Simulación multifísica avanzada aplicada al vidrio templado

Las nuevas regulaciones ambientales y el aumento de la competencia han tensionado los márgenes de beneficio de las compañías del sector del vidrio. Este hecho enfatiza la necesidad de controlar el proceso de calentamiento y enfriamiento durante el tratamiento térmico.

Del mismo modo, el aligeramiento de los componentes de vidrio es clave en un sector donde el consumo de energía es crítico. No obstante, dicho aligeramiento conlleva la reducción del grosor de los paneles, y, por tanto, de su resistencia, afectando así en su integridad estructural. Las técnicas de enfriamiento tradicionales resultan en enfriamientos no uniformes en la superficie, lo cual genera tensiones residuales no homogéneas, que influyen de manera directa en el comportamiento estructural. Por consiguiente, se necesitan herramientas para poder optimizar el ciclo de producción del vidrio estructural asegurando su adecuado comportamiento en servicio.

La metodología numérica propuesta está basada en la interacción fluido-estructura (FSI, fluid-structure interaction). Por una parte, se realizan los cálculos de extracción de calor no uniforme mediante simulación basada en la dinámica de fluidos computacional (CFD, computational fluid dynamics). Después, la historia térmica del componente, tanto espacial como temporal, es transferida a un modelo estructural basado en el método de elementos finitos (FEM, finite element method) para estimar el desarrollo de las tensiones residuales durante el tratamiento térmico. De esta manera, es posible contemplar diferentes estrategias de enfriamiento basadas tanto en aire presurizada como en agua nebulizada, y evaluar su impacto en la calidad del producto final.

La metodología propuesta ha sido validada en diferentes casos de estudio, contemplado enfriamientos por aire presurizado con configuraciones tanto mono-jet como multi-jet.

Representación esquemática de la unidad de temple mono-jet utilizada durante el programa experimental y validación de tensiones residuales no uniformes estimadas a lo largo del eje x.

La magnitud de las tensiones depende de la temperatura de inicio de temple y de la velocidad de enfriamiento. Del mismo modo, la distribución espacial de los jets tiene un impacto directo en la generación de tensiones, ya que puede provocar una refrigeración no homogénea sobre la superficie.

La metodología permite evaluar fenómenos transitorios y, por tanto, la idoneidad de la disposición de los jets o espráis empleados durante el proceso de refrigeración. Cabe destacar que una configuración inadecuada puede provocar la rotura del material durante el mismo enfriamiento. Esto es debido a las zonas de recirculación de los chorros de aire de los jets, conocida como ‘efecto fuente’, las cuales son zonas de alta turbulencia que tienden a complicar la naturaleza del flujo. Dichas zonas pueden provocar el desarrollo de tensiones residuales tractivas al comienzo del tratamiento, que, especialmente cuando la velocidad de refrigeración es alta, pueden superar los límites de seguridad establecidos y provocar la fractura del vidrio a alta temperatura.

Distribución de tensiones residuales superficiales en una placa de 4 mm de espesor, donde se aprecia el desarrollo de tensiones tractivas, al inicio del enfriamiento basado en aire presurizado a diferentes velocidades: (a) v = 40 m/s), y (b) v = 85 m/s."

Este fenómeno tiene particular relevancia a medida que se disminuye el grosor de las placas de vidrio. Un tratamiento ineficaz que provoca tensiones tractivas superficiales resulta en una mayor probabilidad de fallo durante el comportamiento en servicio de los componentes estructurales. Del mismo modo, el desarrollo de tensiones residuales compresivas de baja magnitud puede conllevar el mismo resultado. Estas bajas magnitudes están directamente relacionadas con la baja capacidad de enfriamiento asociada al aire presurizado, en especial al templar componentes delgados. Estos resultados sugieren la búsqueda de nuevas estrategias de enfriamiento capaces de generar gradientes de temperatura adecuados en componentes delgados para así asegurar su integridad estructural durante el tratamiento térmico como en su posterior uso como material estructural.

Se concluye que la distribución de temperatura debido a la configuración de jets definida tiene una influencia significativa en el desarrollo de tensiones residuales durante el temple. Este hecho enfatiza la importancia de tener en cuenta los fenómenos locales de transferencia de calor en la modelización numérica del temple.

Una vez determinadas las tensiones residuales del componente, la metodología permite evaluar su desempeño considerando la distribución no uniforme del patrón tensional. Para ello, la herramienta permite determinar las probabilidades de fallo de diferentes tipos de vidrio, con sus respectivos estados tensionales, considerando en este caso placas de vidrio sometidas a flexión.

Esto permite estimar la probabilidad de fallo en función de la tensión aplicada en componentes de vidrio independientemente de su estado tensional, incluso pudiendo considerar diversos grados de temple. De esta manera, es posible diseñar dichos componentes para que operen bajo límites admisibles en función de las solicitaciones a las que se van a someter.

La metodología numérica propuesta permite hacer frente al desafío de definir nuevas estrategias de enfriamiento con el objetivo de aumentar, no solo la calidad de los componentes sino también la eficiencia de los procesos. Del mismo modo, existe un amplio margen para investigar la influencia de las estrategias de enfriamiento en la anisotropía del vidrio, otro de los grandes retos de la industria. Con este fin, la metodología basada en FSI ofrece la posibilidad de considerar los fenómenos multifísicos involucrados en el proceso de tratamiento térmico. Por lo tanto, es una herramienta enriquecedora de cara a analizar los retos mencionados, ya que permite reducir los ensayos prueba y error y coste económico asociado a ellos.

Además de ello, la presente metodología numérico-probabilística establece los fundamentos para poder diseñar tratamientos térmicos ad hoc, en función de la solicitación a la que se somete el componente y la probabilidad de fallo especificada por el cliente. En este sentido, Mondragon Unibertsitatea, en colaboración con la Universidad de Oviedo, tiene como objetivo aportar soluciones tecnológicas avanzadas a los retos actuales del sector del vidrio estructural.