Закаленное стекло для промышленных сенсорных экранов: термическая закалка против химического упрочнения

В проектах по созданию промышленных сенсорных экранов часто используются следующие термины: закаленное стекло, закалённое стекло, и химически упрочнённое стекло как будто они означают одно и то же. Но это не так.

Как термическая закалка, так и химическое упрочнение создают сжимающее напряжение на поверхности стекла, что помогает предотвратить превращение мелких дефектов в трещины. Однако эти два процесса подходят для стекла различной толщины, изделий разных размеров, с разными оптическими требованиями и с разными прогнозами относительно вероятности разбития.

Практическое правило очень простое:

• Термозакаленное стекло обычно является более подходящей отправной точкой для более толстого и крупного защитного стекла.
• Химически закаленное стекло обычно используется в тех случаях, когда защитное стекло должно быть тонким, легким, иметь точные размеры и быть оптически плоским.

Ни один из этих способов не является автоматически лучшим. Правильный выбор зависит от общей конструкции сенсорного экрана.

Что такое термозакаленное стекло?

Термозакаленное стекло, которое обычно называют закаленным стеклом, изготавливается из отжигаемого стекла. Перед поступлением в печь для закалки его разрезают, придают нужную форму, просверливают отверстия и обрабатывают кромки.

Стекло нагревают до температуры примерно 620–680 °C, а затем быстро охлаждают с помощью струй воздуха с регулируемым напором. Поверхности остывают и сжимаются в первую очередь, тогда как центр остывает медленнее. В результате на поверхностях возникает сжатие, а внутри стекла — уравновешивающее его растяжение.

По своим прочностным характеристикам оно, как правило, в четыре-пять раз превосходит отожженное стекло той же толщины. При разбивании полностью закаленное стекло обычно распадается на множество мелких осколков, а не на крупные острые обломки.

Основные преимущества

• Подходит для относительно толстого и большого защитного стекла
• Хорошая стойкость к изгибу, ударам и термическим нагрузкам
• При правильной обработке происходит предсказуемое дробление на мелкие частицы
• Широко применяется в производстве промышленных передних панелей и оборудования общего пользования

Основные ограничения

• Некоторым производителям может быть сложно или вовсе невозможно обеспечить равномерное термическое закаливание тонкого стекла
• Ролики печи могут вызывать небольшую волнистость или оптические искажения
• Вырезы, отверстия и неблагоприятная геометрия кромок могут повысить риск поломки
• После закалки стекло нельзя резать или сверлить

Минимальная толщина, максимальные размеры, расположение отверстий и расстояние до края зависят от производителя стекла и требуемых технических характеристик. Эти параметры необходимо согласовать до утверждения чертежа.

Что такое химически закаленное стекло?

При химическом упрочнении обычно используется ионный обмен. Готовую стеклянную деталь помещают в нагретую ванну с расплавленной солью. Более крупные ионы калия вытесняют более мелкие ионы натрия вблизи поверхности стекла, образуя уплотненный поверхностный слой.

Этот процесс протекает при температуре ниже температуры размягчения стекла, поэтому вызывает гораздо меньшую тепловую деформацию, чем отжиг в печи. Он особенно полезен для тонкого покровного стекла и в случаях, когда требуется высокая оптическая плоскостность или строгий контроль размеров.

Химическое упрочнение обычно ассоциируется с алюмосиликатным защитным стеклом, хотя доступные технологии и эксплуатационные характеристики зависят от конкретного состава стекла.

Основные преимущества

• Подходит для тонкого защитного стекла
• Можно обеспечить высокое поверхностное сжимающее напряжение
• Минимальные волнообразные и термические деформации
• Хорошее оптическое качество и стабильность размеров
• Хорошо подходит для высокоточных сенсорных интерфейсов

Основные ограничения

• Производительность в значительной степени зависит от состава стекла и контроля технологического процесса
• Укреплённый слой имеет определённую глубину; глубокие повреждения могут проходить сквозь него
• При разбивании всё же могут образоваться более крупные и острые осколки
• Химически закаленное стекло не всегда относится к категории безопасного стекла
• Постобработка резания или шлифование кромок приводит к повреждению слоя сжатия, поэтому от таких операций следует воздерживаться

В отношении химически закаленного стекла часто указываются два важных параметра:

• CS — сжимающее напряжение: степень сжатия, возникающая на поверхности
• DOL — толщина слоя: на какую глубину упрочнённый слой проникает в стекло

Само по себе высокое значение CS не определяет полную производительность. Необходимо комплексно оценивать такие показатели, как CS, DOL, состав стекла, толщина, качество кромок и условия конечной сборки.

