesario para producir bordes de vidrio recocido procesados ​​con una calidad constante y una resistencia a la flexión característica constante que no requiera una mayor reducción en el proceso de diseño.

El objetivo de este estudio es obtener una comprensión más profunda del impacto de los procesos de acabado en el material y proporcionar recomendaciones para los ajustes de procesamiento con el fin de lograr calidades de borde reproducibles con el apoyo de métodos ópticos. Por lo tanto, se examina el proceso de esmerilado y pulido y se identifican los parámetros ajustables. Para empezar, se consideran los procesos de acabado de bordes de un fabricante. El enfoque especial de este examen es la reducción de fallas y grietas en el área del chaflán (c) y la transición (tc) para mejorar y crear una calidad óptica reproducible junto con una mayor resistencia de los bordes del vidrio. De este modo se varían tres herramientas de pulido diferentes y tamaños de chaflán.

Para evaluar el impacto de los parámetros, se desarrolla un procedimiento de prueba experimental con un método de análisis microscópico. El análisis microscópico ayuda a comprender el impacto del acabado en el material al caracterizar las superficies resultantes y evaluar los defectos que ocurren. El procedimiento de prueba incluye un registro microscópico de las superficies de los bordes antes de las pruebas destructivas y una localización de los defectos que causan fracturas después de la destrucción mediante la prueba de flexión en cuatro puntos. Finalmente, los defectos que causan la fractura se correlacionan con las tensiones de flexión y tracción determinadas en el momento de la falla.

El proceso de esmerilado y pulido.

En la práctica se utilizan diferentes máquinas rectificadoras para producir cantos de vidrio procesados ​​posteriormente. Una máquina de cinta transversal, por ejemplo, consta de una cinta móvil recubierta de material abrasivo. Para su procesamiento, el vidrio debe presionarse manualmente contra la cinta. Algunos fabricantes producen bordes arriostrados con máquinas de cinta cruzada. Otro tipo es la máquina rectificadora CNC, que rectifica formas complejas bajo control por computadora. Sin embargo, la forma más común de producir cantos de vidrio procesados, y especialmente cantos pulidos y pulidos, son las máquinas rectificadoras de cantos.

Se pueden diferenciar en rectificadoras de cantos verticales, unilaterales y horizontales de doble cara. Las muestras de este estudio se procesaron con una máquina rectificadora de cantos vertical de un solo lado del tipo Rock 11 de la empresa Neptun, como se muestra en la Fig. 3. Por lo tanto, la descripción adicional del proceso de rectificación se basa en este método. La máquina consta de once estaciones de esmerilado y pulido. En cada estación, herramientas multigrano, las llamadas muelas de copa, procesan el borde. Desde el exterior sólo se ven los motores de las ruedas de copa. El pictograma debajo de la imagen en la Fig. 3 debería ayudar a asignar los pasos de procesamiento y las estaciones individuales.

La placa de vidrio se coloca en el lado derecho sobre una cinta guía vertical y horizontal y luego se transporta hacia el lado izquierdo a través de la máquina rectificadora de cantos. El borde que se va a procesar está hacia abajo. La cinta guía horizontal transporta el vidrio hasta la primera estación. A continuación, dos correas guía laterales conducen el vidrio a otras estaciones. Mantienen el vaso en posición recta y regulan la velocidad. En cada estación, una muela giratoria para esmerilar o pulir procesa el borde desde abajo con la adición constante de agua refrigerante. El agua de refrigeración evita el sobrecalentamiento de las ruedas de copa. Las muelas abrasivas de las estaciones 1 a 3, así como 4 y 6, son rígidas. Las ruedas de copa de pulido en las estaciones 5, así como en 7 a 11, se presionan hidráulicamente hacia el borde del vidrio. La presión de contacto de las estaciones móviles se puede ajustar. La profundidad de trituración, que describe la cantidad de material eliminado al final del proceso, se regula mediante la posición de la cinta guía horizontal.

Las primeras estaciones del proceso de rectificado garantizan la eliminación del material y la precisión dimensional a lo largo de la superficie del borde del vidrio. A continuación, las estaciones 4 a 7 crean el chaflán mediante muelas abrasivas con un ángulo de 45°. La Figura 4 muestra la alineación de las muelas durante el procesamiento de bordes y chaflanes.

En la máquina pulidora de cantos presentada hay dos estaciones para cada chaflán, una muela de copa gruesa con granos de diamante como material abrasivo y una muela de copa fina para un pulido posterior. Las muelas hacia el final del proceso en las estaciones 8 a 11 son más finas. Reducen la rugosidad de la superficie y producen una alta transparencia. Dependiendo del tipo de borde, las estaciones necesarias se pueden conectar por separado. El canto pulido pasa por todas las estaciones y, por tanto, pertenece al más alto nivel de calidad. La configuración adecuada de las muelas abrasivas y otros parámetros del proceso son esenciales para la producción de cantos de vidrio de alta calidad.

