Étude sur la qualité optique et la résistance des bords de verre après le processus de meulage et de polissage

Date : 22 novembre 2022

Auteurs : Paulina Bukieda, Katharina Lohr, Jens Meiberg et Bernhard Weller

Source:Structures vitrées et ingénierie volume 5, (2020)

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

Les bords de verre résultent de la découpe de feuilles de verre et d'une autre finition facultative. L'interférence mécanique dans le matériau fragile verre provoque des défauts et des fissures à la surface du bord. Ces défauts ont une influence sur la résistance de l'ensemble du vitrage. Dans le cadre d'un projet de recherche à l'Institut de construction de bâtiments de la Technische Universität Dresden, le processus de meulage et de polissage est examiné en termes d'effets visibles caractéristiques sur le bord du verre et la résistance du bord. Ainsi, une attention particulière du projet de recherche est l'impact de diverses meules boisseaux de polissage pour la surface de chanfrein du verre recuit. L'article présente quelques notions de base sur les étapes de traitement des surfaces des bords de verre, présente les meules boisseaux de meulage et de polissage considérées et donne un aperçu des examens expérimentaux effectués.

Une analyse microscopique permet une caractérisation des défauts typiques au niveau des surfaces. De plus, des essais de flexion en quatre points sont effectués pour déterminer les contraintes de traction en flexion à la rupture. La combinaison des deux méthodes permet une analyse du défaut à l'origine de la rupture avant destruction et une corrélation entre la qualité optique de surface et les contraintes de traction en flexion. De plus, la microscopie pourrait être utilisée pour faciliter le réglage d'une rectifieuse et contrôler les qualités de bord reproductibles. L'évaluation montre qu'un développement spécial de meules boisseaux de polissage pour le chanfrein peut améliorer la qualité de surface et par conséquent augmenter la résistance des arêtes.

Prise en compte de la résistance des bords du verre dans la conception

Les charges mécaniques et thermiques dans les constructions de fenêtres et de façades augmentent avec les exigences architecturales modernes et les exigences strictes en matière de physique du bâtiment. Avec des formats de verre de plus en plus nombreux et des structures de verre complexes, la superposition de charges mécaniques et surtout thermiques peut provoquer des contraintes critiques notamment dans les zones de bordure. Selon les codes de conception en vigueur dans divers pays européens, la valeur de conception du verre recuit doit être réduite pour le dimensionnement des bords de verre (Feldmann et Kasper 2014, p. 55). Dans le cas de la norme allemande et autrichienne (DIN 18008-1 2019 et ÖNORM B 3716-1 2016), une réduction de 80 % de la résistance caractéristique à la flexion du verre recuit est requise. Cette réduction tient compte de la dispersion élevée de la résistance des bords due au traitement et représente un niveau minimum de la résistance des bords du verre.

La résistance réduite de la résistance des bords du verre recuit et le manque de scénarios de charge adaptables sur les bords du verre conduisent à des insécurités. Pour assurer un certain niveau de sécurité dans la conception des structures en verre et des vitrages sans dommage, un examen approfondi supplémentaire des bords du verre est nécessaire. Actuellement, les planificateurs utilisent souvent du verre trempé, qui présente une plus grande résistance des bords. Cependant, la résistance des bords plus élevée s'accompagne d'un risque de rupture spontanée due à une inclusion de sulfure de nickel et d'une réduction de la qualité optique car des anisotropies peuvent être visibles. De plus, l'utilisation de verre trempé est très coûteuse. Une utilisation plus efficace du verre recuit est souhaitable. Pour cette raison, une approche de conception de sécurité et une production de verre recuit avec une résistance de bord acceptable et une faible diffusion sont nécessaires.

Géométries et types de bords de verre

Les bords de verre résultent de la découpe d'une feuille de verre et d'autres finitions facultatives. Le processus de coupe définit la géométrie et la taille des vitres. Dans le processus de meulage et de polissage suivant, le matériau est érodé à la surface du bord et des marges, pour assurer la précision de la taille et pour améliorer la qualité optique. Les bords dits traités réduisent le risque de blessure et permettent une trempe thermique supplémentaire des vitres.

La figure 1 montre la géométrie typique d'un bord coupé à l'arrière et d'un bord poli, traité ultérieurement, avec deux chanfreins diagonaux à l'avant. Cinq zones, divisées en surfaces et en lignes, sont définies pour expliquer le processus de meulage et pour relier l'emplacement des origines de la fracture à une zone définie. La surface de bord (e) décrit la zone perpendiculaire à la surface de la vitre (p). Le chanfrein (c) définit la surface des marges coupées, qui sont généralement à un angle de 45° et s'étendent des deux côtés de la surface de la vitre vers la surface du bord. De plus, les transitions entre le bord et le chanfrein (tc) ainsi qu'entre le chanfrein et la surface de la vitre (tp) sont définies.

Dans le bâtiment, différents types de chants en verre sont classés selon la norme DIN 1249-11 (2017). Le bord coupé est décrit avec des marges nettes, une zone de coupe nette et des fractures irrégulières dans la zone rayée. En plus du bord coupé, il existe quatre types de bords traités ultérieurement avec des étapes de traitement et une qualité optique croissantes. Pour produire un bord arqué, les marges nettes et la fracturation irrégulière des bords coupés sont coupées. La surface du bord n'est pas nécessairement traitée. Le bord meulé, le bord meulé lisse et le bord poli sont définis en fonction des étapes de meulage et de polissage ultérieures. Pendant le processus de meulage, les étapes de traitement rugueuses et abrasives sont toujours effectuées en premier, ce qui donne un aspect rugueux. Ensuite, les surfaces sont polies avec des outils plus fins et améliorant la qualité, qui créent une surface plane et transparente. Cependant, le processus de meulage et de polissage introduit de nouveaux défauts et fissures à la surface des bords, qui ont une influence sur les contraintes de traction en flexion à la rupture et peuvent devoir être pris en compte pour la résistance des bords de l'ensemble du vitrage.