Термическая закалка и химическое упрочнение

Фактор	Термозакаленное стекло	Химически упрочнённое стекло
Метод укрепления	Нагрев с последующим быстрым охлаждением воздухом	Ионообмен в нагретой солевой ванне
Типичное направление проектирования	Более толстое и большое защитное стекло	Тонкое, легкое, высокоточное защитное стекло
Обычная стеклянная подложка	Натриево-известковое стекло	Алюмосиликатное стекло или подходящее натриево-кальциевое стекло
Оптическая плоскостность	Возможны небольшие волны от катков	Очень небольшие искажения, связанные с технологическим процессом
Сжатие поверхности	Профиль глубокого напряжения в структуре стекла	Высокая степень сжатия в контролируемом поверхностном слое
Характеристики при разрушении	Как правило, мелкие гранулярные фрагменты	Могут образовываться более крупные и острые осколки
Состояние защитного стекла	При прохождении испытаний и сертификации может соответствовать применимым стандартам на безопасное стекло	Не обязательно безопасное стекло
Механическая обработка после упрочнения	Не допускается	Не рекомендуется; это приводит к повреждению упрочненного слоя
Стандартная промышленная посадка	Киоски, зарядные устройства для электромобилей, общественные терминалы, крупные интерфейсы человека-машины	Компактные устройства ввода-вывода, медицинские интерфейсы, высокоточные сенсорные модули

Это рекомендации по выбору, а не универсальные критерии, определяющие соответствие или несоответствие требованиям. Фактические эксплуатационные характеристики необходимо подтвердить с учётом конкретного типа стекла, технологического процесса поставщика, конструкции механизма и результатов окончательных проверочных испытаний.

Какое стекло выбрать?

Выбирайте термозакаленное стекло в следующих случаях:

• В конструкции используется относительно толстое защитное стекло
• Передняя панель большая
• Требуется измельчение на мелкие частицы
• Оборудование установлено в общественном месте или в месте, подверженном воздействию внешних факторов
• Незначительная деформация, связанная с работой печи, допускается

Выбирайте химически закаленное стекло в следующих случаях:

• Защитное стекло должно оставаться тонким и лёгким
• Оптическая плоскостность имеет решающее значение
• Требуются жесткие допуски на размеры
• В данном продукте используется тонкая сенсорная конструкция
• Указанный состав стекла предназначен для ионного обмена

Не выбирайте, ориентируясь только на толщину

Более толстое стекло не всегда является лучшим решением для сенсорного экрана. Оно может улучшить механическую защиту, но при этом увеличивает вес и предъявляет более высокие требования к настройке проекционно-емкостного сенсорного экрана.

Точно так же химически закаленное стекло не всегда является более прочным в каждом конкретном изделии. На результат могут влиять повреждения краев, напряжения при монтаже, отверстия, клеевая фиксация и место удара.

Информацию о выборе толщины, оформлении кромок, печати и обработке поверхности см. в нашем Руководство по проектированию защитного стекла для промышленных сенсорных экранов.

Три момента, которые часто неправильно понимают

1. Упрочнённое стекло не является устойчивым к царапинам

Упрочнение приводит к сжатию поверхности и повышает сопротивляемость распространению трещин. Однако это не делает стекло неуязвимым для царапин. Абразивные частицы, неподходящие средства для чистки и твёрдые загрязнения по-прежнему могут повредить поверхность.