Muelas de copa para esmerilado y pulido

Durante el proceso de esmerilado, se eliminan del borde del vidrio las piezas rompibles microscópicamente pequeñas y geométricamente indefinidas mediante el uso de muelas de copa de esmerilado y pulido. Estos se diferencian por la composición del sistema aglutinante y el tamaño del grano. La Figura 5 muestra ejemplos de diferentes muelas de copa para esmerilado y pulido y sus superficies microscópicas.

Para los pasos de procesamiento abrasivos se utilizan granos rugosos en combinación con aglomerantes duros, metálicos o de resina. La imagen izquierda de la Fig. 5 muestra una muela abrasiva de diamante con aglomerante metálico, que garantiza una alta eliminación de material mediante el uso de granos de diamante extremadamente duros. Crean una apariencia rugosa en las superficies procesadas. El material eliminado puede acumularse en los segmentos y luego ser eliminado por el agua de refrigeración. La imagen del medio muestra una muela abrasiva de diamante aglomerada con resina sintética, que es similar a la de aglomerante metálico pero más suave debido al uso de un sistema de aglomerante a base de resina sintética. Esto da como resultado una eliminación suave del material.

La parte derecha de la Fig. 5 muestra una muela de pulido con un grano fino de corindón. Las muelas de copa de pulido se crean combinando granos abrasivos como carburo de silicio, corindón u óxido de cerio con materiales de soporte unidos elásticamente como poliuretano, caucho o resinas sintéticas modificadas con diversos grados de elasticidad. La estructura química del respectivo sistema adhesivo en combinación con el grano abrasivo influye en las propiedades finales de la herramienta. Se utilizan granos más finos en aglutinantes elásticos más suaves para crear superficies lisas y transparentes. El óxido de cerio es un grano adecuado para el alto pulido, ya que permite su eliminación mediante esmerilado mecánico y químico. La reacción química disuelve los átomos del vidrio, que luego se destacan de la superficie. De esta manera se consigue un alisado de pequeñas irregularidades del borde.

Una muela de copa siempre debe tener múltiples granos abrasivos expuestos en su superficie para procesar los bordes del vidrio. De esta manera puede funcionar de manera eficiente. Para producir el efecto abrasivo deseado, los granos abrasivos no deben desgastarse más rápido que el sistema de unión, romper el sistema de unión ni debe quedar expuesto un solo grano (Fig. 6).

Parámetros de pulido sobre la calidad de la superficie.

La calidad del borde final es el resultado de la combinación y cantidad de muelas de copa, varios parámetros del proceso y su interacción adecuada. Actualmente no existen parámetros de proceso optimizados comúnmente conocidos para el proceso de esmerilado y pulido que se refieran a una calidad o resistencia definida de los bordes. En la práctica, la optimización se basa en la calidad visual del borde del vidrio. Las influencias del fabricante y de la rectificadora son elevadas y no se examinan lo suficiente. Sin embargo, las influencias de los distintos parámetros del proceso pueden derivarse de los principios de funcionamiento de la molienda. Un gran número de rotaciones de las muelas combinadas con una velocidad lenta garantiza que la muela esté en contacto con la superficie del vidrio con más frecuencia. Esto debería mejorar los procesos físicos de eliminación de material y pulido. Además, la cantidad y la limpieza del agua de refrigeración pueden tener una influencia significativa en la calidad.

En las presentes observaciones, la superficie del chaflán y las áreas de transición son de especial interés. Por eso se examinan ópticamente y en cuanto a la resistencia del borde tres muelas diferentes para pulir para el chaflán.

Descripción general

Para evaluar la calidad de las superficies de los bordes y chaflanes y obtener conclusiones sobre los defectos que pueden causar la fractura, se desarrolló un programa de prueba experimental de tres pasos. En primer lugar, se registraron y examinaron microscópicamente los bordes y las superficies de los chaflanes. Posteriormente se realizaron ensayos de flexión en cuatro puntos. En el último paso, se localizó el origen de la fractura y se detectó el defecto que la había causado comparándola con las imágenes grabadas de la superficie antes de la rotura.

Muestra

Las probetas obtenidas son vigas de 125 mm x 1100 x 10 mm con el canto pulido (Fig. 7). Las dimensiones se basan en el diseño de la configuración para el ensayo de flexión en cuatro puntos. Se eligió el canto de vidrio pulido, ya que uno de los objetivos del proyecto de investigación era la producción de cantos con una alta calidad óptica. Para examinar una superficie bastante grande y así obtener más información sobre los procesos de esmerilado y pulido, se eligió para las probetas un espesor de 10 mm. Para una comparabilidad clara es necesaria la definición de chaflanes como chaflán 1 y chaflán 2, según la figura 7. La clasificación se determina según el patrón de molienda. Las muestras se produjeron sobredimensionadas y luego se cortaron, ya que la máquina rectificadora necesita una altura mínima de 250 mm para procesar los bordes.