Examens expérimentaux sur chants de verre

Le groupe de travail Edge Strength du Fachverband Konstruktiver Glasbau eV (FKG) a réalisé une vaste étude expérimentale concernant la résistance des types de finition des bords bord coupé, bord arqué et bord meulé lisse. Plus de 1000 poutres en verre dans 33 séries d'essais de six fabricants différents ont été testées en flexion à quatre points (Ensslen 2013). De plus, une sélection de spécimens de chaque série de tests a été examinée au microscope à la surface du bord avant la destruction. Kleuderlein et al. (2014) ont présenté les différences dans les types de surfaces de bord entre les fabricants à la Fig. 2. Pour chaque type de bord de verre, il existe des images de trois fabricants différents. En particulier, la qualité du bord arqué diffère fortement. Un enregistrement des paramètres de traitement a révélé que les bords arqués ont été produits avec différentes machines de meulage (courroie transversale ou meules).

La procédure d'essai pour la détermination de la résistance des bords de verre fait référence à la norme DIN 1288-3 (2000), qui définit l'essai de flexion à quatre points du verre plat avec une introduction de charge dans l'axe faible. Cependant, pour l'examen spécial de la résistance des bords, la configuration a été modifiée pour effectuer des tests dans le plan. De cette façon, des contraintes de traction homogènes sur les bords sont générées, ce qui augmente la probabilité d'une rupture directement à partir du bord et permet de déterminer une résistance de bord (Ensslen 2013). Les séries d'essais ont été évaluées statistiquement avec une distribution de Weibull à deux paramètres pour déterminer des fractiles de 5 % à un niveau de confiance de 95 %, qui correspondent à la résistance à la flexion caractéristique du verre.

Sur 33 séries d'essais, seules deux séries ont montré des fractiles de 5 % en dessous de la résistance de bord caractéristique suggérée pour le verre recuit de 36 N/mm² (80 % de fk = 45 N/mm² selon DIN 18008-1 (2019)). Le fractile maximum a été déterminé à une valeur de 64,84 N/mm². L'hypothèse répandue selon laquelle les bords meulés et polis présentent toujours une qualité de bord supérieure à celle des bords coupés pourrait être réfutée. Une comparaison au sein d'une même finition de chant montre que l'impact du fabricant est bien supérieur à la finition elle-même. Ainsi, un bord bien coupé peut montrer une résistance plus élevée qu'un bord mal meulé avec de nombreux défauts. (Kleuderlein et al. 2014)

Outre les travaux du groupe de travail Edge Strength, Lindqvist (2013) et Vandebroek (2014) ont examiné la résistance des bords du verre recuit. Lindqvist (2013) a effectué des analyses microscopiques pour prédire la résistance des bords sur la base d'une identification de la fissure critique. Les résultats ont montré qu'il est difficile de détecter les défauts critiques. Vandebroek (2014) a examiné la résistance des bords par des essais de flexion pour déterminer l'influence de l'historique de chargement, de la corrosion sous contrainte, de la taille et de la répartition des contraintes. Les examens se sont concentrés sur les différents types de bords, les différents fabricants et les dimensions du verre. Les résultats confirment une grande variation des résultats de résistance déterminés entre les différents fabricants et expriment la nécessité d'un examen des différentes méthodes de finition des bords.

Lohr (2019) a examiné le meulage du verre trempé thermiquement. Lors de certains examens microscopiques, il a été remarqué que les zones de transition entre les surfaces tc et tp (voir Fig. 1) présentaient de nombreux défauts et qu'une variété de fractures avaient leur origine dans le chanfrein et les zones de transition. La transférabilité des résultats du verre trempé thermiquement au verre recuit doit être étudiée.

Génération de paramètres de processus de coupe

Après une large étude sur les différents types de bords de verre, le groupe de travail Edge Strength s'est concentré sur les bords coupés. Grâce aux résultats de la première étude et à un examen plus approfondi du processus de coupe, il a été possible de générer un ensemble de "bons" paramètres de coupe pour du verre de 8 mm d'épaisseur, qui conduisent à une résistance de bord reproductible d'au moins 45 N/mm245 N/mm2 (Ensslen et Müller-Braun 2017). De plus, il a été possible de déterminer des caractéristiques optiques, telles que la profondeur des fissures latérales et médianes, qui peuvent être corrélées à la résistance des bords. De cette façon, une estimation de la résistance du bord de coupe peut être basée sur des méthodes optiques (Müller-Braun et al. 2020).

Les examens précédents du groupe de travail Edge Strength du FKG (Ensslen 2013 ; Kleuderlein et al. 2014 ; Ensslen et Müller-Braun 2017) et Vandebroek (2014) ont montré que le processus de meulage et de polissage a une influence significative sur la qualité et la résistance des bords du verre. Malgré les types de conception standardisés, il existe des différences considérables dans la qualité des bords optiques, comme le montre la figure 2. Il existe une vaste gamme de paramètres de processus pour tous les types de bords et une large répartition entre les fabricants (Kleuderlein et al. 2014).

Ces faits soulignent la nécessité d'une compréhension plus approfondie des processus de finition ultérieurs, d'une détection et d'une spécification des paramètres de processus et de la production de qualités de bord comparables. Les paramètres de fabrication du meulage et du polissage ne sont pas encore examinés scientifiquement. Seule une qualité de bord reproductible, basée sur des paramètres de processus définis, peut minimiser la dispersion de la résistance des bords indépendamment des différents fabricants. Cela est nécessaire pour produire des bords de verre recuit traités avec une qualité constante et une résistance à la flexion caractéristique constante qui ne nécessite pas de réduction supplémentaire du processus de conception.

L'objectif de cette étude est de mieux comprendre l'impact des processus de finition sur le matériau et de fournir des recommandations pour les ajustements de traitement afin d'obtenir des qualités de bord reproductibles avec le soutien de méthodes optiques. Par conséquent, le processus de meulage et de polissage est examiné et les paramètres ajustables sont identifiés. Pour commencer, les processus de finition des bords d'un fabricant sont pris en compte. L'accent particulier de cet examen est la réduction des défauts et des fissures dans le chanfrein (c) et la zone de transition (tc) pour améliorer et créer une qualité optique reproductible ainsi qu'une plus grande résistance des bords du verre. Ici, trois outils de polissage différents et les tailles de chanfrein sont variés.

