Czytaj także -

Aktualne wydanie

2022 05 okladka1

Świat Szkła 5/2022

User Menu

 ET-Swiat-Szkla-PL-160x600-004

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

 

 wlasna-instrukcja ift--baner do newslet-2019e

 

 

Pomiar anizotropii w szkle architektonicznym
Data dodania: 11.05.22

Jest to obiecana kontynuacja mojej prezentacji na temat HACI (Haze, Anisotropy, Clarity, Interference – Zamglenie, Anizotropia, Przejrzystość, Zakłócenia), przedstawionej na konferencji GPD w 2017 r., zawierająca najnowsze informacje techniczne i badawcze, a także opis stanu działań grupy zadaniowej ASTM ds. anizotropii. Od 2017 r. nasze eksperymenty i badania skłoniły nas do skupienia się na anizotropii. Odkrycie, że sztywne warstwy pośrednie mogą stać się anizotropowe, pomogło nam w rozwiązaniu problemów związanych z zamgleniem i przejrzystością.

 

2022 04 42 1

Rys. 1. Kryształ kalcytu

 

W tym artykule podsumowuję szczyt w Cupertino: jednodniowe spotkanie, którego gospodarzem była firma Apple, na którym zebrało się 31 naukowców i interesariuszy z całego świata.

 

Było to spotkanie inaugurujące działalność grupy zadaniowej ASTM zajmującej się pomiarami anizotropii. W tym opracowaniu przedstawiam stan prac naszej grupy zadaniowej po 8 spotkaniach. Na koniec opiszę kolejne kroki i wyzwania, jakie stoją przed tą dziedziną.

 

2022 04 42 2

Rys. 2. Naprężenia mechaniczne zmieniają współczynnik załamania światła

 

Zapoznanie się z tym artykułem zapewni wiedzę o fizyce anizotropii i o tym, kto produkuje skanery do pomiaru tego zjawiska. Są tu też podstawowe informacje o „nadchodzącej” normie ASTM.

 

1. Definicje
1.1 Współczynnik załamania światła
Światło porusza się w próżni lub w powietrzu z prędkością C = 300 Mm/s (Tokyo-LA wynosi 9 Mm). W wodzie lub szkle światło porusza się wolniej, ponieważ na jego drodze staje więcej cząsteczek. Za każdym razem, gdy foton uderza w cząsteczkę, światło zostaje pochłonięte, cząsteczka drga, a następnie światło zostaje ponownie wyemitowane; wszystko to wymaga czasu. W szkle prędkość ta spada do 200 Mm/s. Stosunek C/V nazywany jest współczynnikiem załamania światła (n). Dla szkła float wynosi on około n = 300/200 = 1,5

 

1.2 Izotropia
Próżnia, woda, powietrze i szkło odprężone są izotropowe. Wykazują one właściwości (takie, jak prędkość transmisji światła) o takich samych wartościach, gdy mierzy się je wzdłuż osi we wszystkich kierunkach. W ciele izotropowym ten współczynnik załamania światła jest stały niezależnie od kierunku propagacji lub płaszczyzny drgań.

 

1.3 Anizotropia
Drewno łatwiej rozszczepia/rozłupuje się w kierunku włókien – jest anizotropowe. Wykazuje właściwości o różnych wartościach, gdy mierzy się je w odmiennych kierunkach. Wiele materiałów, takich jak szkło i tworzywa sztuczne, jest izotropowych, gdy nie są poddawane naprężeniom (po odprężeniu), ale stają się anizotropowe, gdy pojawiają się w nich naprężenia.

Anizotropia tworzy efekt wizualny ze względu na obecność światła spolaryzowanego, dwójłomność szkła oraz naprężenia mechaniczne w szkle powstałe w wyniku obróbki cieplnej.

 

1.4 Dwójłomność
Dwójłomność1 to właściwość fizyczna, która wyjaśnia wzory, jakie widzimy na szkle w środowisku światła spolaryzowanego. Prędkość propagacji/rozprzestrzeniania/ rozchodzenia zależy od kierunku polaryzacji fali świetlnej.
Gdy współczynnik załamania światła nie jest niezmienny, obserwuje się efekt dwójłomności. Niektóre kryształy, takie jak kalcyt, są dwójłomne i wykazują anizotropię optyczną. Szkło float jest optycznie izotropowe, ale staje się optycznie anizotropowe pod wpływem obciążenia lub naprężeń.