Análisis microscópico

El análisis microscópico de la superficie se realizó con un microscopio óptico digital de Zeiss con un posible aumento de 34× a 1100×. Se marcaron y registraron las superficies de los bordes y chaflanes de todas las probetas. Esto permitió caracterizar la calidad del borde y localizar mejor el defecto causante de la fractura. Las superficies grabadas cubren la mitad de la muestra y tienen una longitud de aproximadamente 200 mm (el área está marcada en la Fig. 7). Esta zona especial corresponde a la zona cargada en el siguiente ensayo de flexión en cuatro puntos. De ahí que exista una alta probabilidad de que el origen de la fractura se produzca en esa zona. La superficie del borde se registra con un aumento de 70×, las superficies del chaflán con un aumento de 100×. La Figura 8a muestra el microscopio con un soporte inclinado para registrar las imágenes de las superficies del chaflán y un ejemplo de registro microscópico de aproximadamente 20 mm de una superficie del chaflán (Fig. 8b).

Doblado en cuatro puntos

Los ensayos de flexión en cuatro puntos se realizaron según la norma DIN EN 1288-3 (2000) y los exámenes del grupo de trabajo Resistencia de borde del FKG cargando las muestras de vidrio en flexión alrededor del eje fuerte. El borde examinado mira hacia abajo, donde se producen las tensiones de flexión y tracción. La figura 9 muestra la prueba realizada en la Technische Universität Dresden y el pictograma correspondiente. Los rodamientos de bolas y los soportes laterales en los extremos de las vigas se combinan en un sistema de rodamientos de bolas. La muestra se apoya verticalmente sobre bloques de POM de 80 mm de ancho y una luz de 1000 mm. La carga se aplica puntualmente en un espacio de 200 mm a través de pequeños bloques de POM que se apoyan en el borde superior del vidrio. Los ensayos de fractura se realizan con una tasa de carga constante de 2 N/(mm2s2s) hasta la rotura. Después de la destrucción, se mide la carga de fractura.

Análisis de defectos

Después de la prueba de fractura, se determina la posición global de la fractura xglobglob para decidir si se evaluará una prueba o no (Fig. 10). Sólo se evalúan los orígenes de las fracturas dentro del área cargada. Una mirada más cercana al espejo de fractura permite determinar el inicio del origen de la fractura inicial (Quinn 2016, 7-10). Se diferencia además entre, partiendo de la superficie del borde (e), la superficie del chaflán (c), la zona de transición (tc) o la superficie del cristal (p), para localizar el defecto que causa la fractura en las imágenes grabadas de la superficies intactas. El centro del círculo del espejo de fractura en la Fig.10 apunta a la grieta inicial en la superficie del chaflán en el lado 2.

Parámetros de procesamiento

Todas las muestras se molieron con una velocidad de 2 m/min y una profundidad de molienda de 1 mm. La profundidad de pulido describe la cantidad de material removido del borde del vidrio durante el proceso de pulido. Antes del proceso de rectificado, se midieron las grietas medianas visibles que resultan del proceso de corte (Müller-Braun et al. 2020) con una longitud de aproximadamente 300 μmμm. Con la profundidad de pulido elegida de 1 mm se eliminan por completo las grietas medianas visibles durante el proceso de corte.

Por lo tanto se supone que se excluye una influencia del proceso de corte. Sin embargo, esta suposición debería comprobarse en otra serie de pruebas, rectificando diferentes calidades de cantos cortados con parámetros constantes del proceso de rectificado. El sistema de unión y el tipo de grano de las muelas de copa utilizadas se enumeran en la Tabla 1. La presión de contacto ajustable de cada muela de copa de molienda se configuró y registró de acuerdo con la experiencia del fabricante y los resultados ópticos macroscópicos durante la producción. Dado que depende de la abrasión del disco de copa usado, puede variar dentro de la serie de pruebas.

Tabla 1 Muelas abrasivas utilizadas en la rectificadora de cantos -mesa de tamaño completo

Tabla 2 Serie de pruebas examinadas -mesa de tamaño completo

La Tabla 2 ofrece una descripción general de las series probadas. En total se examinaron en las estaciones 5 y 7 tres muelas de copa de pulido diferentes para chaflanes de la empresa Artifex (según la figura 3). Para las probetas de la serie de pruebas A se utilizó un disco pulidor aglomerado con resina y un grano de corindón muy fino. Este tipo de disco de pulido se clasifica como duro. Las probetas de la serie de ensayo B se fabricaron con una muela de pulido de poliuretano como aglutinante y corindón de tamaño de grano medio.