Pour évaluer l'impact des paramètres, une procédure de test expérimental avec une méthode d'analyse microscopique est développée. L'analyse microscopique aide à comprendre l'impact de la finition sur le matériau en caractérisant les surfaces résultantes et en évaluant les défauts qui se produisent. La procédure d'essai comprend un enregistrement microscopique des surfaces de bord avant les essais destructifs et une localisation des défauts causant des fractures après la destruction par l'essai de flexion à quatre points. Enfin, les défauts à l'origine de la rupture sont corrélés avec les contraintes de traction en flexion déterminées à la rupture.

Le processus de meulage et de polissage

Dans la pratique, différentes rectifieuses sont utilisées pour produire des bords de verre traités ultérieurement. Une machine à courroie croisée, par exemple, se compose d'une courroie mobile, recouverte d'un matériau abrasif. Pour être traité, le verre doit être pressé manuellement contre la bande. Certains fabricants produisent des bords relevés avec des machines à tapis croisés. Un autre type est la rectifieuse CNC, qui rectifie des formes complexes sous contrôle informatique. Cependant, le moyen le plus courant pour produire des bords de verre traités ultérieurement, et en particulier des bords meulés et polis lisses, sont les rectifieuses de bords.

Celles-ci peuvent être différenciées en rectifieuses de chants verticales, à simple face et horizontales à double face. Les spécimens de cette étude ont été traités avec une rectifieuse de bord verticale unilatérale de type Rock 11 de la société Neptun, comme illustré à la Fig. 3. Par conséquent, la description plus détaillée du processus de rectification est basée sur cette méthode. La machine se compose de onze stations de meulage et de polissage. Sur chaque station, des outils multigrains, appelés meules boisseaux, usinent le chant. De l'extérieur, seuls les moteurs des meules boisseaux sont visibles. Le pictogramme sous l'image de la Fig. 3 devrait aider à attribuer les étapes de traitement et les stations individuelles.

La plaque de verre est placée sur le côté droit sur une bande de guidage verticale et horizontale et est ensuite transportée vers le côté gauche à travers la rectifieuse de bords. Le bord, qui sera traité, est orienté vers le bas. Le tapis de guidage horizontal transporte le verre vers la première station. Ensuite, le verre est guidé vers d'autres stations par deux bandes de guidage latérales. Ceux-ci maintiennent le verre en position droite et règlent la vitesse. Sur chaque station, une meule boisseau rotative de meulage ou de polissage traite le bord par le bas avec un ajout constant d'eau de refroidissement. L'eau de refroidissement empêche la surchauffe des meules boisseaux. Les meules boisseaux des postes 1 à 3 ainsi que 4 et 6 sont rigides. Les meules boisseaux de polissage aux stations 5, ainsi que 7 à 11, sont pressées hydrauliquement vers le bord du verre. La pression de contact des stations mobiles peut être ajustée. La profondeur de broyage, qui décrit la quantité de matière enlevée à la fin du processus, est régulée par la position de la bande de guidage horizontale.

Les premières stations du processus de meulage assurent l'enlèvement de matière et la précision dimensionnelle le long de la surface du bord du verre. Ensuite, les stations 4 à 7 créent le chanfrein par des meules inclinées à 45°. La figure 4 montre l'alignement des meules pendant le traitement des bords et des chanfreins.

Dans la rectifieuse de bords présentée, il y a deux stations pour chaque chanfrein, une meule boisseau grossière avec des grains de diamant comme matériau abrasif et une meule boisseau fine pour un polissage ultérieur. Les meules boisseaux vers la fin du processus aux stations 8 à 11 sont plus fines. Ils réduisent la rugosité de la surface et produisent une grande transparence. Selon le type de bord, les stations requises peuvent être activées séparément dans le processus. Le bord poli passe par toutes les stations et appartient ainsi au niveau de qualité le plus élevé. Des configurations adaptées des meules et d'autres paramètres de processus sont essentielles pour la production de bords de verre de haute qualité.

Meules boisseaux de meulage et de polissage

Pendant le processus de meulage, des pièces de rupture microscopiques et géométriquement indéfinies sont retirées du bord du verre à l'aide de meules boisseaux de meulage et de polissage. Ceux-ci diffèrent par la composition du système de liaison et la taille des grains. La figure 5 montre des exemples de différentes meules boisseaux de meulage et de polissage et leurs surfaces microscopiques.

Des grains rugueux en combinaison avec des liants durs, métalliques ou résineux sont utilisés pour les étapes de traitement abrasif. L'image de gauche de la Fig. 5 montre une meule diamantée à liant métallique, qui assure un enlèvement de matière élevé grâce à l'utilisation de grains de diamant extrêmement durs. Ils créent un aspect rugueux sur les surfaces traitées. Le matériau enlevé peut s'accumuler dans les segments et être ensuite lavé par l'eau de refroidissement. L'image du milieu montre une meule diamantée à liant synthétique, qui est similaire à celle à liant métallique mais plus souple en raison de l'utilisation d'un système de liant à base de résine synthétique. Il en résulte un enlèvement de matière en douceur.

La partie droite de la Fig. 5 montre une meule boisseau de polissage avec un grain fin de corindon. Les meules boisseau de polissage sont créées en combinant des grains abrasifs tels que le carbure de silicium, le corindon ou l'oxyde de cérium avec des matériaux de support à liaison élastique tels que le polyuréthane, le caoutchouc ou des résines synthétiques modifiées à divers degrés d'élasticité. La structure chimique du système de liaison respectif en combinaison avec le grain abrasif influence les propriétés finales de l'outil. Des grains plus fins dans des liants élastiques plus doux sont utilisés pour créer des surfaces lisses et transparentes. L'oxyde de cérium est un grain approprié pour un polissage élevé, car il permet une élimination par meulage mécanique et chimique. La réaction chimique dissout les atomes du verre, qui se détachent alors de la surface. De cette manière, un lissage des minuscules irrégularités du bord est obtenu.

Une meule boisseau doit toujours avoir plusieurs grains abrasifs exposés à sa surface pour traiter les bords du verre. De cette façon, il peut fonctionner efficacement. Pour produire l'effet abrasif voulu, les grains abrasifs ne doivent pas être abrasés plus rapidement que le système de liaison, la rupture du système de liaison et un seul grain ne doit pas être exposé (Fig. 6).

