Producenci monolitycznych, laminowanych i zespolonych paneli szklanych często wytwarzają większe produkty, w których muszą być stosowane elementy poddawane obróbce cieplnej oraz komponenty wielowarstwowe, w skład których wchodzą folie laminujące (np. z jonoplastu).

To niezmiennie prowadzi do powstawania „denerwujących” zjawisk optycznych - efektów zamglenia, anizotropii, zakłócenia przejrzystości oraz interferencji (Haze, Anisotropy, Clarity and Interference - HACI). Wszystkie te zjawiska są często obserwowane i zwykle uważane za nieuniknione – więc są opisywane jako właściwości fizyczne i postrzegane jako nieodłączny element produkcji wyrobów szklanych.

Branża szklarska chce oferować produkty wyższej jakości i wierzy, że można poprawić te aspekty. Na rynku potrzeba więc urządzeń do oceny i ilościowego określania HACI na dużych taflach szkła. Wiarygodne powtarzalne liczbowe wartości określające te zjawiska są podstawą, która pozwoli na udoskonalenie procesów produkcji.

We współpracy z Uniwersytetem McMaster rozpoczęliśmy program badawczy, którego celem jest opracowanie takiego instrumentu. Podzielimy się naszymi obserwacjami terenowymi i wczesnymi eksperymentami mającymi na celu wykrycie i ilościowe określenie tych zjawisk. Prace w tym zakresie są nadal w toku. Postrzegamy uczestników GPD jako idealną sieć profesjonalistów, którzy pomogą nam dostosować nasze badania i rozwój do potrzeb przemysłu szklarskiego. Naszym celem jest stworzenie modelu numerycznego, który będzie odzwierciedlał stopień nasilenia różnych czynników HACI.

O czym mówimy?
Anizotropia
Materiał anizotropowy wykazuje właściwości o różnych wartościach, gdy mierzy się je w różnych kierunkach. Przeciwieństwem tego zachowania jest izotropowość – przykładem materiału izotropowego jest szkło odprężone.

Hartowanie szkła powoduje powstanie niejednorodnych naprężeń, które wywołują dwójłomność (birefringence) - właściwość optyczną polegającą na tym, że współczynnik załamania światła zależy od jego polaryzacji i kierunku propagacji. Te wzory/prążki – zaburzenia optyczne – stają się zauważalne, gdy spolaryzowane światło jest transmitowane (przepuszczane) lub odbijane od szkła.

Zamglenie (haze)
Zamglenie to po prostu rozpraszanie światła, które powoduje zmniejszenie kontrastu widzianych przez nie obiektów. Wielkość zamglenia można określić ilościowo. Norma ASTM definiuje ją jako procent transmitowanego światła, które jest rozproszone w taki sposób, że jego kierunek odchyla się o więcej niż 2,5° od kierunku padającej wiązki światła (ASTM International, 2000). Powłoki i folie laminujące z jonoplastu (warstwy pośrednie w szkle laminowanym) mogą powodować zamglenie, gdy wytworzą się w nich struktury krystaliczne.

Zamglenie jest również obserwowane w foliach o zmiennej przezierności/przejrzystości w zależności od podłączenia napięcia elektrycznego (tzw. folie przełączalne – switchable) – chroniących prywatność (folie te pod wpływem zmian napięcia elektrycznego zmieniają przejrzystość).

Zakłócenie przejrzystości
Obniżona przejrzystość (klarowność/czytelność obrazu) jest podobna do zamglenia, ale dotyczy rozpraszania promieni słonecznych pod mniejszym kątem.

Interferencja
Paski/prążki interferencyjne występują w szybach zespolonych i w szybach laminowanych wielowarstwowych. Powstają one w wyniku interakcji nakładających się fal świetlnych. Ze względu na odbicia od wielu powierzchni szklanych, fale świetlne rozdzielają się i pokonują różne drogi, a następnie ponownie się łączą (nakładają się na siebie). W momencie, kiedy fale świetlne się łączą/nakładają, można zaobserwować prążki interferencyjne (PPG Industries, Inc., 2002).