Por lo tanto, se produce una espuma de poliuretano más blanda, lo que clasifica la muela de pulido como blanda. En el marco del proyecto de investigación se desarrollaron muelas de pulido especiales para el chaflán, compuestas por un sistema adhesivo de poliuretano y una fibra interior. Estos se expanden hasta formar una espuma de poliuretano finamente porosa pero dura. La composición exacta está sujeta al acuerdo de confidencialidad con la empresa Artifex. Las muestras de la serie de pruebas C se fabricaron con la muela de copa de pulido especialmente desarrollada.

Además, se examinaron tres series de pruebas con diferentes tamaños de chaflán para comprobar la influencia de una cantidad variable de eliminación de material del chaflán. Por lo tanto, las muelas abrasivas para el chaflán se ajustaron manualmente. El ajuste general elimina aproximadamente 1 mm de la superficie del borde en cada lado con un ángulo de 45°, lo que da como resultado un ancho de la superficie del chaflán de 1,4 mm. En un chaflán pequeño (serie de prueba KS), los ajustes deberían eliminar aproximadamente 0,5 mm del ancho del borde en cada lado, lo que da como resultado un ancho de chaflán de 0,7 mm.

El gran chaflán (serie de prueba GS) con un ancho de aproximadamente 1,7 mm se obtuvo ajustando las muelas abrasivas para chaflán con una separación de 1,5 mm en cada lado. Además se produjo una serie de pruebas con canto pulido pero sin bisel (serie de pruebas O). El objetivo era evitar defectos provocados por la producción del chaflán. Para la serie de pruebas O se cerraron las estaciones 4 a 7. Por serie de pruebas se produjeron de ocho a doce probetas.

Superficies y defectos típicos.

El análisis microscópico ayudó a obtener información general sobre las superficies de los bordes y chaflanes procesados. Algunas superficies típicas y defectos que ocurren se muestran en la Fig. 11. El impacto de las muelas de copa sobre el vidrio deja un patrón de pulido en la superficie, que puede estar asociado con la dirección de rotación de las muelas de copa. El patrón de pulido se puede reconocer como un patrón consistente de ranuras en la superficie. Además se determinaron defectos típicos como rayones individuales en la dirección del patrón de pulido, defectos en las zonas de transición, denominados además como virutas y concoidales.

Los rayones individuales visibles (Fig. 11, izquierda) en la dirección del patrón de lijado pueden deberse a una eliminación insuficientemente dimensionada de la abrasión del vidrio, a un grano abrasivo expuesto o roto de la muela. Las astillas y las conchas se crean debido a la eliminación de material tanto del borde como del área del chaflán. Ocurren naturalmente en el punto donde se rompe el material (Fig. 11, centro y derecha). Como los defectos se producen durante el proceso de esmerilado o pulido, se clasifican como típicos. El siguiente análisis contiene la comparación de estos defectos típicos dentro de las distintas series de pruebas.

Análisis microscópico de la serie de pruebas.

Las imágenes microscópicas de las superficies permiten la primera evaluación y caracterización de la calidad de los bordes. La Figura 12 muestra secciones representativas de las superficies del chaflán 1, el borde y el chaflán 2 de la serie de pruebas con diferentes muelas de copa de pulido (series de prueba A, B y C). La disposición de las imágenes corresponde a las zonas de transición de las superficies adyacentes. Las superficies de los chaflanes se muestran 4 veces más grandes que las superficies de los bordes.

La comparación de las superficies de los bordes de las distintas series de pruebas no muestra diferencias significativas. Si se mira más de cerca, se puede ver el patrón de pulido con ligeras ranuras paralelas. Sin embargo, el patrón de molienda microscópicamente visible apenas es visible a nivel macroscópico. Por lo tanto, la superficie del borde se clasifica claramente como pulida.

La observación de las superficies de chaflán de la serie de pruebas revela diferentes cualidades, que se deben a las propiedades de las diferentes muelas de pulido de chaflán.

Serie A

Serie B

Serie C

Por tanto, la muela de copa de pulido C muestra los mejores resultados ópticos con la menor cantidad de virutas y concoidales. Macroscópicamente, la muestra de la serie de pruebas C también mostró la mejor calidad óptica del bisel con los menores defectos.