Paramètres de meulage sur la qualité de surface

La qualité finale des bords est le résultat de la combinaison et de la quantité de meules boisseaux, de plusieurs paramètres de processus et de leur interaction appropriée. Actuellement, il n'existe pas de paramètres de processus optimisés connus pour le processus de meulage et de polissage qui se réfèrent à une qualité ou à une résistance définie des bords. En pratique, l'optimisation est basée sur la qualité visuelle du bord du verre. Les influences du fabricant et de la rectifieuse sont importantes et ne sont pas suffisamment examinées. Cependant, les influences des paramètres de processus individuels peuvent être déduites des principes de travail de meulage. Un nombre élevé de rotations des meules boisseaux combiné à une vitesse lente garantit que la meule est plus souvent en contact avec la surface du verre. Cela devrait améliorer les processus physiques d'enlèvement de matière et de polissage. De plus, la quantité et la propreté de l'eau de refroidissement peuvent avoir une influence significative sur la qualité.

Dans les présentes observations, la surface du chanfrein et les zones de transition présentent un intérêt particulier. Par conséquent, trois meules boisseaux de polissage différentes pour le chanfrein sont examinées optiquement et en termes de résistance des bords.

Aperçu

Afin d'évaluer la qualité des surfaces des bords et des chanfreins et d'obtenir des conclusions sur les défauts pouvant provoquer la rupture, un programme d'essais expérimentaux en trois étapes a été développé. Tout d'abord, les bords et les surfaces de chanfrein ont été enregistrés au microscope et examinés. Par la suite, des essais de flexion à quatre points ont été effectués. Dans la dernière étape, l'origine de la fracture a été localisée et le défaut à l'origine de la fracture a été détecté par comparaison avec les images enregistrées de la surface avant la rupture.

Spécimen

Les éprouvettes produites sont des poutres de 125 mm x 1100 x 10 mm avec un bord poli (Fig. 7). Les dimensions sont basées sur la conception de l'installation pour l'essai de flexion à quatre points. Le bord en verre poli a été choisi, car la production de bords de haute qualité optique était l'un des objectifs du projet de recherche. Pour examiner une surface assez grande et ainsi obtenir plus d'informations sur les processus de meulage et de polissage, l'épaisseur de 10 mm a été choisie pour les spécimens. La définition des chanfreins comme chanfrein 1 et chanfrein 2, selon la Fig. 7, est nécessaire pour une comparabilité claire. La classification est déterminée en fonction du modèle de meulage. Les éprouvettes ont été produites avec un surdimensionnement puis coupées, car la rectifieuse a besoin d'une hauteur minimale de 250 mm pour traiter les bords.

Analyse microscopique

L'analyse microscopique de surface a été réalisée avec un microscope optique numérique de Zeiss avec un grossissement possible de 34x à 1100x. Les surfaces de bord et de chanfrein de toutes les éprouvettes ont été marquées et enregistrées. Cela a permis une caractérisation de la qualité des bords et une localisation plus poussée du défaut à l'origine de la fracture. Les surfaces enregistrées couvrent le milieu de l'échantillon et ont une longueur d'environ 200 mm (la zone est marquée sur la Fig. 7). Cette zone spéciale correspond à la zone chargée dans l'essai de flexion à quatre points suivant. Par conséquent, il y a une forte probabilité que l'origine de la fracture se produise dans cette zone. La surface du bord est enregistrée avec un grossissement de 70×, les surfaces de chanfrein avec un grossissement de 100×. La figure 8a montre le microscope avec un support incliné pour enregistrer les images des surfaces de chanfrein et un exemple d'enregistrement microscopique d'environ 20 mm d'une surface de chanfrein (Fig. 8b).

Pliage en quatre points

Les essais de flexion à quatre points ont été réalisés en se référant à la norme DIN EN 1288-3 (2000) et aux examens du groupe de travail Edge Strength du FKG en chargeant les éprouvettes de verre en flexion autour de l'axe fort. Le bord examiné est orienté vers le bas où se produisent les contraintes de traction en flexion. La figure 9 montre le test mis en place à la Technische Universität Dresden et un pictogramme correspondant. Le roulement à billes et les supports latéraux aux extrémités des poutres sont combinés dans un système de roulement à billes de support. L'échantillon est supporté verticalement sur des blocs POM de 80 mm de large, avec une portée de 1000 mm. La charge est introduite ponctuellement dans une portée de 200 mm via de petits blocs POM, qui reposent sur le bord supérieur du verre. Les essais de rupture sont réalisés avec un taux de chargement constant de 2 N/(mm2s2s) jusqu'à rupture. Après la destruction, la charge de rupture est mesurée.

Analyse des défauts

Après le test de fracture, la position globale de la fracture xglobglob est déterminée pour décider si un test sera évalué ou non (Fig. 10). Seules les origines de rupture dans la zone chargée sont évaluées. L'examen plus approfondi du miroir de fracture permet de déterminer le début de l'origine de la fracture de la fissure initiale (Quinn 2016, 7-10). Une différenciation supplémentaire est faite entre a à partir de la surface de bord (e), la surface de chanfrein (c), la zone de transition (tc) ou la surface de la vitre (p) pour localiser le défaut à l'origine de la fracture sur les images enregistrées des surfaces intactes. Le centre du cercle du miroir de fracture de la Fig.10 pointe vers la fissure initiale à la surface du chanfrein du côté 2.

Paramètres de traitement

Tous les spécimens ont été meulés avec une vitesse de 2 m/min et une profondeur de meulage de 1 mm. La profondeur de meulage décrit la quantité d'enlèvement de matière du bord du verre pendant le processus de meulage. Avant le processus de meulage, les fissures médianes visibles qui résultent du processus de coupe (Müller-Braun et al. 2020), ont été mesurées avec une longueur d'environ 300 μmμm. Avec la profondeur de meulage choisie de 1 mm, les fissures médianes visibles du processus de coupe sont complètement éliminées.

Par conséquent, on suppose qu'une influence du processus de coupe est exclue. L'hypothèse doit cependant être vérifiée dans une autre série d'essais en meulant différentes qualités de bords coupés avec des paramètres de processus de meulage constants. Le système de liaison et le type de grain des meules boisseaux utilisées sont répertoriés dans le tableau 1. La pression de contact réglable de chaque meule boisseau a été réglée et enregistrée en fonction de l'expérience du fabricant et des résultats optiques macroscopiques pendant la production. Comme elle dépend de l'abrasion de la meule boisseau utilisée, elle peut varier au sein de la série d'essais.

