Estudio de la calidad óptica y resistencia de los cantos de 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:Estructuras de vidrio e ingeniería volumen 5, (2020)

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

Los bordes de vidrio resultan del corte de láminas de vidrio y un acabado adicional opcional. La interferencia mecánica en el vidrio de material quebradizo provoca fallas y grietas en la superficie del borde. Estos defectos influyen en la resistencia de todo el acristalamiento. Dentro del alcance de un proyecto de investigación en el Instituto de Construcción de Edificios de la Technische Universität Dresden, el proceso de esmerilado y pulido se examina en términos de efectos visibles característicos en el borde del vidrio y la resistencia del borde. Por lo tanto, un enfoque especial del proyecto de investigación es el impacto de varias ruedas de copa 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 una caracterización de defectos típicos en las superficies. Además, se realizan pruebas de flexión en cuatro puntos para determinar los esfuerzos de tracción por flexión en caso de falla. La combinación de ambos métodos permite un análisis del defecto causante de la fractura antes de la destrucción y una correlación entre la calidad de la superficie óptica y las tensiones de flexión y tracción. Además, la microscopía podría usarse para apoyar el ajuste de una máquina rectificadora y controlar las calidades de los bordes reproducibles. La evaluación muestra que un desarrollo especial de las muelas de copa de pulido para el chaflán puede mejorar la calidad de la superficie y, en consecuencia, aumenta 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 están creciendo con las demandas arquitectónicas modernas y los requisitos firmes para 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 causar tensiones críticas, especialmente en las áreas de los bordes. De acuerdo con los códigos de diseño vigentes 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 la norma alemana y austriaca (DIN 18008-1 2019 y ÖNORM B 3716-1 2016) se requiere una reducción del 80 % de la resistencia a la flexión característica del vidrio recocido. Esa reducción considera la alta dispersión de la resistencia del borde debido al procesamiento y representa un nivel mínimo de la resistencia del borde del vidrio.

La resistencia reducida de la fuerza del borde 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 en los bordes. Sin embargo, la mayor resistencia del borde 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 esa razón, es necesario un enfoque de diseño de seguridad 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 de vidrio son el resultado del corte de una hoja de vidrio y un acabado adicional opcional. El proceso de corte define la geometría y el tamaño de los cristales. 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 procesados ​​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 delantera. 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 van desde ambos lados de la superficie del cristal hacia la superficie del borde. Además, se definen las transiciones entre el borde y el chaflán (tc), así como entre el chaflán y la superficie del cristal (tp).

En la industria de la construcción, los diferentes tipos de cantos de vidrio se clasifican según la norma DIN 1249-11 (2017). El borde del corte se describe con márgenes nítidos, un área de corte limpia y una fractura irregular en el área rayada. Además del borde cortado, hay cuatro tipos de bordes procesados ​​con pasos de procesamiento y calidad óptica crecientes. Para producir un borde arista, se recortan los márgenes afilados y las fracturas irregulares de los bordes cortados. La superficie del borde no se procesa necesariamente. El borde esmerilado, el borde esmerilado liso y el borde pulido se definen en función de los pasos posteriores de esmerilado y pulido. Durante el proceso de rectificado, los pasos de procesamiento abrasivo y áspero siempre se llevan a cabo primero, lo que provoca una apariencia áspera. Posteriormente, las superficies se pulen con herramientas más finas que mejoran la 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 tienen una influencia en los esfuerzos de tracción por flexión en caso de falla y pueden tener que ser considerados para la resistencia del borde de todo el acristalamiento.

Exámenes experimentales en bordes de vidrio.