La figura 13 muestra imágenes microscópicas de la serie de pruebas con diferentes tamaños de chaflán (series de pruebas GS, KS y O). Para la producción del chaflán se utilizó la muela de copa de pulido C, ya que mostró los mejores resultados en el estudio de la muela de copa de pulido. Las roturas y concoidales de las series de prueba KS y GS se producen en un rango de 80 μm. Sólo una muestra de la serie de pruebas GS mostró desconchones y concoidales excepcionales en un rango de 450 μm. Además de esta única muestra, la calidad de la superficie del chaflán era reproducible. La diferencia de tamaño no era reconocible. Se suponía que la cantidad de material eliminado se podía notar en las zonas de transición a través de desconchones y concoides que se producían.

Una de cada superficie de chaflán de las series de pruebas KS y GS muestra el mismo patrón de rectificado suave casi sin dirección visible que la serie de pruebas C en la Fig. 12. En la serie de pruebas KS se ve un patrón de rectificado en el chaflán 2, mientras que la serie de pruebas GS muestra un patrón de rectificado en la superficie del chaflán 1. Debido al patrón de rectificado de las superficies del borde y del chaflán, es posible confirmar que la especificación de los chaflanes es correcta. Dado que el ajuste manual de la muela abrasiva de chaflán en las estaciones 4 y 6 (según Fig. 3) es la única diferencia entre las series de prueba KS y GS, la interacción entre la presión de rectificado y la cantidad de material eliminado puede causar la visible visibilidad. Además, una medición aleatoria de la anchura de los chaflanes de las probetas mostró que mediante el ajuste manual se obtienen diferentes tamaños de chaflanes.

Para la serie de pruebas O no se realizó ningún chaflán. Por lo tanto, en la Fig. 13 sólo se muestra la superficie del borde. La superficie del borde corresponde a la calidad óptica de las otras series de pruebas. En la zona de transición de la superficie del borde de la serie de pruebas O a la superficie de la hoja 2 se detectaron virutas individuales y conchas con un alcance de aproximadamente 300 µm. Dado que no se producen chaflanes, estos se deben a la eliminación del material del borde del vidrio.

Análisis de tensión de flexión y tracción.

Para el estudio de diferentes muelas de copa de pulido de chaflán y tamaños de chaflán, se probaron un total de 62 muestras. Las tensiones de flexión y tracción de cada muestra se determinaron a partir de la carga de fractura medida de acuerdo con la teoría de vigas de Euler-Bernoulli. Como parte del análisis, se consideró la posición global Xglob de la fractura, así como los orígenes exactos de la fractura. Se encontraron fracturas con origen en la superficie del borde (e), la superficie del chaflán (c), el área de transición entre el borde y la superficie del chaflán (tc) y la superficie del panel (p). Diez especímenes mostraron un origen de fractura en la superficie del panel y no fueron considerados en la evaluación. Además, nueve probetas se rompieron fuera de la zona cargada, donde se supone la mayor tensión. Estos ejemplares tampoco fueron tenidos en cuenta en la evaluación. Como solo se registró microscópicamente el área cargada, esos defectos no se pueden caracterizar ni correlacionar aún más con las imágenes microscópicas.

La Figura 14 muestra las tensiones de flexión y tracción determinadas para cada serie de pruebas en forma de diagramas de caja. La línea gruesa en un cuadro marca la mediana de los valores evaluados, mientras que los números (n) sobre los cuadros dan el número de especímenes evaluados. Los diagramas de caja grises contienen todas las muestras de una serie de pruebas con una fractura en el área cargada. Se realiza un desglose adicional dependiendo del origen de la fractura con una grieta inicial desde el borde (gráficos de caja morados), desde la transición (gráficos de caja azules) y el chaflán (gráficos de cajas verdes).

Generalmente, las tensiones de flexión y tracción de cada serie de pruebas muestran una gran dispersión. Comparando las series de pruebas A, B y C con diferentes muelas de copa de pulido, la serie de pruebas C mostró claramente la mayor tensión de flexión y tracción determinada. Además, la Tabla 3 muestra los respectivos valores mínimo, máximo y medio. La serie de pruebas C alcanzó la tensión de flexión y tracción más alta con 103,77 N/mm² y el valor medio más alto con 86,69 N/mm². Si observamos las tensiones de flexión y tracción de las series de pruebas GS y KS, según los diagramas de caja y la Tabla 3, son comparables a las de la serie de pruebas C. Sólo una muestra de la serie de pruebas GS muestra una tensión de flexión y tracción relativamente baja. La serie de pruebas O sin chaflán muestra una gran dispersión, pero en comparación con las series de pruebas A y B, las tensiones de flexión y tracción son aún ligeramente mayores.

Tabla 3 Resultados de los ensayos de flexión de cuatro puntos -mesa de tamaño completo

Hasta el momento, la diferenciación entre las posiciones del origen de la fractura no ha podido mostrar tendencias claras en relación con las tensiones de flexión y tracción. Contando el número de probetas con fisura inicial en el chaflán o zona de transición, el 60 % de las probetas presentaron rotura en el chaflán y el 40 % en el borde. Esto confirma el hecho de que las áreas de chaflán y transición son de especial interés ya que muestran más defectos que causan fracturas que el borde. Dado que el número de ejemplares evaluados en cada serie de pruebas es bastante reducido, las afirmaciones deben tomarse con cautela. Sin embargo, la tendencia de los resultados se discutirá y se tomará como base para exámenes posteriores.