Tableau 1 Meules utilisées dans la rectifieuse de bords -Tableau pleine grandeur

Tableau 2 Séries d'essais examinées -Tableau pleine grandeur

Le tableau 2 donne un aperçu des séries testées. Au total, trois meules boisseaux de polissage différentes pour le chanfrein de la société Artifex ont été examinées pour les stations 5 et 7 (selon la Fig. 3). Pour les éprouvettes de la série d'essais A, une meule boisseau de polissage à liant résine avec un grain très fin de corindon a été utilisée. Ce type de meule boisseau de polissage est classé comme dur. Les éprouvettes de la série d'essais B ont été réalisées avec une meule boisseau de polissage en polyuréthane comme liant et un corindon de granulométrie moyenne.

Par conséquent, une mousse de polyuréthane plus souple est produite, ce qui classe la meule boisseau de polissage comme souple. Dans le cadre du projet de recherche, des meules boisseau de polissage spéciales constituées d'un système de liant polyuréthane et d'un grain interne ont été développées pour le chanfrein. Ceux-ci sont expansés dans une mousse de polyuréthane finement poreuse mais dure. La composition exacte est soumise à l'accord de confidentialité avec la société Artifex. Les éprouvettes de la série d'essais C ont été fabriquées avec la meule boisseau de polissage spécialement développée.

De plus, trois séries d'essais avec une taille de chanfrein variable ont été examinées pour tester l'influence d'une quantité variable d'enlèvement de matière du chanfrein. Par conséquent, les meules boisseaux pour le chanfrein ont été ajustées manuellement. Le réglage général supprime environ 1 mm de la surface du bord de chaque côté avec un angle de 45°, ce qui donne une largeur de la surface du chanfrein de 1,4 mm. Pour un petit chanfrein (série d'essai KS), les réglages doivent enlever environ 0,5 mm de la largeur du bord de chaque côté, ce qui conduit à une largeur de chanfrein de 0,7 mm.

Le grand chanfrein (série d'essai GS) d'une largeur d'environ 1,7 mm a été créé en ajustant les meules boisseaux de chanfrein à un écartement de 1,5 mm de chaque côté. De plus, une série d'essais avec un bord poli mais sans chanfrein a été réalisée (série d'essais O). Le but était d'éviter les défauts causés par la fabrication du chanfrein. Pour la série d'essais O, les stations 4 à 7 ont été arrêtées. Par série d'essais, huit à douze éprouvettes ont été produites.

Surfaces et défauts typiques

L'analyse microscopique a permis d'obtenir des informations générales sur les surfaces de bord et de chanfrein traitées. Certaines surfaces typiques et les défauts qui se produisent sont illustrés à la Fig. 11. L'impact des meules boisseaux sur le verre laisse un motif de meulage à la surface, qui peut être associé au sens de rotation des meules boisseaux. Le motif de meulage peut être reconnu comme un motif cohérent de rainures à la surface. En outre, des défauts typiques tels que des rayures individuelles dans la direction du motif de meulage, des défauts dans les zones de transition, décrits plus en détail comme des éclats et des conchoïdes, ont été déterminés.

Des rayures visibles individuelles (Fig. 11, à gauche) dans la direction du motif de meulage peuvent être causées par un retrait insuffisamment dimensionné de l'abrasion du verre, un grain abrasif exposé ou cassé de la meule boisseau. Des copeaux et des conchoïdes sont créés en raison de l'enlèvement de matière à la fois du bord et de la zone de chanfrein. Ils se produisent naturellement à l'endroit où le matériau est éclaté (Fig. 11, au milieu et à droite). Comme les défauts sont produits pendant le processus de meulage ou de polissage, ils sont classés comme typiques. L'analyse suivante contient la comparaison de ces défauts typiques dans les différentes séries de tests.

Analyse microscopique de la série de tests

Les images microscopiques des surfaces permettent une première évaluation et caractérisation de la qualité des bords. La figure 12 montre des coupes représentatives des surfaces du chanfrein 1, du bord et du chanfrein 2 de la série d'essais avec différentes meules boisseaux de polissage (séries d'essais A, B et C). La disposition des images correspond aux zones de transition des surfaces adjacentes. Les surfaces de chanfrein sont agrandies 4 fois par rapport aux surfaces de bord.

La comparaison des surfaces de bord des différentes séries d'essais ne montre aucune différence significative. En y regardant de plus près, on peut voir le motif de meulage avec de légères rainures parallèles. Cependant, le motif de meulage visible au microscope est à peine visible au niveau macroscopique. Par conséquent, la surface du bord est clairement classée comme polie.

L'observation des surfaces de chanfrein de la série d'essais révèle différentes qualités, qui peuvent être attribuées aux propriétés des différentes meules boisseaux de polissage à chanfrein.

Série A

Série B

Série C

Ainsi, la meule boisseau de polissage C présente les meilleurs résultats optiques avec le moins de copeaux et de conchoïdales. Macroscopiquement, l'éprouvette de la série d'essais C a également montré la meilleure qualité de chanfrein optique avec le moins de défauts.

La figure 13 montre des images microscopiques de la série d'essais avec une taille de chanfrein variable (séries d'essais GS, KS et O). La meule boisseau de polissage de chanfrein C a été utilisée pour la production du chanfrein, car elle a montré les meilleurs résultats dans l'étude de la meule boisseau de polissage. L'écaillage et les conchoïdales des séries d'essais KS et GS se produisent dans une plage de 80 μm. Un seul spécimen de la série d'essais GS a montré un écaillage exceptionnel et des conchoïdales dans une gamme de 450 μm. Outre ce spécimen unique, la qualité de surface du chanfrein était reproductible. La taille différente n'était pas reconnaissable. On a supposé que la quantité d'enlèvement de matière pouvait être notée dans les zones de transition par l'apparition d'écaillages et de conchoïdales.