El grupo de trabajo Edge Strength de la Fachverband Konstruktiver Glasbau eV (FKG) realizó un amplio estudio experimental sobre la resistencia de los tipos de acabado de cantos, canto cortado, canto arrisado y canto rectificado liso. Allí, más de 1000 vigas de vidrio en 33 series de prueba de seis fabricantes diferentes se probaron en flexión de cuatro puntos (Ensslen 2013). Además, una selección de especímenes de cada serie de prueba se examinó microscópicamente en la superficie del borde antes de la destrucción. Kleuderlein et al. (2014) presentaron las diferencias en los tipos de superficies de los bordes entre los fabricantes en la Fig. 2. Para cada tipo de borde de vidrio, hay imágenes de tres fabricantes diferentes. Especialmente la calidad del borde arrisado difiere mucho. Un registro de los parámetros de procesamiento reveló que los bordes obtenidos se produjeron con diferentes máquinas rectificadoras (banda cruzada o muelas abrasivas).

El procedimiento de prueba para la determinación de la resistencia de los bordes del vidrio se refiere a la norma DIN 1288-3 (2000), que define la prueba de flexión de cuatro puntos del vidrio plano con una carga que se introduce 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 prueba se evaluaron estadísticamente con una distribución de Weibull de dos parámetros para determinar fractiles del 5 % con un nivel de confianza del 95 %, que corresponden a la resistencia a la flexión característica del vidrio.

De las 33 series de pruebas, solo dos series mostraron un 5 % de fractiles por debajo de la resistencia de 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 a un valor de 64,84 N/mm². La suposición generalizada de que los bordes esmerilados y pulidos siempre muestran una calidad de borde superior a la de los bordes cortados podría ser refutada. Una comparación dentro del mismo acabado de borde muestra que el impacto del fabricante es mucho mayor que el propio acabado. Por lo tanto, un borde bien cortado puede mostrar una mayor resistencia que un borde mal pulido 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 en función de la identificación de la fisura 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 la tensión. Los exámenes se concentraron en los diferentes tipos de bordes, diferentes fabricantes y dimensiones de vidrio. Los resultados confirman una gran variación de 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. Dentro de algunos exámenes microscópicos, se notó 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 las áreas de chaflán y 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 parámetros de corte "buenos" 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 se pueden correlacionar con la resistencia del borde. De esa forma, una estimación de la resistencia del borde de corte puede basarse en métodos ópticos (Müller-Braun et al. 2020).

Los exámenes anteriores del grupo de trabajo Edge Strength de la 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).

Esos hechos subrayan la necesidad de una comprensión más profunda de los procesos de acabado posteriores, una detección y especificación de los parámetros del proceso y la producción de calidades de borde comparables. Los parámetros de fabricación de esmerilado y pulido aún no se examinan científicamente. Solo una calidad de filo reproducible, basada en parámetros de proceso definidos, puede minimizar la dispersión de la resistencia del filo independientemente de los diferentes fabricantes. Esto es necesario para producir bordes de vidrio recocido procesado 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 brindar recomendaciones para los ajustes de procesamiento a 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 chaflán (c) y el área de transición (tc) para mejorar y crear una calidad óptica reproducible junto con una mayor resistencia de los bordes del vidrio. Por la presente, se varían tres herramientas de pulido y tamaños de chaflán diferentes.

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 por la prueba de flexión de cuatro puntos. Finalmente, los defectos causantes de la fractura se correlacionan con los esfuerzos de tracción por flexión determinados en el momento de la falla.

El proceso de esmerilado y pulido.

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

Se pueden diferenciar en rectificadoras de bordes verticales, de un solo lado y horizontales, de dos lados. Las muestras de este estudio se procesaron con una rectificadora vertical de bordes 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 rectificado se basa en este método. La máquina consta de once estaciones de esmerilado y pulido. En cada estación, las herramientas multigrano, llamadas muelas de copa, procesan el borde. Desde el exterior, solo se ven los motores de las muelas 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 de guía vertical y horizontal y luego se transporta al lado izquierdo a través de la rectificadora de bordes. El borde, que se procesará, está hacia abajo. La cinta guía horizontal transporta el vidrio a la primera estación. Luego, el vidrio es guiado a otras estaciones por dos correas de guía laterales. Éstos sujetan el vaso en posición recta y regulan la velocidad. En cada estación, una copa rotatoria de esmerilado o pulido procesa el borde desde abajo con una adición constante de agua de refrigeración. El agua de refrigeración evita el sobrecalentamiento de las muelas 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 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 molienda, que describe la cantidad de material eliminado al final del proceso, está regulada por la posición de la correa de guía horizontal.