Przepisy i normy
Szczegółowy przegląd norm europejskich i brytyjskich oraz wytycznych branżowych został zaprezentowany na GPD 2015. „Anizotropia jest wyraźnie uznawana przez aktualne normy brytyjskie za nieunikniony efekt procesów obróbki cieplnej” (Pasetto, 2014). Takie samo sformułowanie występuje w normach północnoamerykańskich ASTM C 1048.

Jednak Stowarzyszenie Szklarskie Ameryki Północnej (Glass Association of North America GANA) przyjmuje bardziej utylitarne podejście niż jego europejski odpowiednik, sugerując wykorzystanie pełnowymiarowych makiet oglądanych na miejscu w celu określenia dopuszczalnych poziomów anizotropii (GANA, 2008).

 (kliknij na zdjęcie aby je powiekszyć)

Opinie zainteresowanych stron
Savario Pasetto w swojej prezentacji na GPD (Pasetto, 2014) przedstawił wyniki ankiety mającej na celu określenie, w jakim stopniu anizotropia jest postrzegana jako wada i jak to wpływa na branżę fasadową.

„Jakość” respondentów – ekspertów z każdej dziedziny – konsultantów ds. fasad, wykonawców elewacji, architektów, dostawców szkła – sprawia, że badanie to jest istotne pomimo liczebności próby (35 osób). Najwyraźniej wyniki wskazują, że większość uczestników badania jest świadoma tego zjawiska i chciałaby je złagodzić.

Sądzimy, że obecny stan możliwości technicznych, koszty i odpowiedzialność mają wpływ na sformułowanie zagadnienia/zjawiska/problemu i ewentualną standaryzację. Savario Pasetto słusznie zauważa, że „rozwój urządzeń do badania anizotropii ma kluczowe znaczenie dla analizy naprężeń i ich rozkładu w szkle, a w konsekwencji dla optymalizacji konstrukcji pieca do hartowania szkła” ... „. Sprzęt pomiarowy ma również zasadnicze znaczenie dla określenia obiektywnych parametrów do akceptacji lub odrzucenia danej tafli szkła” (Pasetto, 2014).

Kryteria projektowe dla naszych urządzeń kontrolnych
Losowość napotykanych problemów w terenie pokazała, że wszystkie tafle szkła (szyby) muszą być analizowane w całym obszarze ich występowania. Robimy to już w naszych istniejących skanerach określających wady optyczne i jakość szkła (optical and defect scanners). Stuprocentowa kontrola jest również normą w przemyśle szyb samochodowych.

Na podstawie pierwszego zestawu doświadczeń/eksperymentów możemy stwierdzić, że należy analizować gotowe produkty, ponieważ:
- poszczególne elementy nie pokazują całej historii wyrobu,
- istnieje interakcja wzorów/prążków interferencyjnych, która komplikuje niejednorodność,
- zamglenie i zmiany przejrzystości są spowodowane głównie laminacją szyb warstwowych z zastosowaniem jonoplastów, dlatego występują tylko w kompletnych laminatach,
- prążki/paski interferencyjne występują tylko w szybach zespolonych.

Ze względu na rozmiary i wagę naszych produktów oraz trudności w ich bezpiecznym przemieszczaniu (manipulowania nimi), będziemy musieli zintegrować kontrolę po myjce. Ustawienie pionowe obszaru badawczego pozwoli zminimalizować powierzchnię potrzebną do ustawienia urządzenia na hali produkcyjnej i uprości logistykę.

Czas obliczeń jest najważniejszy, chcemy uzyskać szybkie wyniki klasyfikujące – aby była podejmowana decyzja czy tafla nadaje się lub nie do dalszej obróbki – niezależnie od operatora.

Nie trzeba dodawać, że te wyniki i zdjęcia będą powiązane z poszczególnymi sztukami wyrobów w celu zapewnienia identyfikowalności – śledzenia i raportowania, jeśli będzie to wymagane przez klienta – tak, jak to robimy na przykład w przypadku rejestrów wyrobów po badaniach HST.