Zmiana współczynnika załamania światła jest zależna od występujących w szkle naprężeń. Podczas obróbki cieplnej szkła lub chłodzących warstw pośrednich powstają strefy, które mają różne współczynniki załamania światła, co powoduje opóźnienie optyczne (tzw. retardację).

 

 2022 04 42 3

Rys. 3. Powstawanie barw/kolorów interferencyjnych

 

 2022 04 42 4

Rys. 4. Długość fali opóźnionej

 

1.5 Retardacja/Opóźnienie
W materiale dwójłomnym spolaryzowane fale świetlne rozchodzą się prostopadle do siebie i w kierunkach równoległych do naprężeń głównych, z różnymi prędkościami.
Wynikiem tego jest różnica dróg optycznych lub opóźnienie optyczne między tymi dwiema falami świetlnymi. Zmierzone opóźnienie w próbce zależy od reguły optyczno-naprężeniowej, zależności łączącej następujące parametry: długość fali, stałą optyczno-naprężeniową szkła, różnicę naprężeń głównych i długość drogi przez szkło. W (częściowo) spolaryzowanym świetle dziennym te opóźnienia i widmo światła mogą prowadzić do efektów kolorystycznych (opalizacji/iryzacji) widocznych dla ludzkiego oka.

 

2 Spotkanie w Cupertino
2.1 Interesariusze
Na GPD 2015 przedstawiono wyczerpujące studium norm europejskich i brytyjskich oraz wytycznych branżowych. Temat ten poruszono też w artykule: „Anizotropia jest wyraźnie uznawana przez aktualne normy brytyjskie za nieunikniony efekt procesów obróbki cieplnej” (Pasetto, 2014). Takie samo sformułowanie występuje w normach północnoamerykańskich C1048.
Saverio Pasetto w swoim wystąpieniu w Cupertino podkreślił, że branża musi wykazać się obiektywizmem, chęcią opracowania metod pomiarowych i chęcią zmiany standardów. Pracując w wiodącej na świecie grupie zajmującej się opracowywaniem projektów i wykonywaniem fasad szklanych, coraz częściej spotyka się z niedostarczonymi specyfikacjami, przedłużającymi się weryfikacjami i kosztownymi sporami prawnymi

 

 2022 04 42 5

Rys. 5. Postrzeganie/percepcja a kąt obserwacji

 

 2022 04 42 6

Rys. 6. Przewidywanie wzorców na podstawie zbiorów danych

 

 

 

2.2 Obowiązujące normy
Stowarzyszenie ASTM posiada już wiele norm dotyczących anizotropii i fotoelastyczności:

C148 Metody badania opakowań szklanych za pomocą polaryskopów
C770 Metoda badania zależności współczynnika optycznego od naprężeń w szkle
C978 Metoda badania fotoelastycznego wyznaczania naprężeń wewnętrznych w przezroczystej tafli szklanej z wykorzystaniem mikroskopu polaryzacyjnego i procedur kompensacji opóźnienia optycznego
C1279 Nieniszczące, z wykorzystaniem fotosprężystości, pomiary naprężeń na krawędziach i na powierzchni w płaskim szkle odprężonym, wzmacnianym termicznie i całkowicie zahartowanym
F218 Standardowa metoda badania pomiaru opóźnienia optycznego i analizy naprężeń w szkle

 

Niektóre z tych norm są bardzo podstawowe i zostały opracowane w epoce analogowej. Inne pozwalają na precyzyjny pomiar dwójłomności, ale tylko na niewielkich, zlokalizowanych obszarach. Dzięki rozwojowi technik obrazowania i możliwości obliczeniowych możemy obecnie przewidzieć precyzyjny pomiar opóźnienia na dużym obszarze z rozdzielczością minutową. Ponadto, opracowując normę, musimy zająć się podstawowymi zagadnieniami: kalibracją, powtarzalnością i dokładnością.

