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Se utilizan dos procesos principales para fortalecer el vidrio para lentes de cubierta HMI industriales: fortalecimiento químico (mediante intercambio iónico) y templado térmico (mediante enfriamiento rápido). Cada proceso produce un perfil de tensión diferente en la superficie y el interior del vidrio y, por lo tanto, produce diferentes características de rendimiento en resistencia, calidad óptica, opciones de posprocesamiento y costo. Vidrio reforzado químicamente generalmente se utiliza para paneles finos, mientras que el vidrio templado se fabrica para aplicaciones más gruesas. Esta guía compara ambas opciones en las cuatro dimensiones, escrita específicamente para ingenieros que buscan seleccionar una cubierta para pantallas táctiles industriales.
De un vistazo “Vidrio químicamente reforzado versus vidrio templado
A continuación se ofrece un enfrentamiento directo sobre las diferencias clave entre el vidrio químico y el templado. Elegir el mejor vidrio para su panel implica compensaciones en el espesor del panel, requisitos de impacto, tolerancia óptica y requisitos de posprocesamiento. Ambos tipos de vidrio son apropiados para aplicaciones industriales, pero sin tener en cuenta sus compensaciones.
| Propiedad | Fortalecimiento químico | Templado Térmico |
|---|---|---|
| Método | Intercambio iónico en baño de sal de KNO3 fundido | Calefacción a ~620 °C + enfriamiento rápido del aire |
| Espesor aplicable | 0,1-6 mm | ≥3 mm (mínimo práctico) |
| Fuerza vs recocido | 6-8× veces más fuerte | 4-'5× veces más fuerte |
| Compresión superficial (CS) | Hasta 690 MPa (cal sodada); >1.000 MPa (aluminosilicato) | 80-150 MPa típico |
| Patrón de ruptura | Fragmentos grandes (no clasificados como vidrio de seguridad) | Se rompe en pequeños trozos granulares (vidrio de seguridad según EN 12150) |
| Distorsión óptica | Negligente « sin marcas de arco, deformación o enfriamiento | Medible « patrones de onda de rodillo y enfriamiento posibles |
| Postprocesamiento | Se puede cortar, perforar y pulir los bordes después del refuerzo | Debe fabricarse hasta su forma final antes de templar |
| Costo por pieza | Mayor (mayor tiempo de ciclo, consumibles de baño de sal) | Inferior (ciclo rápido, alto rendimiento) |
| Mejor para | Vidrio de cubierta delgada (<3 mm), paneles táctiles PCAP, especificaciones ópticas altas | Paneles más gruesos (≥3 mm), gabinetes con clasificación de seguridad, proyectos económicos |
Consejo: utilice vidrio reforzado químicamente en paneles finos de HMI que no necesitan distorsión cero ni flexibilidad posprocesamiento. Utilice vidrios templados térmicamente en aplicaciones gruesas y sensibles a los costos donde la certificación de vidrio de seguridad es importante.
Cómo funciona el fortalecimiento químico “Intercambio iónico en un baño de sal
El fortalecimiento químico (también conocido como templado químico o fortalecimiento por intercambio iónico) se logra mediante la inmersión del vidrio en un baño fundido de nitrato de potasio (KNO) a una temperatura de 380-450 C durante 4 a 16 horas. Durante este período, los iones de sodio más pequeños de radio inferior (Na, radio ~0,95 ) en el lecho de vidrio se acumulan y son reemplazados por iones de potasio más grandes de radio superior (K, radio ~1,33 ) que se empaquetan junto a ellos. Al ocupar los espacios dejados por los iones de sodio, los iones de potasio crean una capa superficial de compresión sobre la superficie del vidrio. (Los efectos cromáticos de una composición de aluminosilicato de potasio son responsables del tinte verde sustancial que se observa comúnmente en el vidrio transparente de cal sodada).
Se puede conseguir una compresión superficial de hasta 690 MPa en vidrios de silicato de cal sodada y en composiciones de aluminosilicato son posibles superficies de hasta 1.000 MPa, según el Sociedad Estadounidense de Cerámica (ACerS). La profundidad de la capa de la zona de compresión suele ser de 15 a 50 m, dependiendo del tiempo de remojo, la temperatura y la composición.
Especificaciones de producción de vidrio SW
CS >450 MPa | DOL >8 µm
Verificado en cada lote con un tensionómetro de superficie
Nuestra línea de vidrio reforzado químicamente utiliza baños KNO a temperaturas controladas con precisión para producir grados CS superiores a 450 MPa y mediciones de profundidad de capa superior a 8 m « que se monitorean en cada ejecución de producción con un medidor de tensión superficial. El control preciso de estos parámetros garantiza un rendimiento confiable como vidrio de cubierta.
Descubra nuestras capacidades en fabricación industrial de cristales para pantallas táctiles.