Determinación de defectos causantes de fracturas.

La determinación de los defectos que causan fracturas permite una correlación con las tensiones de flexión y tracción. Para determinar el defecto causante de la fractura, se midió en el fragmento la distancia entre el origen de la fractura y las marcas. Con esta distancia se determinó el punto correspondiente en las imágenes intactas. La Figura 15 muestra los defectos que causan fracturas en la muestra con las tensiones de flexión y tracción mínimas y máximas determinadas de cada serie de pruebas. Las imágenes presentadas están escaladas con diferentes aumentos para ampliar la visibilidad del defecto. Una medición geométrica bidimensional del defecto aún no puede proporcionar información suficiente para una correlación y, por lo tanto, no se presenta aquí.

La primera fila en la Fig. 15 muestra la correlación de las tensiones de tracción y flexión más bajas de cada serie de pruebas. Las imágenes microscópicas muestran defectos claros. La muestra con la tensión de flexión y tracción más baja de la serie de pruebas GS se puede caracterizar como virutas y concoidales. Ese tipo de defectos se encontraron repetidamente en todo el espécimen. Por lo tanto, el análisis microscópico y la comparación con el otro ejemplar de la serie de pruebas GS mostró que era el único ejemplar de la serie con ese tamaño de virutas y concos. Comparando esta observación con las tensiones de flexión y tracción determinadas se explica la dispersión de la serie de ensayos GS. El defecto que causa la fractura de la muestra con la menor tensión de tracción y flexión de la serie de ensayos A es un arañazo. El rasguño es perpendicular al margen del borde. Este tipo de defecto no es representativo del proceso de esmerilado y pulido, ya que no está en la dirección del patrón de esmerilado. Se supone que fue causado después del proceso de esmerilado y pulido.

La segunda fila en la Fig. 15 muestra los defectos que causan fracturas con las tensiones de flexión y tracción más altas de la serie de pruebas. B, GS y KS no mostraron ninguna irregularidad óptica, lo que apoya la tesis de que una alta calidad óptica de las superficies se correlaciona con mayores tensiones de flexión y tracción. Sin embargo, no todos los defectos evidentes provocan una rotura prematura. Los defectos que causan fracturas en la muestra más fuerte de la serie de pruebas A y en la muestra más débil de la serie de pruebas B son rayones en la dirección del patrón de rectificado. Aunque la apariencia óptica en la superficie es bastante similar, las tensiones de flexión y tracción difieren en aproximadamente 45 N/mm22. La microscopía digital es un método no destructivo y sin contacto para el análisis de superficies, con un registro de imágenes de superficies bidimensionales. Por lo tanto, la profundidad de los rayones no se puede medir. Debido a la iluminación y a los rayos, se pueden detectar algunos arañazos y daños, que se caracterizan como más fuertes en comparación con el entorno. No se pueden detectar fisuras mediales especialmente estrechas, que provocan una rotura temprana.

determinación de fuerza

La combinación de parámetros de las series C y KS mostró los mejores resultados. Para determinar valores de resistencia con significancia estadística se realizaron una segunda serie de pruebas con 30 probetas cada una. Muchos orígenes de fracturas ocurrieron fuera del área cargada, lo que redujo la cantidad de muestra para la evaluación. En la Tabla 4 se muestran los resultados de la evaluación estadística con una distribución Weibull de dos parámetros. La determinación del 5 % de fractiles con un nivel de confianza del 95 % dio como resultado un valor de 42,74 N/mm² para la serie de pruebas C_2 y un valor de 52,09 N/mm² para la serie de pruebas KS_2. Aunque la serie de pruebas C_2 muestra un fractil inferior al 5 %, ambos están claramente por encima del valor límite de 36 N/mm² según DIN 18001 (2019).

Tabla 4 Resultados de la segunda serie de pruebas C_2 y KS_2 con una ampliación de la muestra -mesa de tamaño completo

Se examinaron microscópicamente diez muestras de cada una de las segundas series de pruebas, C_2 y KS_2. El análisis microscópico reveló que las superficies son comparables a las de la primera serie de pruebas. Dado que algunas de las probetas analizadas se rompieron fuera de la zona de carga, en ambas series de pruebas sólo fue posible correlacionar y detectar defectos causantes de fracturas en nueve probetas en total. La determinación de los defectos causantes de la fractura reveló algunos defectos atípicos.

Defectos típicos dependiendo del proceso de acabado.