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

En la rectificadora 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 de copa 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 requeridas se pueden conectar por separado en el proceso. El borde pulido pasa por todas las estaciones y por lo tanto pertenece al más alto nivel de calidad. Las configuraciones coincidentes de las muelas abrasivas y otros parámetros del proceso son esenciales para la producción de bordes de vidrio de alta calidad.

Esmerilado y pulido de muelas de copa

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

Los granos ásperos en combinación con aglomerantes duros, metálicos o de resina se utilizan para los pasos de procesamiento abrasivo. La imagen de la 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 removido puede acumularse en los segmentos y luego ser lavado por el agua de enfriamiento. La imagen central muestra una muela abrasiva de diamante con aglomerante de resina sintética, que es similar a la aglomerante metálica 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 rueda de copa 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 respaldo unidos elásticamente como poliuretano, caucho o resinas sintéticas modificadas en varios grados de elasticidad. La estructura química del respectivo sistema de unión en combinación con el grano abrasivo influye en las propiedades finales de la herramienta. Los granos más finos en aglutinantes elásticos más blandos se utilizan para crear superficies lisas y transparentes. El óxido de cerio es un grano adecuado para el alto pulido, ya que permite una eliminación por esmerilado mecánico y químico. La reacción química disuelve los átomos del vidrio, que luego sobresalen 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 rectificado en 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 adecuada interacción. 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 máquina rectificadora son altas y no se examinan lo suficiente. Sin embargo, las influencias de los parámetros individuales del proceso pueden derivarse de los principios de trabajo de la molienda. Un alto número de rotaciones de las muelas de copa combinadas con una velocidad lenta asegura que la muela abrasiva esté en contacto con la superficie del vidrio con más frecuencia. Esto debería mejorar los procesos de eliminación y pulido del material físico. 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 lo tanto, se examinan ópticamente y en términos de resistencia del borde tres muelas de copa de pulido diferentes para el chaflán.

Descripción general

Para evaluar la calidad de las superficies del borde y del chaflán y obtener conclusiones sobre los defectos que pueden causar la fractura, se desarrolló un programa de prueba experimental de tres pasos. Primero, los bordes y las superficies biseladas se registraron microscópicamente y se examinaron. 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 causante de la fractura mediante una comparación con las imágenes registradas de la superficie antes de la rotura.

Muestra

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

Análisis microscópico

El análisis microscópico de la superficie se realizó con un microscopio óptico digital de Zeiss con un posible aumento de 34x a 1100x. Se marcaron y registraron las superficies de borde y chaflán de todos los especímenes de prueba. Eso permitió una caracterización de la calidad del borde y una mayor localización del defecto que causa la fractura. Las superficies registradas cubren la mitad de la muestra y tienen una longitud de unos 200 mm (el área está marcada en la Fig. 7). Esa área especial corresponde al área cargada en la siguiente prueba de flexión de cuatro puntos. Por tanto, existe 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 70x, las superficies de chaflán con un aumento de 100x. La figura 8a muestra el microscopio con un soporte inclinado para el registro de las imágenes de las superficies biseladas y un ejemplo de registro microscópico de aproximadamente 20 mm de una superficie biselada (Fig. 8b).

