Pojava anizotropije kod kaljenog stakla
Dr. Romain Decourcelle (1)
Guillaume Kaminski (2)
Francis Serruys (3)
(1) Saint-Gobain Glass France – CRDC
(2) Eckelt Glas GmbH
(3) Saint-Gobain Building Glass Europe
Možemo slobodno da kažemo da je jedno od najvažnijih otkrića u industriji stakla koje se dogodilo 2016 godine, razvoj mrežne opreme za vizualizaciju anizotropije. To je veoma bitno otkriće obzirom da je anizotropija kao pojava neizbežna kod termičke obrade stakla.
Rezultat je on-line oprema sposobna da vizualizuje i kvantifikuje nivo anizotropije svakog pojedinačnog termički obrađenog stakla na temelju foto-elastične teorije. To nam omogućava naučni pristup kvantifikovanja nivoa anizotropije.
Upotrebom ove metode za procenu nivoa anizotropije svakog pojedinačnog termički obrađenog stakla, garantuje nam konzistentnost proizvedenog stakla sa odobrenim uzornim staklom u slučaju arhitektonskog projekta.
1. Uvod
Slika 1. Anizotropija vidljiva na fasadi
1.1 Anizotropija
Proces kaljenja stvara područja različitog naprezanja u poprečnom preseku stakla. Ta područja različitog naprezanja proizvode dvoslojni efekat u staklu, koji je vidljiv kada staklo posmatramo kroz polarizovanu svetlost.
Kada se termički kaljeno sigurnosno staklo posmatra kroz polarizovanu svetlost, područja različitog naprezanja se prikazuju u različitim bojama koje zovemo „leopardove šare“. Polarizovana svetlost, javlja se pri normalnom dnevnom svetlu. Količina polarizovane svetlosti zavisi od vremena i ugla sunčevih zrakova. Dvoslojni efekat je uočljiviji ukoliko se posmatra pod oštrim uglom ili kroz polarizovana stakla na naočarama.
Pojava predstavlja prirodno, fizičko svojstvo kaljenog stakla i ne može se eliminisati.
ASTM C1048 – 12 Standard
Specifikacija toplotno ojačanog i potpuno kaljenog ravnog stakla [4] definiše anizotropiju kao: 7.4 Obrazac naprezanja – Uzorak naprezanja, takođe poznat kao iridescencija, svojstven svim toplotno ojačanim i potpuno kaljenim staklima.
Gore definisan obrazac naprezanja može postati vidljiv pod određenim osvetljenjem kao i drugim uslovima.
To je karakteristika termički obrađenog stakla i ne sme se pogrešno shvatiti kao promena boje, neujednačenih nijansi boja ili kao nedostatak na staklu. Obrazac naprezanja ne utiče na bilo kakva fizička svojstva ili vrednosti performansi samog staklenog polja.
Razvijena je metoda vizualizacije koja omogućava poboljšanje homogenosti zagrevanja i hlađenja stakla tokom procesa toplotne obrade, modifikovanjem postavki parametara kaljenja same komore, čime se smanjuju razlike napona u staklu.
Kvantifikacija zasnovana na fotoelastičnoj teoriji omogućiće izračunavanje optičke retardacije. Rezultat proračuna omogućiće ne samo bolje upoređivanje celokupnog izgleda anizotropije svakog pojedinačnog termički obrađenog stakla, već i određivanje nivoa koji će biti dostignut.
2. Obrada stakla i anizotropija
Anizotropija je neizbežna posledica procesa toplotne obrade kako bi se dobilo termički ojačano staklo (HS) ili termički kaljeno sigurnosno staklo koje zovemo još i potpuno kaljeno (FT) staklo. Ovaj postupak termičke obrade možemo podeliti u 3 faze:
A / Zagrevanje stakla u peći do temperature od približno 680°C,
B / Sledi više ili manje naglo hlađenje stakla radi unošenja naprezanja u samo stakleno polje,
C / Hlađenje
Postupak se mora kontrolisati na takav način da zagrevanje i hlađenje stakla budu što homogenije.
Oscilacije stakala tokom prve faze hlađenja u gašenju je kritična. Optimizovani postupak hlađenja određujemo tako što uzimamo u obzir brzinu hlađenja (HS ili FT) kao i moguću putanju oscilovanja. Put oscilovanja određuje se shodno dimenzijama stakala i dužinom zone hlađenja ili gašenja.
Kako je dužina gašenja fiksna i kako je brzina hlađenja za dobijanje stakla ojačanog termičkom obradom niža u poređenju sa potpuno kaljenim staklom, staklo ojačano termičkom obradom, imaće više anizotropije od potpuno kaljenog stakla.
