Sommario
Il progetto “Sistemi di produzione ad alta efficienza per componentistica meccanica speciale EFFIMEC” intende sviluppare sistemi innovativi di processo/prodotto nel settore delle macchine automatiche per il confezionamento e l’imballaggio e nel settore aerospaziale.
Per quanto riguarda il settore del food packaging il progetto si focalizza sugli assiemi meccanici di circuiti tubolari critici di macchine automatiche.
I vari componenti delle macchine automatiche per il confezionamento e l’imballaggio sono soggetti a fenomeni di usura, corrosione e possibile contaminazione organica delle superfici.
Nascono da qui gli obiettivi specifici che ci proponiamo come Ecor International:
- Aumento delle performance di superficie, in termini di resistenza a corrosione e pulibilità.
- Miglioramento della sostenibilità del processo di cleaning di un impianto: riduzione della frequenza dei lavaggi, della quantità di chemicals e di acqua. Questo a livello teorico, da validare poi attraverso ulteriori studi.
Approfondiamo insieme a Ivan Moretti, Research and Innovation Manager, una delle linee di sviluppo del progetto EFFIMEC, quella che riguarda la realizzazione di rivestimenti DLC (Diamond Like Carbon) su substrati in acciaio inossidabile (in particolare su acciaio AISI 316L), impiegati per la realizzazione delle macchine automatiche nel settore Food and Packaging.
Lo sviluppo di un rivestimento DLC
Questa tipologia di rivestimento viene solitamente prodotta impiegando una tecnologia denominata PECVD ovvero Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition.
Il Centro di Ricerca Il Sentiero International Campus, fondato nel 2017 da Ecor International, dispone di un impianto che incorpora le tecnologie PVD e PECVD.
Grazie a questo sistema è possibile depositare film sottili (metallici e ceramici) con uno spessore da centinaia di nanometri a decine di micron.
Si tratta di un processo di natura chimico-fisica che utilizza un precursore, solitamente un idrocarburo gassoso, tramite il quale viene realizzato il rivestimento stesso in una camera ad alto vuoto all’interno della quale sono disposti i substrati in acciaio. I rivestimenti DLC realizzati con tecnologia PECVD contengono nella loro microstruttura anche atomi di idrogeno, legati agli atomi di carbonio, la cui concentrazione può variare a seconda dei parametri impiegati e del gas precursore utilizzato. Questa classe di rivestimenti DLC viene solitamente indicata come a-C:H.
Nell’ambito del progetto EFFIMEC vengono realizzati rivestimenti DLC a-C:H sfruttando la tecnologia PECVD e come precursore gassoso l’acetilene.
La Figura 1 mostra un dettaglio ad alto ingrandimento della superficie di un rivestimento DLC del tipo a-C:H ottenuto tramite PECVD su un substrato in acciaio avente una finitura superficiale con Ra<0.18; è possibile apprezzare la morfologia globulare, micrometrica e sub-micrometrica, della microstruttura del rivestimento.
Figura 1 – Immagine presa al microscopio a scansione elettronica della superficie di un rivestimento DLC realizzato con tecnologia PECVD su acciaio
L’ottimizzazione di un rivestimento DLC
Un altro aspetto di rilievo nello sviluppo ed ottimizzazione di un rivestimento DLC riguarda la sua adesione sul substrato che può variare a seconda della natura del materiale su cui viene depositato: ad esempio polimeri, leghe metalliche etc.
Nel caso di rivestimenti su acciai inossidabili, come quelli impiegati per la realizzazione di macchine automatiche per il Food and Packaging o per il settore farmaceutico, al fine di migliorare l’adesione del rivestimento sul substrato vengono realizzati una serie di interlayer metallo-ceramici per crear interfacce ad elevata affinità chimica tra i singoli layer; questi interlayer, solitamente realizzati con metalli di transizione, sono anche in grado di offrire una migliorata protezione alla corrosione del substrato metallico.
Nell’ambito del progetto EFFIMEC verranno impiegati metalli di transizione dalle elevate proprietà di resistenza a corrosione e con elevata affinità con il carbonio quali titanio, tantalio e/o niobio, per la realizzazione degli interlayer di adesione/protezione del substrato.
La Figura 2 mostra nel dettaglio l’impianto PVD/PECVD di proprietà de Il Sentiero International Campus impiegato per la realizzazione dei rivestimenti DLC.
Figura 2 – Impianto PVD-PECVD di Ecor International: a) camera di deposizione chiusa + controller, b) dettaglio della camera di deposizione aperta
La funzionalizzazione delle superfici tramite applicazione di rivestimenti DLC:
I rivestimenti DLC sviluppati nel progetto EFFIMEC saranno ottimizzati in funzione del componente su cui andranno applicati e delle sue specifiche condizioni di esercizio, in vista degli obiettivi specifici elencati all’inizio.
La funzionalizzazione delle superfici dei componenti tramite applicazione di rivestimenti DLC può essere contraddistinta in:
- Superfici a migliorata pulibilità: saranno realizzati sistemi di componenti in acciaio 316L rivestiti in DLC con migliorate proprietà di pulibilità rispetto alla superficie di acciaio tal quale.
- Superfici con proprietà antibatteriche: saranno realizzati sistemi di componenti in acciaio 316L rivestiti con DLC drogati in Ag per conferire proprietà antibatteriche alle superfici maggiormente soggette a possibili fenomeni di contaminazione organica.
- Superfici con migliorata resistenza alla tribocorrosione: saranno realizzati sistemi di componenti in acciaio martensitico/ rivestimento DLC per incrementare la vita media del componente, migliorandone le proprietà di resistenza a corrosione.
La validazione delle soluzioni sviluppate:
I rivestimenti saranno caratterizzati attraverso prove di laboratorio quali:
- nanoindentazioni,
- scratch test,
- analisi microstrutturali al microscopio elettronico
- test di tribocorrosione.
Il progetto EFFIMEC prevede anche la progettazione e la realizzazione di banchi prova in grado di riprodurre le reali condizioni di esercizio di specifiche parti macchina.
Questi banchi saranno impiegati per studiare l’efficacia delle soluzioni sviluppate, quali appunto i rivestimenti DLC, ed integrate sui componenti identificati come critici in quanto potenzialmente soggetti fenomeni di usura, corrosione e contaminazione organica.
La Figura 3 mostra una porzione di tubo utilizzato nelle macchine per il confezionamento di fluidi alimentari, come il latte o i succhi di frutta, selezionato come un componente industriale prototipo, in quanto soggetto a possibile contaminazione superficiale dai fluidi alimentari sulla cui superficie è stato applicato un rivestimento DLC.
Questo componente sarà paragonato al medesimo componente privo di coating, studiando al banco prova la pulibilità della superficie dopo contaminazione organica, rispetto ai cicli di lavaggio adottati da protocollo sugli impianti industriali.
Figura 3 – Immagine di insieme e di dettaglio di un tubo per lo scorrimento dei fluidi alimentari nelle macchine per il confezionamento dei cibi, rivestito superficialmente in DLC tramite tecnologia PECVD
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