Flexión de cuatro puntos

Los ensayos de flexión en cuatro puntos se realizaron con referencia a la norma DIN EN 1288-3 (2000) y los exámenes del grupo de trabajo Edge Strength de la FKG cargando las probetas de vidrio en flexión sobre el eje resistente. El borde examinado mira hacia abajo donde se producen los esfuerzos de flexión y tracción. La figura 9 muestra la configuración de la prueba en la Technische Universität Dresden y un pictograma correspondiente. El cojinete de bolas y los soportes laterales en los extremos de la viga se combinan en un sistema de cojinete de bolas de apoyo. La muestra se apoya verticalmente sobre bloques de POM de 80 mm de ancho, con una luz de 1000 mm. La carga se introduce puntualmente dentro de un espacio de 200 mm a través de pequeños bloques de POM, que descansan sobre 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 o no una prueba (Fig. 10). Solo 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 de la fisura inicial (Quinn 2016, 7–10). Para localizar el defecto que causa la fractura en las imágenes registradas 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 trituraron con una velocidad de 2 m/min y una profundidad de trituración de 1 mm. La profundidad de esmerilado describe la cantidad de material que se elimina del borde del vidrio durante el proceso de esmerilado. Antes del proceso de esmerilado, las grietas medianas visibles que resultan del proceso de corte (Müller-Braun et al. 2020) se midieron con una longitud de aproximadamente 300 μmμm. Con la profundidad de esmerilado elegida de 1 mm, las grietas medianas visibles del proceso de corte se eliminan por completo.

Por lo tanto, se supone que se excluye una influencia del proceso de corte. Sin embargo, la suposición debe verificarse en una serie de pruebas adicional rectificando diferentes calidades de bordes cortados con parámetros de proceso de rectificado constantes. El sistema de unión y el tipo de grano de las muelas de copa usadas se enumeran en la Tabla 1. La presión de contacto ajustable de cada muela de copa se fijó y registró de acuerdo con la experiencia del fabricante y los resultados ópticos macroscópicos durante la producción. Como depende de la abrasión de la muela de copa usada, puede variar dentro de la serie de pruebas.

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

Tabla 2 Serie de pruebas examinadas -mesa de tamaño completo

La Tabla 2 ofrece una descripción general de la serie probada. En total, se examinaron para las estaciones 5 y 7 (según la Fig. 3) tres muelas de copa de pulido diferentes para el chaflán de la empresa Artifex. Para las probetas de la serie de ensayos A se utilizó una muela de copa de pulido ligada con resina con un grano muy fino de corindón. Este tipo de rueda de copa de pulido se clasifica como dura. Las probetas de la serie de ensayos B se fabricaron con una muela de copa de pulido de poliuretano como aglomerante y corindón de tamaño de grano medio.

Por lo tanto, se produce una espuma de poliuretano más suave, lo que clasifica la copa de pulido como suave. Dentro del alcance del proyecto de investigación, se desarrollaron para el chaflán muelas de copa de pulido especiales hechas de un sistema de aglomerante de poliuretano y un grano interno. Éstos se expanden en una espuma de poliuretano finamente porosa pero dura. La composición exacta está sujeta al acuerdo de confidencialidad con la empresa Artifex. Los especímenes de la serie de prueba C se produjeron con la rueda de copa de pulido especialmente desarrollada.

Además, se examinaron tres series de prueba con un tamaño de chaflán variable para probar 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. Para un chaflán pequeño (serie de prueba KS), los ajustes deben eliminar aproximadamente 0,5 mm del ancho del borde en cada lado, lo que lleva a un ancho de chaflán de 0,7 mm.

El chaflán grande (serie de prueba GS) con un ancho de aproximadamente 1,7 mm se creó ajustando las muelas abrasivas de chaflán a una remoción de 1,5 mm en cada lado. Además, se produjo una serie de prueba con un borde pulido pero sin chaflán (serie de prueba O). El objetivo era evitar defectos causados ​​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 muestras de prueba.

Superficies y defectos típicos

El análisis microscópico ayudó a obtener información general sobre el borde procesado y las superficies de chaflán. Algunas superficies típicas y los defectos que ocurren se muestran en la Fig. 11. El impacto de las muelas de copa sobre el vidrio deja un patrón de molienda en la superficie, que puede asociarse con la dirección de rotación de las muelas de copa. El patrón de esmerilado se puede reconocer como un patrón consistente de ranuras en la superficie. Además, se determinaron los defectos típicos como rasguños individuales en la dirección del patrón de pulido, fallas en las áreas de transición, descritas más adelante como astillas y concoidales.