Isto obrazloženje može se dati i za deblje staklo koje je termički obrađeno, tj. što je staklo deblje, to će trebati više vremena pre nego što staklo dostigne temperaturu ispod temperature tranzicije stakla. Prema tome, što je staklo deblje to je veći rizik od vidljive anizotropije. Nivo anizotropije je ustaljen nakon što se izvrši toplotna obrada.
3. Mere za kontrolu anizotropije
Optimizacija procesa toplotne obrade može se proceniti proverom nivoa anizotropije nakon postupka toplotnog ojačanja ili kaljenja. U idealnom slučaju to bi trebalo da se radi za svako stakleno polje. Stoga je razvijena on-line oprema za inspekciju koja omogućuje vizualizaciju anizotropije svakog staklenog polja koje izlazi iz opreme za kaljenje.
Veoma je važno da on-line inspekcija daje potpuno iste podatke kao i slika dobijena off-line opremom za vizualizaciju.
Slika 2 prikazuje uporedno dve slike koje su nastale pomoću off-line i on-line opreme.
Slika 2. 100% podudaranje vizualizacije anizotropije dobijene sa polariskopom i on-line opremom za vizualizaciju
4. Prikupljanje on-line anizotropnih slika
Mnogi parametri utiču na vizualizaciju anizotropije. Najvažniji parametri su: vrsta svetlosti koja se koristi – monohromatska ili bela svetlost – kao i vrsta polarizacionog filtera, tj. linearni ili kružni polaroidni filter.
4.1. Izoklinike
Snop polarizovane svetlosti koji ulazi u termički obrađeno staklo biće podeljen na dve osnovne ose, jer je staklo podvrgnuto naprezanjima nakon termičke obrade i shodno tome ponaša se kao dvorazlomni materijal.
Osnovne ose su normalne jedna na drugu, a svetlosni talasi, kreću se različitim brzinama kroz materijal, pa će jedna biti sporija u odnosu na drugu prilikom prolaska kroz termički obrađeno staklo.
Ova retardacija rezultira faznom razlikom između dva talasa pri izlasku iz stakla. Ako nema faznog pomaka, ekran će biti crn jer će se komponente međusobno eliminisati.
Međutim, ekran će takođe biti crn ako se smer polarizacije podudara s jednom od glavnih osa naprezanja jer se polarizovana svetlost koja ulazi u staklo neće deliti iako u staklu može postojati nehomogeno stanje naprezanja.
Ovi rubovi, zvani izoklinike, pokazuju tačke u kojima je smer glavnog naprezanja jednak, ali ne zavise od veličini naprezanja. Shodno tome, izoklinike neće davati nikakve informacije povezane sa pojavom anizotropije.
4.2. Kružni polariskop
Kad monohromatska svetlost prolazi kroz linearni polarizator, termički obrađeno staklo i linearni analizator koji je na 90° prema polarizatoru, mogu se videti dve različite resice, tj. izoklinika i izohromatika.
Kako izoklinike nisu u mogućnosti da nam dostave informacije o pojavi anizotropije, u tom slučaju koristimo kružni polaroidni filter. Ovaj optički raspored eliminisaće izoklinike i zadržati izohromatske rese. Ove rese mogu se smatrati lokacijom svih tačaka koje imaju jednaku razliku u glavnom naprezanju.
Uklanjanje izokliničkih resa znači da ne postoji prepoznatljiv smer za polarizovani snop svetlosti. To je u suprotnosti s upotrebom linearnog polaroidnog filtera gde se intenzitet svetlosti menja sa orijentacijom ose polarizacije (tj. intenzitet svetlosti posmatranog uzorka biće maksimalan pri faznom pomeranju od pola talasne dužine).
4.3. Belo svetlo
Bela svetlost se sastoji od više razlišitih talasnih dužina. Ako se takav izvor svetlosti koristi u kombinaciji s kružnim polaroidnim filterom, primetićemo obrazac pun raznobojnih izohromatskih resa, kao što je prikazano na slici 3.
Slika 3. Višebojne rese
Boja izohromatskih resa zavisi od toga koje se talasne dužine gase. Na slici 4 može se videti da što je veća relativna retardacija, to se više boja može istovremeno ugasiti.
Slika 4. Boje ugašene za različite relativne retardacije
5. Kvantifikacija
Budući da se kvalitet tehnologije prikupljanja slika znatno poboljšao tokom protekle decenije, optička retardacija može se odrediti primenom metode koja se zasniva na RGB-fotoelastičnosti [5].
Slika 5. Izvorna slika dobijena on-line opremom za vizualizaciju
Slika 6. Slika koja prikazuje optičku retardaciju
Na slici 5 možemo da vidimo izvornu sliku koju smo dobili zahvaljujući on-line opremi za vizualizaciju. Za svaki piksel ove slike retardacija se određuje poređenjem RGB vrednosti sa kalibrisanom skalom za dati sistem. Ovaj postupak rezultira obojenom slikom 6 koja prikazuje optičku retardaciju u svakoj tački.