Cómo funciona el templado térmico « Calor y enfriamiento rápido
El templado térmico (también llamado templado físico) calienta un trozo de vidrio recocido hasta que alcanza aproximadamente 620 C, por encima de la temperatura de transición vítrea (~564 C), antes de enfriarlo rápidamente mediante una ráfaga de aire a alta presión. La rápida velocidad de enfriamiento hace que las superficies exteriores del vidrio se bloqueen en un estado de compresión, mientras que el interior se enfría relativamente lentamente, facilitando un estado de tensión de tracción. La interacción entre la compresión de la superficie y la tensión interior imparte mayor resistencia al vidrio completamente templado.
Después del enfriamiento, el vidrio es entre 4 y 5 veces más resistente que el vidrio recocido convencional del mismo espesor. En caso de fractura, el vidrio templado se rompe en trozos pequeños (aproximadamente) cúbicos en lugar de fragmentos grandes y afilados. El vidrio con este tipo de patrón de fragmentación se conoce como vidrio de seguridad en EN 12150 y ASTM C1048. Piezas pequeñas como estas son generalmente seguras para usos en contacto humano.
El proceso de calentamiento y enfriamiento genera cierta distorsión óptica mensurable. Las marcas de ondas de rodillos de los rodillos del horno y el patrón de enfriamiento de la circulación desigual del aire pueden ser inaceptables para usos de visualización de alta gama donde el contenido de la pantalla se ve a través del vidrio de cubierta a una distancia cercana.
Nota: Se requiere un espesor de vidrio mínimo de alrededor de 3 mm para el templado térmico. El vidrio delgado (por debajo de aproximadamente 3 mm) no puede formar el gradiente de temperatura necesario durante el enfriamiento para lograr un refuerzo significativo. Por esta razón, el refuerzo químico es la única opción para paneles de vidrio delgados de menos de 3 mm.
Nuestro vidrio plano totalmente templado para uso industrial y arquitectónico cuenta con la certificación EN 12150, utilizando nuestra línea de templado térmico de alta calidad.
Fuerza, resistencia al impacto y patrón de rotura
Las características de resistencia y fractura son las que normalmente comparan los ingenieros al seleccionar vidrio endurecido químicamente y vidrio templado para usos industriales en interfaces hombre-máquina. Estas cifras se basan en el procesamiento real de nuestro vidrio en la línea de producción, no solo en valores teóricos máximos.
| Propiedad | Fortalecido químicamente | Templado |
|---|---|---|
| Fuerza vs recocido | 6-8× | 4-5× |
| Superficie CS | 450-1.000+ MPa | 80-150 MPa |
| Resistencia al impacto (por mm de espesor) | Más alto | Inferior |
| Patrón de ruptura | Grandes fragmentos « el vidrio puede permanecer unido | Pequeños cubos granulares « vidrio de seguridad |
| Certificación de Vidrios de Seguridad | No (no cumple con la fragmentación EN 12150) | Sí (EN 12150, ASTM C1048) |
Tenga en cuenta: las clasificaciones de protección contra impactos (como IK10 según IEC 62262) son pruebas de un gabinete completo, no solo de una pieza de vidrio. Un panel de vidrio endurecido químicamente puede soportar impactos puntuales más altos que un panel templado del mismo espesor. Sin embargo, las pruebas completas de protección contra impactos dependen de todo el conjunto: vidrio, junta, marco y montaje. Lea nuestro artículo en cómo se aplican las clasificaciones IK a los conjuntos de vidrio de cubierta HMI.
Nota: el vidrio endurecido químicamente ofrece una mayor resistencia por milímetro de espesor, pero no obtiene la aprobación de vidrio de seguridad en virtud de la baja distorsión óptica de su patrón de rotura controlada (como lo hace el vidrio templado). Para cubiertas HMI industriales de menos de 3 mm de espesor, el refuerzo químico es la única opción viable.
Calidad Óptica y Distorsión
Su distorsión óptica es prácticamente nula en vidrio reforzado químicamente. Debido a que el intercambio iónico tiene lugar a una temperatura inferior al punto de reblandecimiento del vidrio, su panel es dimensionalmente estable. No tiene arco, urdimbre ni evidencia de un patrón de enfriamiento. Esto es enormemente significativo para un vidrio de cubierta que se ve directamente a través de una pantalla.
El vidrio templado se procesa térmicamente cerca del punto de reblandecimiento del vidrio, por diseño. Cualquier ciclo rápido de calentamiento y enfriamiento puede inducir ondas de rodillo y ondulación de marcas de enfriamiento visibles a través de iluminación polarizada. Para aplicaciones de visualización, esta distorsión óptica compromete la legibilidad, que los operadores pueden tener que ver durante horas seguidas.