Los rasguños individuales visibles (Fig. 11, izquierda) en la dirección del patrón de pulido pueden ser causados ​​por una remoción insuficientemente dimensionada de la abrasión del vidrio, un grano abrasivo expuesto o roto de la muela de copa. Se crean astillas y concoidales debido a la remoción 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 diferentes 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 del borde. La figura 12 muestra secciones representativas de las superficies del chaflán 1, el borde y el chaflán 2 de la serie de prueba con diferentes muelas de copa de pulido (serie de prueba A, B y C). La disposición de las imágenes corresponde a las áreas de transición de las superficies adyacentes. Las superficies de chaflán se muestran ampliadas 4 veces, en comparación con las superficies de los bordes.

La comparación de las superficies de los bordes de las series de pruebas individuales no muestra diferencias significativas. En una inspección más cercana, se puede ver el patrón de pulido con leves surcos paralelos. Sin embargo, el patrón de molienda visible microscópicamente es apenas visible a nivel macroscópico. Por lo tanto, la superficie del borde se clasifica claramente como pulida.

La observación de las superficies biseladas de la serie de prueba revela diferentes cualidades, que se remontan a las propiedades de las diferentes muelas de copa de pulido biseladas.

Serie A

Serie B

Serie C

Por lo tanto, la rueda 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 de chaflán óptico con la menor cantidad de defectos.

La figura 13 muestra imágenes microscópicas de la serie de prueba con un tamaño de chaflán variable (serie de prueba GS, KS y O). Para la producción del chaflán se utilizó la muela de copa pulidora de chaflán C, ya que mostró los mejores resultados en el estudio de la muela de copa pulidora. Las astillas y concoidales de las series de prueba KS y GS se producen en un rango de 80 μm. Solo un espécimen de la serie de prueba GS mostró astillado y concoidales excepcionales en un rango de 450 μm. Además de este único espécimen, la calidad de la superficie del chaflán fue reproducible. El tamaño diferente no era reconocible. Se asumió que la cantidad de remoción de material podría notarse en las áreas de transición a través del descascarillado y concoidales.

Una de las superficies de cada chaflán de las series de prueba KS y GS muestra el mismo patrón de esmerilado suave casi sin dirección visible que la serie de prueba C en la Fig. 12. En la serie de prueba KS se ve un patrón de esmerilado en el chaflán 2, mientras que la serie de prueba GS muestra un patrón de esmerilado en la superficie del chaflán 1. Debido al patrón de esmerilado 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 la 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 el visible visibilidad Además, una medición aleatoria del ancho del chaflán de las muestras mostró que el ajuste manual da como resultado diferentes tamaños de chaflán.

Para la serie de prueba O no se produjo ningún chaflán. Por lo tanto, solo la superficie del borde se presenta en la Fig. 13. Las superficies del borde corresponden a la calidad óptica de las otras series de prueba. En la zona de transición de la superficie del borde de la serie de pruebas O a la superficie del cristal 2 se detectaron astillas individuales y concoidales con un rango de aproximadamente 300 μm. Como no se produce ningún chaflán, se pueden atribuir a la eliminación de material del borde del vidrio.

Análisis de tensión de flexión por tracción

Para el estudio de las 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 vidrio (p). Diez especímenes mostraron un origen de fractura en la superficie del panel y no se consideraron en la evaluación. Además, nueve especímenes se rompieron fuera del área cargada, donde se supone la mayor tensión. Esos especímenes tampoco fueron tomados en cuenta en la evaluación. Como solo se registró microscópicamente el área cargada, esos defectos no se pueden caracterizar ni correlacionar 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 recuadro marca la mediana de los valores evaluados, mientras que los números (n) sobre los recuadros dan el número de especímenes evaluados. Los diagramas de caja grises contienen todos los especímenes de una serie de prueba con una fractura del área cargada. Se realiza un desglose adicional según el origen de la fractura con una grieta inicial desde el borde (diagramas de caja morados), desde la transición (diagramas de caja azules) y el chaflán (diagramas de caja verdes).