 


2.3 Badania naukowe
Marcus Illguth i Christian Schuler pracowali wspólnie na Uniwersytecie Nauk Stosowanych w Monachium nad pracą, którą uważamy za najbardziej autorytatywną na temat anizotropii w szkle (M. Illguth, 2015). Christian Schuler współpracował również z Uniwersytetem RWTH Aachen. Autorzy ci przedstawiają oni swoją pracę dotyczącą kontroli i oceny jakości całej powierzchni tafli szklanych przy użyciu metod fotoelastycznych (Benjamin Schaaf, 2017).

 

Wyniki tych ostatnich badań pokazują, że pomiar opóźnienia optycznego z wykorzystaniem fotosprężystości RGB jest właściwym narzędziem do ilościowego określania anizotropii z fizyczną jednostką miary: nanometra (nm). Obrazy z polaryskopu są przekształcane w pełne wyznaczanie opóźnienia, a następnie poddawane ocenie statystycznej.

 

Christian Schuler kontynuuje badania nad czynnikami wpływającymi na anizotropię: grubość szkła, powłoki, nałożone na siebie tafle szkła, piece do hartowania. Próbuje scharakteryzować szybę za pomocą wartości kwantylowej, wartości izotropowej i cech teksturalnych/strukturalnych. Przeprowadził nawet badania terenowe z grupami kontrolnymi.

 

Jeśli chodzi o przemysł szklarski, Saint-Gobain Glass w ostatnich latach dużo pracował nad anizotropią. Stephane Auvray wykorzystuje swoje doświadczenie badawcze, aby zwiększyć świadomość w zakresie rzeczywistych sytuacji. Otoczenie budynku ma kluczowe znaczenie, ponieważ zmienia percepcję wizualną. Jeśli zmiany dwójłomności występują przestrzennie na szkle, obserwujemy zmiany w odbiciu i transmisji.

 

Dlatego też kąt widzenia będzie przybliżał lub oddalał użytkownika od krytycznego kąta Brewstera2. Innymi słowy, w przypadku szkła hartowanego w takich samych warunkach, zamontowanego na fasadzie w tym samym budynku, podczas obserwacji z ziemi ślady nieprawidłowego chłodzenia (w postaci prążków na szkle) będą widoczne tylko na niektórych piętrach.

 

Skanowanie surowego szkła za pomocą mapowania opóźnienia optycznego umożliwia ilościową ocenę jakości hartowania, ale nie pozwala przewidzieć wyników dla obserwatora. Wzory pojawiające się na szkle będą widoczne w zależności od kąta obserwacji i polaryzacji nieba.

 

Jednak postrzeganie/percepcję można przewidzieć na podstawie odpowiedzi szkła. Dlatego należy wziąć pod uwagę nie tylko amplitudę opóźnienia, ale także kierunek naprężeń występujących w szkle. Badania Stephane Auvray’a pokazują również, że obecność powłok i laminacji powoduje absorpcję i odbicie światła oraz zmienia kąt Brewstera.

 


3 Komercyjne technologie skanowania
Hermann Sonnleitner z firmy SoftSolution, Rainer Feuster z Viprotron, Eric Hegstrom z Lite Sentry i Hermann Dehner z Arcon wyjaśniają, w jaki sposób ich firmy weszły na rynek skanowania anizotropii, a także prezentują swoje możliwości techniczne i zaplecze naukowe. Każda z firm stosuje inną metodę pomiaru, którą można pogrupować na dwie klasy: polaryskopy i polarymetry.

 


3.1 SoftSolution
Wykorzystuje wiele telecentrycznych źródeł światła, aby poszerzyć ich zakres opóźnienia. Pozwala to na ocenę opóźnienia w sztywnych warstwach pośrednich (przekładkach w szkle laminowanym) i grubym szkle. System może również określać naprężenia brzegowe/krawędziowe i naprężenia wokół otworów. Zastosowanie polaryzatora kołowego uniezależnia pomiary od orientacji szkła na łożu. Pracują nad korelacją naprężeń krawędziowych, aby przewidzieć fragmentację i ostatecznie wyeliminować destrukcyjne metody kontroli jakości.

 


3.2 Viprotron
Wykorzystuje również filtry polaryzacyjne kołowe. Stosowane jest światło o większej długości fali (czerwone monochromatyczne światło LED). Firma uważa, że kalibracja jest kluczem do obliczenia właściwych wartości opóźnienia. Aby to osiągnąć, wykorzystuje się kilka skalibrowanych płytek o różnych długościach fali.