2. Прочность стекла не соответствует классу защиты IK

Класс защиты IK относится к испытанной сборке в целом, а не к отдельному стеклянному листу. Тип и толщина стекла имеют значение, но не менее важны также опора по краям, жесткость корпуса, способ крепления и место удара. Наличие стекла толщиной 6 мм само по себе не является доказательством соответствия классу IK10.

Полную логику теста см. в Что такое сенсорный экран IK10?.

3. Метод укрепления не определяет чувствительность к прикосновениям

На рабочие характеристики PCAP влияет в основном весь диэлектрический слой в целом, включая толщину стекла, конструкцию датчика, структуру соединений, возможности контроллера, заземление, перчатки и условия, связанные с водой.

С технологией PCAP можно использовать как термозакаленное, так и химически упрочненное стекло. Конечная сборка должна быть настроена и протестирована как единая система. Наша Руководство по промышленным сенсорным экранам технологии PCAP в котором эта взаимосвязь объясняется более подробно.

Что необходимо уточнить перед оформлением заказа

Перед тем как утвердить стекло для обложки к производству, необходимо убедиться в следующем:

1. Стеклянная подложка и точная марка материала
2. Процесс термической закалки или химического упрочнения
3. Толщина готового стекла и допуск
4. Контур, радиус углов, проемы и обработка кромок
5. Требования к плоскостности и внешнему виду
6. Обязательные требования к прочности или стандарты безопасности
7. Требования CS и DOL к химически закаленному стеклу
8. Механическая опора и условия монтажа
9. Метод окончательной доработки и проверки эффективности

Все работы по резке, сверлению и обработке кромок должны быть завершены до упрочнения. Порядок выполнения печати, нанесения покрытий и склеивания необходимо согласовать с подрядчиками, поскольку требования к материалам и отверждению могут различаться.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Закаленное стекло и термообработанное стекло — это одно и то же?

В обычной технической терминологии оба термина относятся к термически закаленному стеклу. Термин “toughened glass” чаще используется в Великобритании и Европе, а “tempered glass” — в Северной Америке. Некоторые поставщики неоднозначно применяют эти термины к химически упрочнённому стеклу, поэтому всегда следует указывать фактический процесс обработки.

Является ли химически упрочнённое стекло более безопасным, чем закалённое стекло?

Не обязательно. Химическое упрочнение может обеспечить превосходную ударопрочность, особенно в случае тонкого стекла, но оно не гарантирует автоматически появления характерной для полностью закаленного безопасного стекла сетчатой структуры при разбивании.

Можно ли резать закаленное стекло после обработки?

Термически закаленное стекло нельзя резать или сверлить после закалки. Химически упрочненное стекло также не следует подвергать механической обработке после упрочнения, поскольку резка или шлифование приводят к удалению или повреждению уплотненного поверхностного слоя.

Какой процесс лучше подходит для промышленных сенсорных экранов?

Применяйте термическую закалку для более толстого и крупногабаритного защитного стекла, когда приоритетными являются прочность передней панели и гранулярное разрушение. Применяйте химическое упрочнение для тонкого и прецизионного защитного стекла, когда более важны оптическое качество, малый вес и точность размеров.

Заключительная рекомендация

Не указывайте в чертеже промышленного сенсорного экрана только “закаленное стекло”. Такое описание оставляет слишком много места для интерпретации.

Определите стеклянную подложку, процесс упрочнения, толщину, состояние кромок, допуски на размеры, требования к сопротивлению разбиванию и метод окончательной проверки. Для химически упрочненного стекла также определите требуемые значения CS и DOL.

Самое прочное стекло на бумаге не всегда оказывается самым надёжным сенсорным экраном в реальных условиях эксплуатации. Правильным выбором будет то стекло, которое оптимально сочетается с конкретным датчиком, корпусом, крепежной конструкцией и условиями эксплуатации.

Если вы занимаетесь разработкой промышленного интерфейса человек-машина (HMI), информационного киоска, зарядного устройства для электромобилей или сенсорного дисплея по индивидуальному заказу, компания Eagle Touch может провести проверку защитного стекла и сенсорной системы в качестве единого узла перед запуском пробного производства.