Nie sądzimy, że uda nam się zmierzyć wszystkie zjawiska za pomocą jednej konfiguracji urządzenia. Wszystkie elementy mechaniczne będą wspólne, ale aparatura detekcyjna będzie różna. Analizujemy, czy można by zastosować pojedyncze/jedno źródło światła spolaryzowanego o dużym natężeniu (dużej intensywności).

Kwantyfikacja/ Ujęcie ilościowe
Chcemy opracować i promować standard branżowy, ale nie chcemy pracować tylko sami – jak mówi powiedzenie – ani wymyślać koła na nowo.

Anizotropia
Politechnika w Monachium (UASM) zaproponowała praktyczną metodę opartą na statystycznej ocenie całego szeregu opóźnień (pełnej macierzy). Wykorzystując p-kwantyl, są w stanie uzyskać proste wartości liczbowe, które wyglądają bardzo obiecująco (M. Illguth, 2015). Metoda ta była dalej rozwijana przez Francis Serruys z Saint-Gobain Building Glass Europe i jesteśmy pewni, że Saint-Gobain Glass opublikuje więcej szczegółów na temat swojej pracy nad udoskonaleniem metody UASM.

Zamglenie
Ponieważ analizujemy zmiany na dużej powierzchni i bardziej interesuje nas niejednorodność, nasza metoda wykrywania będzie bardzo różnić się od ASTM D1003 (ASTM International, 2000).
Jednak naszym celem jest możliwość dopasowania znalezionej wartości bezwzględnej do wyników oświetlenia jednokierunkowego – metoda obserwacji rozproszonej. Procent zamglenia obliczany jest ze stosunku rozproszenia Td do całkowitej przepuszczalności światła Tt – w następujący sposób: haze [%] = Td / Tt x 100

Interferencja
Naszym celem nie jest ilościowe określenie prążków interferencyjnych. Sądzimy, że interferencja będzie produktem ubocznym naszych eksperymentów. Przy prawidłowym oświetleniu zjawisko to powinno być łatwo obserwowalne. Ponieważ jego pochodzenie jest czysto fizyczne, jedynym sposobem na jego zminimalizowanie są obserwacje i analizy wpływające na dopasowanie parametrów konstrukcyjnych.

Wnioski i podsumowanie
Wyruszamy w bardzo interesującą podróż, która doprowadzi do ilościowego określenia zjawisk, które dotychczas uważane są za nieuniknione, ale naszym zdaniem można je poprawić. W dłuższej perspektywie pomiar HACI doprowadzi do poprawy estetyki dużych i złożonych tafli szklanych. Uważamy, że kwantyfikacja HACI ma taki sam lub nawet większy wpływ na jakość wizualną i przejrzystość niż obecne wykrywanie niewielkich wad punktowych. 

Artykuł został oparty na wykładzie zaprezentowanym na Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2017, która odbyła się w dniach 28-30 czerwca 2017 r. w Tampere w Finlandii

Louis Moreau

Bibliografia
[1] ASTM International. (2000). Standardowa metoda badania zamglenia i przepuszczalności światła przezroczystych tworzyw sztucznych (Standard Test Method for Haze and Luminous Transmittance of Transparent Plastics). ASTM D 1003-00.

[2] GANA. (2008). Wzory na hartowanym szkle architektonicznym poddanym obróbce cieplnej (Quench Patterns in Heat-Treated Architectural Glass). GANA TD 05-0108.

[3] M. Illguth, C. S. (2015). Wpływ anizotropii optycznej na szklane fasady budynków i metody jej pomiaru (The effect of optical anisotropies on building glass façades and its measurement methods). Monachium, Niemcy: ScienceDirect.

[4] Pasetto, S. (2014). Anizotropia jako wada brytyjskiego szkła architektonicznego float poddanego obróbce cieplnej (Anisotropy as a defect in U.K. architectural float heat-treated glass). Bath, Wielka Brytania: Uniwersytet w Bath.

[5] PPG Industries, Inc. (2002). Prążki interferencyjne w szybach zespolonych (Interference Fringes in Insulating Glass Units). Pittsburgh, PA: Glass Technical Document TD-118.

(kliknij na zdjęcie aby je powiekszyć)