La calidad, el tamaño y la frecuencia de los defectos pueden dar una idea de una buena interacción entre las distintas estaciones de procesamiento y los parámetros de procesamiento o revelar un desajuste. La combinación de altas presiones de contacto, eliminación excesiva de material y una inclinación incorrecta de las muelas pueden provocar un patrón de pulido fuerte en las superficies y grandes defectos en las áreas de transición. De este modo, el patrón de pulido se crea durante los primeros pasos de pulido y no puede compensarse posteriormente con los siguientes pasos de pulido. El pulido de la superficie circundante sólo hace que las ranuras o los rayones individuales sean particularmente visibles. Según los resultados disponibles actualmente, un patrón de pulido muy visible es sólo una imperfección óptica; No se pudo observar una reducción de la fuerza.

La correlación adicional de los registros microscópicos con las tensiones de flexión y tracción reveló que los defectos en la zona de transición, como astillas y conchas, rayones únicos y defectos atípicos, en su mayoría causan fracturas. Una aparición repetida de rayones visibles en la dirección del patrón de pulido puede indicar un mal estado de una muela de copa. El desconchado y las concoidales son causados ​​por la eliminación de material como resultado de la rotura en la transición. Las diferentes muelas de pulido pueden influir en la cantidad y el tamaño de los defectos.

Defectos atípicos

Los defectos atípicos detectados se correlacionaron con bajas tensiones de tracción y flexión. Por lo tanto, los defectos atípicos se consideran especialmente defectos que pueden reducir la resistencia del borde. Dado que los defectos atípicos no se producen en la dirección del rectificado, se puede suponer que se generan en el borde del vidrio después del proceso de acabado. Aunque los cristales se almacenan sobre bloques de silicona que deben proteger los bordes, se detectaron defectos en la dirección perpendicular al borde. Estos son críticos, ya que se soporta una grieta que se abre debido a tensiones de flexión y tracción. Para excluir defectos después del proceso de acabado, se debe proteger el borde directamente. Una posible protección es un embalaje directo o cubrir el borde con cinta adhesiva.

Influencia de las muelas de pulido en la zona de transición

La variación de las muelas biseladas para pulido tiene una influencia detectable microscópicamente en la formación de los defectos y en la forma del borde. El disco pulidor de resina sintética de la serie de pruebas A con grano fino de corindón de alta calidad garantiza transiciones nítidas. El grano fino no consigue reparar las ranuras y defectos en la zona de transición que se crean durante el desbaste con muelas diamantadas para el chaflán. La serie de pruebas B muestra un cambio en la geometría del borde debido a la muela de copa de pulido suave con un tamaño de grano medio de corindón de alta calidad.

La combinación del tamaño de grano medio con el aglomerante blando da como resultado un alisado redondo de la zona de transición hacia la superficie del borde. El sistema de unión suave de la muela de pulido se adapta a la forma del borde del vidrio y elimina mínimamente el material en el borde del vidrio. El objetivo de esta muela de copa de pulido era mejorar específicamente la calidad de los bordes sin provocar astillas ni conchas durante la eliminación del material y además provocar una distribución favorable de las tensiones. A pesar del alisado redondo se pudieron detectar defectos en rangos de tamaño constantes, que posiblemente se debieron a una abrasión adicional.

La muela de copa de pulido de la serie de pruebas C muestra los resultados más prometedores en cuanto a la reducción de defectos y mayores tensiones de flexión y tracción. La muela de copa de pulido con una composición de poros finos a base de poliuretano y un tamaño de grano interno produjo una imagen superficial sin ranuras en la superficie y con transiciones de bordes afilados. El área de transición de un lado mostraba desconchones y concoides. Como resultado, la muela de copa de pulido es lo suficientemente dura como para reparar la condición de la superficie después de los pasos de procesamiento de las muelas de diamante del chaflán, sin crear nuevos defectos.

Correlación entre las tensiones de tracción y el defecto causante de la fractura.

Las tensiones de flexión y tracción realizadas mostraron una gran dispersión. Una correlación de los defectos que causan fracturas reveló razones para una rotura temprana y bajas tensiones de tracción y flexión de una sola muestra. Además, las altas tensiones de flexión y tracción no pudieron correlacionarse con defectos claros. Los orígenes de las fracturas se encontraron en la superficie del borde, la superficie del chaflán, las áreas de transición y la superficie del panel. Las muestras con origen de fractura en la superficie del panel y con origen de fractura fuera del área cargada no fueron consideradas en la evaluación. Dentro de la probeta evaluada el 60 % de las probetas presentaron rotura del chaflán o la transición y el 40 % del borde. Por lo tanto, una reducción de los defectos en las zonas de chaflán y de transición con muelas de copa de pulido especiales puede provocar mayores tensiones de flexión y tracción. Se debe realizar un mayor número de muestras evaluadas para confirmar los resultados.