En general, las tensiones de flexión y tracción de cada serie de ensayos muestran una gran dispersión. Comparando las series de prueba A, B y C con diferentes muelas de copa de pulido, la serie de prueba C mostró claramente la tensión de tracción por flexión más alta determinada. Adicionalmente, la Tabla 3 muestra los respectivos valores mínimo, máximo y medio. La serie de ensayos C alcanzó con 103,77 N/mm² la tensión de flexión más alta y con 86,69 N/mm² el valor medio más alto. En cuanto a los esfuerzos de tracción por flexión de las series de prueba GS y KS, según los diagramas de caja y la Tabla 3, son comparables a la serie de prueba C. Solo una muestra de la serie de prueba GS muestra una tensión de tracción por flexión relativamente baja. La serie de prueba O sin chaflán muestra una gran dispersión, pero en comparación con las series de prueba A y B, las tensiones de flexión por tracción son ligeramente más altas.

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

Hasta el momento, la diferenciación entre las posiciones del origen de la fractura no pudo mostrar tendencias claras con respecto a los esfuerzos de flexión por tracción. Contando el número de probetas con fisura inicial desde el chaflán o la zona de transición, el 60 % de las probetas tenían rotura desde el chaflán y el 40 % del borde. Eso 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. Como el número de especímenes evaluados en cada serie de pruebas es bastante bajo, las declaraciones deben tomarse con precaución. Sin embargo, la tendencia de los resultados será discutida y tomada como base para exámenes posteriores.

Determinación de defectos causantes de fracturas

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

La primera fila de la Fig. 15 muestra la correlación de los esfuerzos de tracción por flexión más bajos de cada serie de pruebas. Las imágenes microscópicas muestran defectos claros. El espécimen con el esfuerzo de tracción por flexión más bajo de la serie de prueba GS se puede caracterizar como astillas 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 espécimen de la serie de prueba GS mostró que era el único espécimen de la serie con ese tamaño de astillas y concoidales. Comparando esa observación con los esfuerzos de flexión por tracción determinados, se explica la dispersión de la serie de prueba GS. El defecto causante de la fractura de la probeta con el esfuerzo de tracción por flexión más bajo de la serie de ensayos A es un rasguño. 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 de la Fig. 15 muestra los defectos que causan fracturas con los esfuerzos de tracción por flexión más altos de la serie de pruebas. B, GS y KS no mostraban ninguna irregularidad óptica, lo que respalda la tesis de que una alta calidad óptica de las superficies se correlaciona con mayores esfuerzos de tracción por flexión. Sin embargo, no todos los defectos evidentes provocan una rotura prematura. Los defectos que causan la fractura de la probeta más fuerte de la serie de pruebas A y la probeta más débil de la serie de pruebas B son arañazos 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 superficiales bidimensionales. Por lo tanto, la profundidad de los arañazos no se puede medir. Debido al foco y los rayos, se pueden detectar algunos rasguños y daños y caracterizarlos como más fuertes en comparación con el área circundante. Las grietas mediales especialmente estrechas, que provocan una rotura prematura, no pueden detectarse.