Pomoću slike 6 možemo nacrtati grafikon (slika 7) koji prikazuje optičku retardaciju u odnosu na procenat površine stakla. Primer: 66% staklene površine ima optičku retardaciju ispod ili jednaku 50 nm.
Slika 7. Optička retardacija u odnosu na površinu stakla
Što je krivulja strmija, anizotropija će biti manje vidljiva jer će optička retardacija biti mala što ukazuje na to da će razlika napona na celoj površini stakla biti manja, tj. raspodela napona će biti homogenija. [6]
Zahvaljujući ovom dijagramu, možemo izvršiti statističku procenu kako što je prikazano u tabeli 1.
Upotreba kvantila, preporučuje se za upoređivanje nivoa anizotropije između različitih pojedinačnih termički obrađenih staklenih polja kod jedne ili više različitih serija.
Ako su vrednosti optičke retardacije za 5% i 95% kvantila gotovo jednake, u tom slučaju krivulja je veoma strma, što znači da anizotropija gotovo da neće biti vidljiva.
| Maksimum | 349.00 | Kvantil 5 | 0 |
| Prosečno | 22.27 | Kvantil 50 | 9 |
| Standardna devijacija | 32.06 | Kvantil 95 | 97 |
Tabela 1. Statistička procena optičke retardacije [nm]
Obzirom da će anizotropija uvek biti vidljiva duž ivice staklenog polja, generalno možete odlučiti da li hoćete da zanemarite ivično područje ili ne, u zavisnosti od načina zastakljivanja tj. da li je staklu u ramu ili ne.
6. Finansijski uticaj
Oštra tačka trougla uvek će pokazati kritičnu anizotropiju. Oblik trougla utiče na protok vazduha u peći kao i u kaljenju i utiče na anizotropiju kod većeg staklenog polja kao što je prikazano na slici 8.
Slika 8. Uticaj jednog stakla na drugo tokom termičke obrade na posledičnu pojavu anizotropije
To znači da prilikom upravljanja anizotropijom tokom toplotne obrade mora se uzeti u obzir da staklo može uticati na drugo staklo ako su deo istog ležišta. U nekim slučajevima kontrola anizotropije će smanjiti opterećenje samog sloja. To će pored optimizovane brzine oscilovanja itd. usporiti izlaz linije za kaljenje.
7. Zaključak i sumiranje podataka
Obzirom da termički obrađeno staklo bez anizotropije suštinski ne postoji, preporuka je da se na objektu postavi uzorni komad stakla kako bi se procenio uticaj okoline na pojavu anizotropije.
Nakon što je uzorni komad stakla odobren, može se nastaviti sa kontinuiranom prizvodnjom koja će se kontrolisati pomoću on-line opreme za vizualizaciju i kvantifikaciju a koja ima za cilj upoređivanja kvaliteta pojedinačno termički obrađenog stakla sa kvalitetom odobrenog uzorka.
Naučni pristup zasnovan na fotoelastičnoj teoriji koja rezultira objektivnom kvantifikacijom, koristiće se za određivanje potrebnog i prihvatljivog nivoa anizotropije.
Pri specificiranju termički obrađenog stakla, mora se uzeti u obzir da će staklo ojačano toplinom / ili deblje staklo pokazati veću anizotropnost nego kod potpuno kaljenog / ili tanjeg stakla.
Uprkos tome, mora se uzeti u obzir da će projekat sa puno različitih dimenzija staklenih polja / ili oblika, biti kritičniji u smislu vidljivije anizotropije u poređenju sa projektom koji ima veći broj staklenih polja sa istim sastavom, dimenzijom i oblikom.
Buduća merenja moraju se izvršiti kako bi se utvrdili dodatni trošakovi za kontrolu anizotropije tokom toplotne obrade, obzirom da ovaj postupak utiče na ukupnu efikasnost opreme.
Na kraju, prikupljaju se podaci o merenju sa ciljem definisanja klasa anizotropije koje će potencijalno biti standardizovane i postati referentne.
Reference
[1] EN 12150 Glass in building – Thermally toughened soda lime silicate safety glass, 2015, 20
[2] EN 1863 Glass in building – Heat strengthened soda lime silicate glass, 2011
[3] EN 14179 Glass in building – Heat soaked thermally toughened soda lime silicate safety glass, 2016
[4] ASTM C1048 – 12 Standard Specification for Heat-Strengthened and Fully Tempered Flat Glass, 2012,3
[5] M. Illguth, C. Schuler, Ö. Bucak, The effect of optical anisotropies on building glass façades and its measurement methods, Frontiers of Architectural Research (2015) 4, 119 – 126
[6] H.W. McKenzie & R.J. Hand, Basic optical stress measurement in glass, Society of Glass Technology, 2014
Izvor: https://www.glassonweb.com/article/controlling-anisotropy