Une de chaque surface de chanfrein des séries d'essais KS et GS présente le même motif de meulage lisse avec presque aucune direction visible que la série d'essais C de la Fig. 12. Dans la série d'essais KS, un motif de meulage est visible dans le chanfrein 2, tandis que la série d'essais GS montre un motif de meulage dans la surface du chanfrein 1. En raison du motif de meulage des surfaces d'arête et de chanfrein, il est possible de confirmer que la spécification des chanfreins est correcte. Étant donné que le réglage manuel de la meule boisseau de chanfreinage aux postes 4 et 6 (selon la Fig. 3) est la seule différence entre les séries d'essais KS et GS, l'interaction entre la pression de meulage et la quantité de matière enlevée peut provoquer la visibilité visible. De plus, une mesure aléatoire de la largeur de chanfrein des éprouvettes a montré que l'ajustement manuel aboutit à différentes tailles de chanfrein.

Pour la série d'essais O, aucun chanfrein n'a été produit. Par conséquent, seule la surface des bords est présentée sur la figure 13. Les surfaces des bords correspondent à la qualité optique des autres séries de tests. Dans la zone de transition de la surface de bord de la série d'essais O à la surface de la vitre 2, des éclats simples et des conchoïdes avec une plage d'environ 300 μm ont été détectés. Comme aucun chanfrein n'est produit, ils peuvent être attribués à l'enlèvement de matière du bord du verre.

Analyse des contraintes de traction en flexion

Pour l'étude des différentes meules boisseau de polissage de chanfrein et des tailles de chanfrein, au total 62 éprouvettes ont été testées. Les contraintes de traction en flexion de chaque spécimen ont été déterminées à partir de la charge de rupture mesurée selon la théorie des poutres d'Euler-Bernoulli. Dans le cadre de l'analyse, la position globale Xglob de la fracture, ainsi que les origines exactes de la fracture ont été prises en compte. Des fractures ayant pour origine la surface du bord (e), la surface du chanfrein (c), la zone de transition entre la surface du bord et du chanfrein (tc) et la surface de la vitre (p) ont été trouvées. Dix spécimens ont montré une origine de fracture à partir de la surface de la vitre et n'ont pas été pris en compte dans l'évaluation. En outre, neuf spécimens se sont cassés en dehors de la zone chargée, où la tension la plus élevée est supposée. Ces spécimens n'ont pas non plus été pris en compte dans l'évaluation. Comme seule la zone chargée a été enregistrée au microscope, ces défauts ne peuvent pas être caractérisés et davantage corrélés avec les images microscopiques.

La figure 14 montre les contraintes de traction en flexion déterminées pour chaque série d'essais sous forme de boîtes à moustaches. La ligne épaisse dans une case marque la médiane des valeurs évaluées, tandis que les nombres (n) au-dessus des cases donnent le nombre de spécimens évalués. Les boîtes à moustaches grises contiennent tous les spécimens d'une série d'essais avec une fracture de la zone chargée. Une autre décomposition est faite en fonction de l'origine de la fracture avec une fissure initiale du bord (boxplots violets), de la transition (boxplots bleus) et du chanfrein (boxplots verts).

Généralement, les contraintes de traction en flexion de chaque série d'essais montrent une grande dispersion. En comparant les séries d'essais A, B et C avec différentes meules boisseaux de polissage, la série d'essais C a clairement montré la contrainte de traction en flexion la plus élevée déterminée. De plus, le tableau 3 montre les valeurs minimales, maximales et moyennes respectives. La série d'essais C a atteint avec 103,77 N/mm² la contrainte de traction en flexion la plus élevée et avec 86,69 N/mm² la valeur moyenne la plus élevée. En regardant les contraintes de traction en flexion des séries d'essais GS et KS, sur la base des boîtes à moustaches et du tableau 3, elles sont comparables à la série d'essais C. Un seul spécimen de la série d'essais GS montre une contrainte de traction en flexion relativement faible. La série d'essais O sans chanfrein montre une grande dispersion mais par rapport aux séries d'essais A et B des contraintes de traction en flexion légèrement plus élevées.

Tableau 3 Résultats des essais de flexion quatre points -Tableau pleine grandeur

Jusqu'à présent, la différenciation entre les positions de l'origine de la rupture n'a pas pu montrer de tendances claires concernant les contraintes de traction en flexion. En comptant le nombre d'éprouvettes avec une fissure initiale du chanfrein ou de la zone de transition, 60 % des éprouvettes présentaient une rupture du chanfrein et 40 % du bord. Cela confirme le fait que les zones de chanfrein et de transition présentent un intérêt particulier car elles présentent plus de défauts causant des fractures que le bord. Comme le nombre d'échantillons évalués dans chaque série d'essais est plutôt faible, les déclarations doivent être traitées avec prudence. Cependant, la tendance des résultats sera discutée et prise comme base pour des examens ultérieurs.

Détermination des défauts causant des fractures

La détermination des défauts à l'origine de la rupture permet une corrélation avec les contraintes de traction en flexion. Pour déterminer le défaut à l'origine de la fracture, la distance entre l'origine de la fracture et les marques a été mesurée sur le fragment. Avec cette distance, la tache correspondante sur les images intactes a été déterminée. La figure 15 montre les défauts à l'origine de la rupture de l'éprouvette avec les contraintes de traction en flexion minimales et maximales déterminées de chaque série d'essais. Les images présentées sont mises à l'échelle avec différents grossissements pour agrandir la visibilité du défaut. Une mesure géométrique bidimensionnelle du défaut ne pourrait toujours pas fournir une information suffisante pour une corrélation et n'est donc pas présentée ici.

La première ligne de la Fig. 15 montre la corrélation des contraintes de traction en flexion les plus faibles de chaque série d'essais. Les images microscopiques montrent des défauts clairs. L'éprouvette présentant la plus faible contrainte de traction en flexion de la série d'essais GS peut être caractérisée comme des éclats et des conchoïdes. Ces types de défauts ont été trouvés à plusieurs reprises sur l'ensemble du spécimen. Ainsi, l'analyse microscopique et la comparaison avec l'autre spécimen de la série d'essais GS ont montré qu'il s'agissait du seul spécimen de la série avec cette taille d'éclats et de conchoïdales. En comparant cette observation avec les contraintes de traction en flexion déterminées, la dispersion de la série d'essais GS est expliquée. Le défaut à l'origine de la rupture de l'éprouvette présentant la plus faible contrainte de traction en flexion de la série d'essais A est une rayure. La rayure est perpendiculaire à la marge du bord. Ce type de défaut n'est pas représentatif du processus de meulage et de polissage, car il n'est pas dans le sens du motif de meulage. On suppose qu'il a été causé après le processus de meulage et de polissage.