Determinación de fuerza

La combinación de parámetros de las series C y KS mostró los mejores resultados. Para determinar los valores de resistencia con significancia estadística, se produjeron una segunda serie de pruebas con 30 especímenes cada una. Muchos orígenes de fracturas ocurrieron fuera del área cargada, lo que redujo la cantidad de especímenes para la evaluación. La Tabla 4 muestra los resultados de la evaluación estadística con una distribución de Weibull de dos parámetros. La determinación de fractiles del 5 % con un nivel de confianza del 95 % dio como resultado un valor de 42,74 N/mm² para la serie de prueba C_2 y un valor de 52,09 N/mm² para la serie de prueba KS_2. Aunque la serie de pruebas C_2 muestra un fractil inferior del 5 %, ambas 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 muestra ampliada -mesa de tamaño completo

Se examinaron microscópicamente diez muestras de cada una de las segundas series de prueba, C_2 y KS_2. El análisis microscópico reveló que las superficies son comparables a la primera serie de pruebas. Como algunos de los especímenes analizados se rompieron fuera del área cargada, fue posible una correlación y detección de defectos causantes de fracturas para solo nueve especímenes en total para ambas series de prueba. La determinación de los defectos causantes de la fractura reveló algunos defectos atípicos.

Defectos típicos en dependencia del proceso de acabado

La calidad, el tamaño y la frecuencia de los defectos pueden dar una idea de una buena interacción de las estaciones de procesamiento individuales y los parámetros de procesamiento o revelar un desajuste. La combinación de altas presiones de contacto, remoción excesiva de material y una inclinación incorrecta de las muelas abrasivas puede causar un fuerte patrón de pulido en las superficies y grandes fallas en las áreas de transición. Por lo tanto, el patrón de esmerilado se crea durante los primeros pasos de esmerilado y no puede compensarse posteriormente con los pasos de pulido posteriores. El pulido de la superficie circundante solo hace particularmente visibles las ranuras o los rasguños individuales. Según los resultados actualmente disponibles, un patrón de esmerilado muy visible es solo 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 las fallas en el área de transición, como astillas y concoidales, rasguños únicos y defectos atípicos son en su mayoría causantes de fracturas. Una aparición repetida de rayones visibles en la dirección del patrón de esmerilado puede mostrar una mala condición de una muela de copa. El astillado y las concoidales son causados ​​por la remoción de material como resultado de la ruptura en la transición. Diferentes ruedas de copa 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 flexión y tracción. Por lo tanto, los defectos atípicos se ven especialmente como defectos que pueden reducir la resistencia del borde. Dado que los defectos atípicos no se dan en la dirección del esmerilado, se puede suponer que se generan en el borde del vidrio después del proceso de acabado. Aunque los paneles de vidrio se almacenan en bloques de silicona que deben proteger los bordes, se detectaron defectos con una dirección perpendicular al borde. Esos son críticos, ya que se admite una grieta que se abre a través de esfuerzos de flexión y tracción. Para excluir defectos después del proceso de acabado, el borde debe protegerse directamente. Una posible protección es un embalaje directo o enmascarar el borde con alguna cinta adhesiva.

Influencia de las muelas de copa de pulido en la zona de transición

La variación de las muelas de copa de pulido de chaflán tiene una influencia microscópicamente detectable en la formación de los defectos y la forma del borde. El disco de copa de pulido aglomerado con resina sintética de la serie de pruebas A con un grano fino de corindón de alta calidad garantiza transiciones de bordes afilados. El grano fino no logra reparar las ranuras y los defectos en el área de transición, que se crean durante la remoción de material con muelas abrasivas de diamante para el chaflán. La serie de pruebas B muestra un cambio en la geometría del borde debido a la rueda 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 aglutinante suave da como resultado un alisado redondo del área de transición hacia la superficie del borde. El sistema de unión suave de la rueda de copa de pulido se adapta a la forma del borde del vidrio y elimina mínimamente el material en el borde del vidrio. La intención de esta rueda de copa de pulido era mejorar específicamente la calidad del borde sin causar astillas ni concoides por la remoción de material y además causar una distribución de tensión favorable. A pesar del alisado redondo, se pudieron detectar fallas en rangos de tamaño constante, que posiblemente fueron causadas por una abrasión adicional.

