La deformazione piroclastica: piastrelle piegate e stampi

fig 1, scalinata
Utilizzo di elementi ricurvi per la creazione di scalinate

«La ceramica è un materiale ricco di suggestioni: è antico, viene dalla terra e torna alla terra”, sono le parole di Renzo Piano, forse il più illustre tra gli architetti italiani moderni. Ma questa immagine non lascia intuire l’elevatissimo livello di tecnologia che si nasconde dietro all’industria ceramica. E non evidenzia come l’Italia sia da sempre all’avanguardia con prodotti di qualità altissima. In questo settore il Made in Italy  è riconosciuto in tutto il Mondo, non solo nello stile, ma anche per l’estrema innovazione delle soluzioni tecniche.

Un esempio che ha dell’incredibile è quello del processo di piegatura delle ceramiche. Piastrelle non più solo planari, ma anche ricurve, in modo da poter essere utilizzate come gradini, scalinate, battiscopa, mensole oppure elementi di arredo. Il brevetto mondiale per la piegatura delle ceramiche è proprio in Italia, in Levikurve, una azienda che fonda sulla innovazione continua la propria mission. Siamo andati ad incontrarli per saperne di più e magari raccogliere qualche segreto. Siamo arrivati così a scoprire che, anche in questo ambito tanto specifico, in fin dei conti, gli stampi continuano a conservare il proprio ruolo fondamentale. Sono stampi molto particolari, che agiscono un po’ a metà strada tra un guscio di colata ed uno stampo per pressofusione. La temperatura rende viscosa la piastrella; il peso fornisce la pressione necessaria ad adagiarla sullo stampo; lo stampo prende l’essenza di un supporto refrattario sagomato. Questa tecnologia di piegatura permette di realizzare elementi angolari piegando a caldo direttamente la piastrella finita di materiali come il gres fine porcellanato tecnico e smaltato con superfici lisce, grezze o strutturate. Il materiale originario è controllato termicamente per ottenere una curvatura adeguata a ciascun elemento, evitando possibili variazioni i colore del prodotto ceramico. Sul lato interno della piastrella sono effettuate delle incisioni tramite appositi macchinari a precisione centesimale; le posizioni e la profondità delle incisioni sono studiate sulla base del tipo di piastrella e del tipo di curvatura richiesta. Nella successiva fase del ciclo produttivo, il materiale è posizionato su questi speciali supporti sagomati che scivolano all’interno di un forno a rulli capace di calibrare il periodo termico al quale la piastrella deve essere sottoposta. Una volta che la temperatura preimpostata viene raggiunta, la massa del materiale ceramico si deforma e si modella perfettamente alla sagoma con cui è a contatto.

Fig 2, Piegatura
Schema esemplificativo processo di deformazione piroclastica nei sistemi ceramici

Quando la piastrella è fredda, si completa il lavoro con la sua rifinitura marginale tramite rettifica a disco o a idrogetto per ottenere le dimensioni finali. Questo processo termino, meglio conosciuto come deformazione piroclastica, prevede di sottoporre la piastrella a una ricottura a una temperatura inferiore a quella di sinterizzazione, compresa quindi tra 1160°C e 1210°C, ma con tempi più lunghi (160-270 minuti da freddo a freddo) e con gradienti termici più ridotti rispetto alle cotture tradizionali. In questo modo si evitano fenomeni di deformazioni che possono avvenire durante le fasi di riscaldamento e di raffreddamento. Il processo di formatura delle piastrelle è controllato, oltre che dalle alte temperature, anche dall’applicazione di incisioni sul retro della piastrella che fungono da guide per la piegatura e dall’utilizzo di supporti di forma e dimensioni differenti a seconda del formato che si vuole ottenere. La comparsa di processi visco-plastici all’interno del materiale alle alte temperature consente alla piastrella di adagiarsi al supporto anche solo per effetto della forza di gravità, permettendo di ottenere la piegatura della piastrella. Ma entriamo, negli altri paragrafi, più nel dettaglio delle diverse fasi del processo:

Accettazione del materiale

Il materiale ceramico, imballato e pallettizzato, proveniente dalle ditte produttrici che ne richiedono la lavorazione, è collocato accuratamente in un luogo asciutto, al riparo da eventi meteorologici che ne possano compromettere l’integrità microstrutturale.

Fig 3, micrografia
Modifiche di stato durante la deformazione piroclastica nei sistemi ceramici (cortesia Istituto Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici di Faenza)

Una delle maggiori criticità, infatti, che si possono riscontrare durante la fase di piegatura dei pezzi, è rappresentata dalla presenza di umidità all’interno del materiale. Anche un assorbimento dello 0.3% di acqua può dare luogo a fenomeni di deformazione anomale in fase di cottura.