 


3.3 LiteSentry
Na rynku urządzeń do badania zniekształceń optycznych działa od 20 lat, mając na koncie Rys. 3. Powstawanie barw/kolorów interferencyjnych Rys. 4. Długość fali opóźnionej ponad 230 instalacji na całym świecie. Ta ogromna wiedza na temat działania zakładów zajmujących się obróbką szkła produkcyjnego i analizy obrazu była kluczem do zbudowania własnego systemu.

 

Firma zdała sobie sprawę, że opóźnienie jest skomplikowane i w 2017 r. nawiązała współpracę ze Stress Photonics, aby opracować i wyprodukować swoje rozwiązanie do pomiaru inline anizotropii, opalizacji (iryzacji), opóźnienia i naprężenia bezwzględnego w szkle. Łączą one źródło światła spolaryzowanego o zrównoważonej barwie z wieloma polaryskopami o szarym polu. Zapewnia to dobrą przewidywalność opalizacji.

 


3.4 Arcon
Jest pionierem w dziedzinie pomiarów opóźnienia. Kilka lat temu firma opracowała technologię pomiaru offline z wykorzystaniem metody Senarmonta. Ostatnio we współpracy z firmą ilis opracowano technologię pomiaru w trybie inline.
Obrotowy analizator zastąpiono specjalną kamerą polaryzacyjną bez ruchomych elementów, laser zastąpiono panelem LED, a pomiar światłem spolaryzowanym kołowo umożliwia określenie prawidłowej wielkości i orientacji naprężeń. Można teraz wykonywać w czasie rzeczywistym obliczenia statystyczne na podstawie wielkości i orientacji naprężeń.

 


3.5 Glaston
Firma Glaston nie zaprezentowała systemu na szczycie w Cupertino, ale jej iLooK skanuje anizotropię szkła online bezpośrednio na linii hartowania szkła w pełnym obciążeniu i wyświetla każdy kawałek szkła z osobna. Urządzenie Glaston jest zintegrowane z piecem do hartowania, co zapewnia dane dotyczące kontroli jakości.

 


4 ASTM C14.08
Grupa zadaniowa ds. anizotropii
Po szczycie stało się jasne, że stoimy przed poważnym wyzwaniem. Postanowiliśmy uprościć zakres normy, pracując nad monolitycznym szkłem płaskim poddanym obróbce cieplnej. Naszym celem jest szybkie opracowanie normy, a następnie dodanie innych norm obejmujących bardziej złożone struktury, takie jak szkło laminowane.

 

Dążymy również do standaryzacji metody pomiaru anizotropii optycznej. Norma ta edukuje zainteresowane firmy na temat tego zjawiska i technologii dostępnych do jego pomiaru. Określa słownictwo i metodologię. Potwierdza, że opóźnienie jest zjawiskiem fizycznym, a jego jednostką jest nanometr.

 

Wreszcie potwierdza, że pomiary są spójne, powtarzalne i możliwe do prześledzenia przez producentów skanerów. Wynikiem będzie macierz wartości. Chcemy, aby norma była podstawą dla branży. Określa standardową metodę testowania, a nie jest specyfikacją.

 

 2022 04 42 7

Rys. 7. Funkcja czułości na kontrast

 


5 Kolejne kroki w naszych działaniach
5.1 ASTM
Chcielibyśmy nadać tej normie budowlanej oficjalny charakter poprzez wprowadzenie jej treści do porządku głosowania. Ponieważ jest to raczej podstawowy element, mamy nadzieję, że będzie to prosty proces.

 


5.2 Badania naukowe
W kilku dziedzinach należy przeprowadzić dalsze badania. Jak matematycznie lub statystycznie rozwiązać mapę opóźnienia/retardacji, aby uprościć jej interpretację?
Średnia liczba nie oddaje dziwnych wzorów lub wysp o wysokiej anizotropii. Od czego zacząć ocenę wokół krawędzi, otworów, w ostrych obszarach geometrycznych?
Percepcja ludzkiego oka jest dobrze zbadana w branży ekranów komputerowych i telefonicznych, ale świat architektury nie zaczął jeszcze nad tym pracować. Jak nasze oczy reagują na odcienie szarości, z jakiej odległości?