La deuxième rangée de la Fig. 15 montre les défauts provoquant des fractures avec les contraintes de traction en flexion les plus élevées de la série d'essais. B, GS et KS ne présentaient aucune irrégularité optique, ce qui soutient la thèse selon laquelle une qualité optique élevée des surfaces est corrélée à des contraintes de traction en flexion plus élevées. Cependant, tous les défauts évidents ne provoquent pas une rupture précoce. Les défauts provoquant la rupture de l'éprouvette la plus résistante de la série d'essais A et de l'éprouvette la plus faible de la série d'essais B sont tous deux des rayures dans la direction du motif de meulage. Bien que l'aspect optique sur la surface soit assez similaire, les contraintes de traction en flexion diffèrent d'environ 45 N/mm22. La microscopie numérique est une méthode non destructive et sans contact pour l'analyse de surface, avec un enregistrement d'images de surface bidimensionnelles. Par conséquent, la profondeur des rayures n'est pas mesurable. En raison de la mise au point et de la foudre, certaines rayures et dommages peuvent être détectés et caractérisés comme plus forts par rapport à la zone environnante. Les fissures médiales particulièrement étroites, qui provoquent une rupture précoce, ne peuvent pas être détectées.

Détermination de la force

La combinaison de paramètres des séries C et KS a montré les meilleurs résultats. Pour déterminer les valeurs de résistance avec une signification statistique, une deuxième série d'essais de 30 éprouvettes chacune a été réalisée. Un grand nombre d'origines de rupture se sont produites en dehors de la zone chargée, ce qui a réduit la quantité d'échantillons pour l'évaluation. Le tableau 4 montre les résultats de l'évaluation statistique avec une distribution de Weibull à deux paramètres. La détermination de fractiles à 5 % avec un niveau de confiance de 95 % a donné une valeur de 42,74 N/mm² pour la série d'essais C_2 et une valeur de 52,09 N/mm² pour la série d'essais KS_2. Bien que la série d'essais C_2 montre un fractile inférieur de 5 %, les deux sont clairement au-dessus de la valeur limite de 36 N/mm² selon DIN 18001 (2019).

Tableau 4 Résultats de la deuxième série d'essais C_2 et KS_2 avec un agrandissement de l'éprouvette -Tableau pleine grandeur

Dix spécimens de chacune des deuxièmes séries de tests, C_2 et KS_2, ont été examinés au microscope. L'analyse microscopique a révélé des surfaces comparables à la première série d'essais. Comme certains des spécimens analysés se sont cassés en dehors de la zone chargée, une corrélation et une détection des défauts causant des fractures n'ont été possibles que pour neuf spécimens au total pour les deux séries de tests. La détermination des défauts à l'origine de la fracture a révélé certains défauts atypiques.

Défauts typiques en fonction du processus de finition

La qualité, la taille et la fréquence des défauts peuvent donner une idée d'une bonne interaction des postes de traitement individuels et des paramètres de traitement ou révéler un déréglage. La combinaison de pressions de contact élevées, d'un enlèvement de matière excessif et d'une inclinaison incorrecte des meules peut provoquer un fort motif de meulage sur les surfaces et de gros défauts dans les zones de transition. Ainsi, le motif de meulage est créé lors des premières étapes de meulage et ne peut pas être compensé par la suite par les étapes de polissage ultérieures. Le polissage de la surface environnante ne rend que les rainures ou les rayures particulièrement visibles. Sur la base des résultats actuellement disponibles, un motif de meulage fortement visible n'est qu'une imperfection optique ; une réduction de la résistance n'a pas pu être observée.

La corrélation supplémentaire des enregistrements microscopiques avec les contraintes de traction en flexion a révélé que les défauts dans la zone de transition, comme les éclats et les conchoïdes, les rayures simples et les défauts atypiques sont principalement à l'origine de fractures. Une occurrence répétée de rayures visibles dans la direction du motif de meulage peut indiquer un mauvais état d'une meule boisseau. L'écaillage et les conchoïdes sont causés par l'enlèvement de matière à la suite de l'éclatement à la transition. Différentes meules boisseaux de polissage peuvent influencer la quantité et la taille des défauts.

Défauts atypiques

Les défauts atypiques détectés étaient corrélés avec de faibles contraintes de traction en flexion. Par conséquent, les défauts atypiques sont surtout considérés comme des défauts qui peuvent réduire la résistance des bords. Étant donné que les défauts atypiques ne vont pas dans le sens du meulage, on peut supposer qu'ils sont générés sur le bord du verre après le processus de finition. Bien que les vitrages soient stockés sur des cales en silicone qui doivent protéger les bords, des défauts avec une direction perpendiculaire au bord ont été détectés. Ceux-ci sont critiques, car une ouverture de fissure par des contraintes de traction en flexion est prise en charge. Pour exclure les défauts après le processus de finition, le bord doit être protégé directement. Une protection possible est un emballage direct ou un masquage du bord avec du ruban adhésif.

Influence des meules boisseaux de polissage sur la zone de transition

La variation des meules boisseau de polissage de chanfrein a une influence détectable au microscope sur la formation des défauts et la forme des arêtes. La meule boisseau de polissage à liant synthétique de la série d'essais A avec un grain fin de corindon de haute qualité assure des transitions nettes. Le grain fin ne parvient pas à réparer les rainures et les défauts dans la zone de transition, qui sont créés lors de l'enlèvement de matière avec des meules boisseaux diamantées pour le chanfrein. La série d'essais B montre une modification de la géométrie des arêtes due à la meule boisseau à polissage doux avec une granulométrie moyenne de corindon de haute qualité.

La combinaison de la granulométrie moyenne avec le liant souple entraîne un lissage rond de la zone de transition vers la surface du bord. Le système de collage souple de la meule boisseau de polissage s'adapte à la forme du bord du verre et enlève au minimum le matériau sur le bord du verre. L'intention de cette meule boisseau de polissage était d'améliorer spécifiquement la qualité des bords sans provoquer d'écaillages et de conchoïdales par l'enlèvement de matière et de provoquer en outre une répartition favorable des contraintes. Malgré le lissage rond, des défauts dans des plages de taille constante ont pu être détectés, qui ont peut-être été causés par une abrasion supplémentaire.