La rueda de copa de pulido de la serie de pruebas C muestra los resultados más prometedores para la reducción de defectos y mayores tensiones de tracción por flexión. 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 surcos en la superficie y con transiciones de bordes afilados. El área de transición de un lado mostraba astillado y concoidales. Como resultado, la copa de pulido es lo suficientemente dura como para reparar la condición de la superficie después de los pasos de procesamiento de las muelas abrasivas de diamante del chaflán, sin crear nuevos defectos.

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

Los esfuerzos de tracción por flexión realizados mostraron una gran dispersión. Una correlación de los defectos causantes de la fractura reveló las razones de una rotura prematura y una baja tensión de flexión por tracción 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. Los especímenes con un origen de fractura en la superficie del panel y un origen de fractura fuera del área cargada no se consideraron en la evaluación. Dentro de la probeta evaluada el 60 % de las probetas presentaron rotura del chaflán o de la transición y el 40 % del borde. Por lo tanto, una reducción de los defectos en las áreas de chaflán y transición con muelas de copa de pulido especiales puede causar mayores esfuerzos de tracción por flexión. Se debe realizar un mayor número de especímenes evaluados para confirmar los resultados.

Fuerza del borde

La segunda serie de ensayos C_2 y KS_2 se realizaron para determinar valores de resistencia con significación estadística. Ambos dieron como resultado valores de alta resistencia por encima del valor límite de 36 N/mm² según DIN 18001 (2019). La serie de prueba C_2 mostró un valor de resistencia de 42,74 N/mm², la serie de prueba KS_2 un valor de resistencia de 52,09 N/mm². La correlación de los defectos causantes de 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, se podría producir una resistencia de borde aún mayor después de mejorar las condiciones de los bordes para evitar 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 una caracterización de fallas y defectos que ocurren y es más 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 espécimen necesita ajustes individuales del microscopio, una buena capacidad de computación y algo de tiempo. Es imaginable que se pueda utilizar un método microscópico como apoyo para el ajuste de la rectificadora y un control de calidad frecuente de las cualidades 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 rueda de copa de pulido especialmente desarrollada de la serie de prueba C, se produjo un chaflán procesado con defectos reducidos en las áreas de transición. Junto con eso, se determinaron las crecientes tensiones de tracción por flexión, lo que condujo a la determinación de una mayor resistencia del borde del vidrio. Eso demuestra que la calidad del borde resultante está fuertemente influenciada por la elección de la copa de pulido.

La correlación de las tensiones de flexión por tracción y los defectos causantes de fracturas muestra que los defectos perceptibles microscópicamente tienen una influencia en las tensiones de flexión por tracción. Sin embargo, es necesario realizar más exámenes sobre la caracterización y la medición geométrica de los defectos para especificar la influencia y los valores límite. La correlación también reveló defectos atípicos, lo que condujo a bajas tensiones de flexión y tracción. Esos pueden debilitar el vidrio notablemente. Por lo tanto, un fuerte enfoque en la cadena de producción debe ser 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 filo, ajustar rectificadoras o detectar desajustes. El método y su uso razonable deben desarrollarse aún más para un uso práctico. En el curso posterior del examen, se deben generar parámetros de proceso adicionales. Los exámenes se concentrarán primero en un fabricante antes de la transferencia a un segundo. Con la generación de más parámetros estandarizados para los procesos de acabado de los bordes de vidrio, se introducirán bordes de vidrio reproducibles de calidad regulada y una resistencia de borde generalmente válida. Eso 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 chaflán 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 para la Construcción de Edificios en la Technische Universität Dresden. Fue financiado por el Ministerio Federal de Asuntos Económicos y Energía (ZF4123712TA7), como parte del Programa Central de Innovación ZIM. Un agradecimiento especial al socio del proyecto Glaswerkstätten Frank Ahne GmbH por la buena cooperación, el soporte técnico y la producción de muestras de prueba.

Autores y Afiliaciones

Universidad Técnica de Dresden, Dresden, Alemania - Paulina Bukieda, Katharina Lohr & Bernhard Weller

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

Correspondencia a Paulina Bukieda.

Conflicto de intereses

Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.