Fuerza del borde

Se realizaron las segundas series de pruebas C_2 y KS_2 para determinar valores de fuerza con significancia estadística. Ambos dieron como resultado valores de resistencia elevados por encima del valor límite de 36 N/mm² según DIN 18001 (2019). La serie de pruebas C_2 mostró un valor de resistencia de 42,74 N/mm², la serie de pruebas KS_2 un valor de resistencia de 52,09 N/mm². La correlación de los defectos que causan fracturas reveló algunos defectos atípicos, que podrían ser la razón de la gran cantidad de orígenes de fracturas fuera del área cargada. Por lo tanto, podría producirse una resistencia de borde aún mayor después de mejorar las condiciones de los bordes evitando defectos atípicos.

Uso del método microscópico.

Los exámenes mostraron que el método microscópico proporciona información significativa sobre la calidad de las superficies de vidrio procesadas. Permite caracterizar los fallos y defectos que se producen y además es útil para la evaluación de las pruebas de rotura, ya que se pueden detectar defectos que causan fracturas. Un registro detallado de una superficie bastante grande de 200 mm de cada muestra requiere ajustes individuales del microscopio, una buena capacidad de cálculo y algo de tiempo. Es imaginable que un método microscópico pueda servir de apoyo para el ajuste de la máquina rectificadora y un control frecuente de la calidad de la superficie del borde. Por lo tanto, el método es útil, pero aún no se adapta fácilmente en una cadena de producción práctica y necesita desarrollarse más para un posible uso en la práctica.

Los defectos y fallas ocurren naturalmente con los bordes procesados ​​y no se pueden prevenir por completo. Sin embargo, el objetivo de este estudio fue crear bordes pulidos y superficies biseladas con defectos superficiales reducidos y fallas en las áreas de transición de los bordes del vidrio. Con una muela de copa de pulido especialmente desarrollada de la serie de pruebas C se obtuvo un bisel procesado con defectos reducidos en las zonas de transición. Además, se determinaron tensiones de flexión y tracción cada vez mayores, lo que condujo a la determinación de una mayor resistencia del borde del vidrio. Esto demuestra que la calidad del borde resultante está fuertemente influenciada por la elección del disco de pulido.

La correlación de las tensiones de flexión y tracción y los defectos que causan fracturas muestra que los defectos microscópicamente perceptibles influyen en las tensiones de flexión y tracción. Sin embargo, es necesario realizar más estudios sobre la caracterización y medición geométrica de los defectos para especificar la influencia y los valores límite. La correlación también reveló defectos atípicos, que conducían a tensiones de flexión y tracción bajas. Estos pueden debilitar notablemente el vidrio. Por lo tanto, la cadena de producción debería prestar especial atención a la prevención de defectos atípicos.

Para generar declaraciones universales e identificar parámetros relevantes, el uso de métodos ópticos es beneficioso, ya que el análisis puede ayudar a controlar la producción de calidades de los bordes, ajustar las máquinas rectificadoras o detectar desajustes. El método y su uso razonable deben desarrollarse más para un uso práctico. En el curso posterior del examen, es necesario generar parámetros de proceso adicionales. Los exámenes se centrarán primero en un fabricante antes de la transferibilidad a otro. Con la generación de más parámetros estandarizados para los procesos de acabado de bordes de vidrio, se introducirán bordes de vidrio reproducibles de calidad regulada y una resistencia de borde generalmente válida. Esto permitirá un uso seguro y eficiente de los bordes de vidrio recocido para el diseño.

Financiamiento de acceso abierto proporcionado por Projekt DEAL. El proyecto de investigación Desarrollo de un nuevo proceso de rectificado para el biselado de vidrio (SAUM – Entwicklung eines neuartigen Schleifprozesses für Bauteile aus Glas) es un proyecto de investigación conjunto de Glaswerkstätten Frank Ahne GmbH, Artifex Dr. Lohmann GmbH & Co. KG y el Instituto de Construcción de la Universidad Técnica de Dresde. Fue financiado por el Ministerio Federal de Economía y Energía (ZF4123712TA7), en el marco del Programa Central de Innovación ZIM. Un agradecimiento especial al socio del proyecto Glaswerkstätten Frank Ahne GmbH por la buena cooperación, el apoyo técnico y la producción de las probetas.

Autores y afiliaciones

Universidad Técnica de Dresde, Dresde, Alemania - Paulina Bukieda, Katharina Lohr y Bernhard Weller

Artifex Dr. Lohmann GmbH & Co. KG, Kaltenkirchen, Alemania - Jens Meiberg

Correspondencia a Paulina Bukieda.

Conflicto de intereses

Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.