La meule boisseau de polissage de la série d'essais C montre les résultats les plus prometteurs pour la réduction des défauts et des contraintes de traction en flexion plus élevées. La meule boisseau de polissage avec une composition à pores fins à base de polyuréthane et une taille de grain interne a produit une image de surface sans rainures sur la surface et avec des transitions à arêtes vives. La zone de transition d'un côté présentait des éclats et des conchoïdes. De ce fait, la meule boisseau de polissage est suffisamment dure pour réparer l'état de surface après les étapes de traitement des meules diamantées du chanfrein, sans créer de nouveaux défauts.

Corrélation entre les contraintes de traction et le défaut fracturaire

Les contraintes de traction en flexion réalisées ont montré une grande dispersion. Une corrélation des défauts à l'origine de la fracture a révélé les raisons d'une rupture précoce et d'une faible contrainte de traction en flexion d'un seul spécimen. De plus, des contraintes de traction en flexion élevées ne pouvaient pas être corrélées avec des défauts clairs. Les origines des fractures ont été trouvées dans la surface du bord, la surface du chanfrein, les zones de transition et la surface de la vitre. Les spécimens avec une origine de rupture à partir de la surface de la vitre et une origine de rupture en dehors de la zone chargée n'ont pas été pris en compte dans l'évaluation. Dans l'éprouvette évaluée, 60 % des éprouvettes présentaient une rupture du chanfrein ou de la transition et 40 % du bord. Une réduction des défauts dans le chanfrein et les zones de transition avec des meules boisseaux spéciales de polissage peut donc entraîner des contraintes de traction en flexion plus élevées. Un plus grand nombre d'échantillons évalués doit être effectué pour confirmer les résultats.

Force des bords

Les deuxièmes séries de tests C_2 et KS_2 ont été réalisées pour déterminer des valeurs de résistance avec une signification statistique. Les deux ont abouti à des valeurs de résistance élevées supérieures à la valeur limite de 36 N/mm² selon DIN 18001 (2019). La série d'essais C_2 a montré une valeur de résistance de 42,74 N/mm², la série d'essais KS_2 une valeur de résistance de 52,09 N/mm². La corrélation des défauts à l'origine de la fracture a révélé certains défauts atypiques, qui pourraient être la raison du grand nombre d'origines de fracture en dehors de la zone chargée. Par conséquent, une résistance de bord encore plus élevée peut être produite après avoir amélioré les conditions des bords en empêchant les défauts atypiques.

Utilisation de la méthode microscopique

Les examens ont montré que la méthode microscopique fournit des informations significatives sur la qualité des surfaces de verre traitées. Il permet une caractérisation des défauts et défauts qui se produisent et est en outre utile pour l'évaluation des tests de rupture, car les défauts à l'origine de la rupture peuvent être détectés. Un enregistrement détaillé d'une surface assez grande de 200 mm de chaque spécimen nécessite des réglages individuels du microscope, une bonne capacité de calcul et du temps. Il est imaginable qu'une méthode microscopique puisse être utilisée comme support pour le réglage de la rectifieuse et un contrôle de qualité fréquent des qualités de surface des bords. Par conséquent, le procédé est utile, mais pas encore facilement adaptable dans une chaîne de production pratique et doit être développé davantage pour une utilisation possible dans la pratique.

Les défauts et les défauts se produisent naturellement avec les bords traités et ne peuvent pas être complètement évités. Néanmoins, le but de cette étude était de créer des bords polis et des surfaces de chanfrein avec des défauts de surface réduits et des défauts dans les zones de transition des bords du verre. Avec une meule boisseau de polissage spécialement développée de la série d'essais C, un chanfrein traité avec des défauts réduits dans les zones de transition a été produit. Parallèlement à cela, des contraintes de traction en flexion croissantes ont été déterminées, ce qui a conduit à la détermination d'une résistance des bords de verre plus élevée. Cela montre que la qualité d'arête résultante est fortement influencée par le choix de la meule boisseau de polissage.

La corrélation des contraintes de traction en flexion et des défauts causant des fractures montre que les défauts visibles au microscope ont une influence sur les contraintes de traction en flexion. Cependant, des examens complémentaires sur la caractérisation et la mesure géométrique des défauts doivent être effectués pour préciser l'influence et les valeurs limites. La corrélation a également révélé des défauts atypiques, qui ont conduit à de faibles contraintes de traction en flexion. Ceux-ci peuvent affaiblir le verre de manière notable. Par conséquent, une attention particulière dans la chaîne de production devrait être la prévention des défauts atypiques.

Pour générer des relevés universels et identifier des paramètres pertinents, l'utilisation de méthodes optiques est bénéfique, car l'analyse peut aider à contrôler la production de qualités d'arêtes, à régler des rectifieuses ou à détecter des déréglages. La méthode et son utilisation raisonnable doivent encore être développées pour une utilisation pratique. Dans la suite de l'examen, des paramètres de processus supplémentaires doivent être générés. Les examens porteront d'abord sur un fabricant avant d'être transférables à un second. Avec la génération de paramètres standardisés supplémentaires pour les processus de finition des bords de verre, des bords de verre reproductibles de qualité régulée et une résistance de bord généralement valide seront introduits. Cela permettra une utilisation sûre et efficace des bords de verre recuit pour la conception.

Financement Open Access fourni par Projekt DEAL. Le projet de recherche Développement d'un nouveau procédé de meulage pour le chanfrein du verre (SAUM - Entwicklung eines neuartigen Schleifprozesses für Bauteile aus Glas) est un projet de recherche conjoint de Glaswerkstätten Frank Ahne GmbH, Artifex Dr. Lohmann GmbH & Co. KG et de l'Institut pour la construction de bâtiments de la Technische Universität Dresden. Il a été financé par le ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie (ZF4123712TA7), dans le cadre du programme central d'innovation ZIM. Un merci spécial au partenaire du projet Glaswerkstätten Frank Ahne GmbH pour la bonne coopération, le support technique et la production d'éprouvettes.

Auteurs et affiliations

Université technique de Dresde, Dresde, Allemagne - Paulina Bukieda, Katharina Lohr & Bernhard Weller

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

Correspondance à Paulina Bukieda.

Conflit d'intérêt

Les auteurs déclarent n'avoir aucun conflit d'intérêts.