Taglio

Prima di subire il processo di ricottura nel forno, le piastrelle necessitano di una fase di prelavorazione tramite due macchine da taglio a precisione centesimale, posizionate in serie, dotate di dischi diamantati rotanti ad alta velocità. Le piastrelle sono posizionate all’interno di un caricatore automatico che le dispone su cinghie di alimentazione per le due macchine da taglio. La  prima macchina permette di portare a formato la piastrella attraverso la riduzione dell’eventuale eccesso in termini di lunghezza. Questa operazione risulta fondamentale in quanto incide sia sulla stabilità della piastrella sul supporto refrattario prima della cottura, sia sulla capacità di piega della piastrella.

fig 4, supporto
Supporto in materiale refrattario

La seconda macchina da taglio, dotata di pacchi di dischi diamantati, consente di eseguire incisioni trasversali con l’obbiettivo di indebolire la piastrella a favorire la fase di piegatura. Si effettuano quattro oppure sei tagli, la cui profondità e posizione variano in funzione del formato di piastrella e del tipo di piega da realizzare. Per ogni lotto di produzione si esegue un accurato controllo periodico della profondità e della posizione dei tagli mediante l’utilizzo di uno spessimetro, un dispositivo a precisione decimale. I dischi da taglio sono studiati appositamente per assicurare una buona taglienza e la macchina opera in condizioni di vibrazioni minime: entrambi gli accorgimenti concorrono ad evitare la formazione di microfratture e tensioni all’interno del materiale lavorato. La presenza di microfratture potrebbero, infatti, rivelarsi deleterie durante la cottura in forno tanto da provocare fenomeni di rottura della piastrella. Il calore, che si sviluppa durante l’operazione di taglio, è dissipato attraverso getti di acqua fredda. Solo condizioni di bassa temperatura sono in grado di preservare i dischi da una rapida usura. Il getto d’acqua è posizionato esattamente sul punto di contatto tra disco e piastrella in modo da assicurare un raffreddamento uniforme su tutti i dischi del pacco. Ne consegue una usura uniforme di ciascun disco che assicura la stessa profondità per tutti i tagli della piastrella. Il pezzo uscente viene infine asciugato con l’ausilio di ventole ad aria calda.

fig 5
Piastrelle appoggiate sul refrattario

I formati, che si possono ottenere nella fase di taglio, prendono denominazioni che ricordano la loro forma geometrica finale, come nel caso dei cosiddetti elementi ELLE, AE, AI, GRADONE E GRADELLA, ecc. La differenza sostanziale fra i vari formati si riscontra nelle dimensioni della pedata, dell’altezza, del numero di tagli e del formato complessivo della piastrella.

Serigrafia

Per alcuni materiali si è osservato che il processo di piegatura porta ad un cambio nel colore dello smalto che sfuma normalmente verso tonalità più chiare. Per conservare il tono di colore originario, si provvede ad applicare sulla superficie smaltata una particolare pasta vetrosa. Questo processo viene eseguito prima del passaggio in forno e si utilizza una speciale macchina serigrafica a rullo.

Riempimento

Per offrirle maggiore resistenza meccanica alla piastrella indebolita dai tagli, si è soliti sottoporla ad una particolare fase, detta di riempimento. Questo trattamento, che avviene anch’esso prima della cottura in forno, consiste nell’applicazione di una pasta vetrosa direttamente all’interno dei tagli. Le caratteristiche chimico-fisiche di questa pasta sono tali da permetterne la fusione totale durante la cottura, ma di cementare le pareti dei tagli durante la fase di raffreddamento. Il risultato finale consiste in un notevole miglioramento nelle prestazioni meccaniche della piastrella all’uscita del forno e, naturalmente, al momento della posa e dell’utilizzo. Entrando più nello specifico, questa pasta vetrosa consiste in una sospensione eterogenea di caolino, feldspati e materiale vetroso, miscelati opportunamente con altri composti acquosi ed organici. La sua esatta formulazione è stata studiata sia per favorirne l’applicazione attraverso un circuito idraulico alimentato da una pompa a vite, sia perché potesse solidificare subito dopo l’applicazione.

fig 6
Ingresso nel forno di ricottura

La miscela possiede, infatti, caratteristiche fisico-chimiche tali da risultare liquida al momento dell’applicazione, permettendo quindi di entrare facilmente anche all’interno dei tagli più sottili. Ma, la parziale evaporazione dei composti liquidi di cui è composta, le conferisce immediatamente una solidità tale da evitare che ne fuoriesca. Con questa soluzione tecnica si riescono a salvaguardare le proprietà meccaniche ed estetiche della piastrella. Dopo la fase del riempimento e precedentemente alla cottura, è però necessario applicare, direttamente sui tagli riempiti, un nastro in lana di vetro refrattario. Questo accorgimento impedisce, al momento della cottura in forno, che l’impasto vetroso allo stato liquido fuoriesca dai tagli, compromettendo l’integrità della casella di refrattario e le qualità estetiche della piastrella stessa.