Todos nuestros lotes de vidrio de cubierta químicamente reforzados se prueban para detectar distorsión transmitida del frente de onda, para garantizar que esté por debajo del nivel crítico en el que los operadores humanos lo encuentran distraído mientras leen el contenido de la pantalla. La medición del frente de onda es un paso de control de calidad de rutina que se aplica a todos los pedidos de paneles de cubierta HMI.
Espesor, peso y flexibilidad de diseño
El espesor del vidrio es uno de los criterios más importantes para seleccionar el material de vidrio de cubierta HMI. Vea a continuación por qué el proceso de refuerzo químico domina el segmento de vidrio delgado.
Por qué el fortalecimiento químico domina el vidrio delgado en la parte inferior
| Factor | Fortalecimiento químico | Templado Térmico |
|---|---|---|
| Espesor mínimo | 0,1 mm | ~3 mm |
| Espesor máximo | ~6 mm | Sin límite superior práctico |
| Rango HMI típico | 0,55-2,1 mm | 3-6 mm |
| Corte post-proceso | Sí « se puede cortar después del refuerzo | No « primero debe cortarse a medida |
| Perforación Post-Proceso | Sí | Nu, se va spart |
| Peso (relativo) | Más ligero (posible vidrio más delgado) | Más pesado (se requiere vidrio más grueso) |
El vidrio templado químicamente domina donde el vidrio de cubierta debe ser delgado (paneles táctiles PCAP, equipos médicos, pantallas portátiles y módulos HMI planos). Una lente de cubierta reforzada químicamente de 0,7 mm o 1,1 mm sería demasiado difícil de fabricar con éxito para el templado térmico.
El vidrio para ambos procesos comienza con vidrio flotado, pero con composiciones de aluminosilicato (por ejemplo, las de Corning o Schott) en última instancia producen valores de CS más altos después del proceso de intercambio iónico. La cantidad de compresión superficial posible por cada composición depende de su contenido y estructura alcalina individual.
Para cualquier aplicación de producto HMI que requiera un espesor inferior a 3 mm, el refuerzo químico no sólo es preferible, sino que es el único proceso de refuerzo disponible.
¿cuál debería elegir para su cubierta de vidrio HMI?
Su solicitud determinará la decisión, que se reduce al espesor, las consideraciones de mecánica óptica y los requisitos de certificación. Utilice este sencillo diagrama de decisiones como guía.
Utilice Fortalecimiento Químico cuando:
✔ El cristal de su funda es más fino que 3 mm
✔ No necesita distorsión óptica para poder leer la pantalla
✔ Se necesita corte o perforación posterior al proceso
Su sensor táctil PCAP debe tener superficies de unión planas y libres de tensiones
✔ La reducción de peso importa (más delgada = más liviana)
Utilice templado térmico cuando:
✔ Tu vaso mide 3 mm o más
✔ Se requiere certificación de vidrio de seguridad (EN 12150)
Sus costos unitarios deben mantenerse bajos para una producción de gran volumen
La tolerancia a la distorsión óptica puede ser más relajada (vidrio de gabinete, no frente a pantalla)
En muchas soluciones industriales de HMI, ambos procesos se utilizan en tándem (vidrio de cubierta reforzado químicamente que recubre la pantalla de visualización), con el vidrio templado más resistente (a veces llamado vidrio templado) para proteger los paneles exteriores del gabinete.
Explora todo capacidades de vidrio de cubierta para paneles HMI para encontrar el proceso que mejor funcione para su proyecto.
Acerca de esta comparación
SW Glass tiene una línea de proceso de intercambio iónico KNO (CS>450 MPa) y un horno de procesamiento de vidrio templado certificado con calidad EN 12150 disponible en nuestra fábrica de Dongguan Taiwán. Nuestro equipo de ingenieros tiene experiencia con ambos procesos a diario, por lo que su conocimiento práctico nos ayuda a brindarle el mejor consejo. Estas recomendaciones anteriores se basan en el procesamiento de más de un millón de paneles de vidrio para clientes en proyectos OEM en aplicaciones de pantallas LCD automotrices, médicas e industriales durante los últimos 10 años.
Preguntas frecuentes
Referencias y fuentes
- American Ceramic Society (ACerS) “Introducción a los vasos químicamente reforzados” « cerámica.org
- Corning “El secreto del vidrio resistente: intercambio iónico” « corning.com
- Wikipedia “Vidrio químicamente reforzado” « en.wikipedia.org
- Wikipedia “Vidrio templado” (REferencia EN 12150, ASTM C1048) « en.wikipedia.org
- ASTM “Especificación estándar C1048 para vidrio plano termoforzado y totalmente templado” « astm.org
- IEC “IEC 62262:2002 Grados de Protección mediante Cerramientos para Equipos Eléctricos Contra Impactos Mecánicos Externos (Código IK)” “ webstore.iec.ch