 

Na spotkaniu w Cupertino Adrian Kitai z Uniwersytetu McMaster wyjaśnił, w jaki sposób ludzkie oko może być najbardziej krytycznym instrumentem analitycznym, ale także jakie są jego ograniczenia w zakresie rozdzielczości przestrzennej. Próg kontrastu dla różnych częstotliwości przestrzennych można zmierzyć i przedstawić na wykresie jako zależność czułości kontrastu od częstotliwości przestrzennej.

 

Wykres na rys. 7 przedstawia funkcję czułości kontrastu. Czułość kontrastu przy niskich częstotliwościach przestrzennych określa, jak dobrze postrzegane są duże obiekty i kształty. Badania pokazują, że akceptowalna wartość anizotropii dla budynku oddalonego o 60 m nie będzie tak użyteczna do opisania jakości optycznej podświetlenia samochodu.

 

Eclat Digital, francuski start-up, tworzy ultrarealistyczne wirtualne prototypy, wykorzystując intensywność i orientację anizotropii. Napotykają one jednak na wyzwania związane z odtwarzaniem warunków oświetleniowych w terenie. W jaki sposób można zmierzyć i opisać środowisko polaryzacji światła w budynku i wychwycić środowiska bardziej podatne na anizotropię?

 


6 Podsumowanie i wnioski
Kontynuujemy naszą bardzo interesującą podróż, która obecnie pozwala wiodącym architektom i producentom na ilościowe określenie zjawisk, które uważamy za nieuniknione, ale naszym zdaniem możliwe do ograniczenia.

 

Moc obliczeniowa i technologia optyczna utorowały drogę do niezawodnych skanerów online do szkła hartowanego (poddanego obróbce cieplnej). Można powiedzieć, że urządzenia te w sposób wiarygodny odwzorowują opóźnienie optyczne, co pozwala na ilościowe określenie jakości hartowania. Po wprowadzeniu normy ASTM możliwe będzie skorelowanie dokładnych i powtarzalnych pomiarów oraz obiektywne doskonalenie procesu. W dłuższej perspektywie pomiar anizotropii przyczyni się do poprawy estetyki dużych i złożonych tafli szklanych. 

 

Artykuł został oparty na wykładzie zaprezentowanym na Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2019, która odbyła się w dniach 26-28 czerwca 2019 r. Tampere w Finlandii

 

Louis Moreau

 

Bibliografia
[1] Benjamin Schaaf, P. D. (2017). Całopowierzchniowa i nieniszcząca kontrola oraz ocena jakości przy użyciu metod fotoelastycznych (Full-surface and Non-destructive Quality Control and Evaluation by Using Photoelastic Methods). Glass Performance Days. Tampere, Finlandia.
[2] M. Illguth, C. S. (2015). Wpływ anizotropii optycznej na szklane fasady budynków i metody jej pomiaru (The effect of optical anisotropies on building glass facades and its measurement methods). Monachium, Niemcy: ScienceDirect.
[3] Pasetto, S. (2014). Anizotropia jako wada szkła architektonicznego float poddanego obróbce cieplnej w Wielkiej Brytanii (Anisotropy as a defect in U.K. architectural float heat-treated glass). Bath, Wielka Brytania: University of Bath.

 

1 Dwójłomność – zdolność ośrodków optycznych do podwójnego załamywania światła (rozdwojenia promienia świetlnego). Substancje, dla których zjawisko zachodzi, nazywamy substancjami dwójłomnymi. Przykładami substancji dwójłomnych mogą być kryształy rutylu i kalcytu.

 

2 Kąt Brewstera (zwany także kątem polaryzacji ) – kąt padania światła na powierzchnię dielektryka, przy którym promień odbity jest całkowicie spolaryzowany liniowo. Prawo dotyczące polaryzacji światła odbitego sformułował David Brewster (1781–1868). Gdy na granicę ośrodków przezroczystych pada światło niespolaryzowane pod takim kątem, że promień odbity i załamany tworzą kąt prosty, to światło odbite jest całkowicie spolaryzowane. Kierunek pola elektrycznego światła odbitego jest prostopadły do płaszczyzny padania.

 

 

 

 

 

 

Czytaj także --

 

 

01 chik
          sec