Messa a punto del processo

Nella produzione ceramica la variabilità è all’ordine del giorno. La ceramica rifiuta di sottomettersi alle nostre logiche industriali e resta, per certi versi, un materiale “vivo”. I parametri di produzione del grès porcellanato possono infatti subire modifiche significative, sia a livello di formulazione degli impasti, sia per le problematiche relativa ad utilizzo ottimale delle macchine di lavorazione. E questa variabilità non si limita ai soli processi di produzione delle piastrelle, ma si riflette anche nelle fasi di seconda cottura, come quella necessaria alla piegatura. Di conseguenza, non si può quasi mai prescindere dalla necessità di provvedere ad una accurata messa a punto del processo di piegatura. Questa delicata operazione è realizzata attraverso ad una serie di prove di cottura, effettuate su un numero limitato di pezzi, appartenenti allo stesso lotto di materiale in entrata. L’obbiettivo è quello di accertarsi, prima di partire per la lavorazione dell’intero lotto, di poter utilizzare anche in questo caso gli stessi parametri di processo (es. parametri di taglio, riempimento e di cottura) impiegati in precedenza su lotti analoghi.

Cottura

La cottura o, meglio, ricottura del materiale ceramico, rappresenta la fase centrale del processo di piegatura delle piastrelle. Il materiale viene appoggiato al supporto di refrattario dal personale addetto al controllo del forno. Il formato del materiale che si vuole ottenere determina la tipologia di supporto utilizzato, i cicli di cottura, la temperatura massima e la durata della cottura della piastrella. Il processo di deformazione piroclastica della piastrella prende avvio attraverso una prima fase di preriscaldo. Segue poi cottura vera e propria durante la quale subentrano, all’interno del grès porcellanato, fenomeni di visco-plasticità che ne permettono la piegatura sotto la sola azione del peso proprio.

fig 7
Forno di ricottura (impianto realizzato da Sacmi)

Tutto si conclude con un lento raffreddamento che porta la piastrella fino a temperatura ambiente. All’uscita dal forno, le piastrelle, piegate sui loro supporti, sono scaricate e accuratamente disposte in cassoni di contenimento in attesa di essere rifilati ed imballati. I supporti sono caricati su una linea di trasferimento che le portano di nuovo verso l’imbocco del forno.

Stampi e rulli

Questi supporti sono realizzati in cordirite, un materiale refrattario ad altissime proprietà, soprattutto in termini di resistenza e stabilità. Sono studiate in funzione delle condizioni termiche e meccaniche alle quali deve resistere. In particolare quelle ora in utilizzo sono state progettate per resistere ad un numero enorme di cicli di riscaldamento e raffreddamento, passando da temperatura ambiente fino ad oltre 1200°C. Sono pensate per restare a questa temperatura anche per tre o quattro ore, e per ripetere il ciclo termico più volte al giorno, anche per svariati giorni. Questi stampi sono componenti estremamente sollecitati, soprattutto nei riguardi dei fenomeni associati alla fatica termica, ma anche altri elementi non se la passano bene. I rulli del forno, specie quelli nella zona centrale del forno, devono resistere meccanicamente al contatto degli stampi che scorrono su di essi.

fig 8
Uscita dal forno delle piastrelle piegate

Si trovano a temperature altissime, anche per svariati giorni o settimane (a seconda dei lotti di produzione), sottoposte ad un continuo attrito superficiale. Unica fortuna è che non sono presenti condizioni di attacco chimico dei materiali refrattari del forno.

Finitura

Le dimensioni definitive della piastrella piegata vengono raggiunte con la conclusiva fase di rifilatura mediante una bordatrice, una macchina da taglio speciale a dischi diamantati, che riduce la porzione di eccedente fino ad ottenere la dimensione concordata con il cliente. Il tutto si conclude con il controllo, l’imballaggio e pallettizzazione prima della spedizione al cliente. Con questa tecnica si riescono a lavorare diversi formati, 30×30, 30×60, 60×60, 90×90 o 60x120cm, in grado quindi di coprire la gran parte delle esigenze di mercato. Modifiche di processo per arrivare a prodotti di maggiore dimensione sono allo studio e prevedono il superamento di interessanti sfide sia di tipo chimico-fisico che di movimentazione industriale.

Prossimi passi

Ma le ceramiche piegate, nella loro unicità, rappresentano un settore di ricerca e di innovazione estremamente interessante. La tecnologia consente già ora di proporre angoli di curvatura dei più vari: non solo angoli retti quindi, ma curvature diverse, anche miste. Si apre così un mondo potenziale di prodotti nuovi, innovativi tanto dal punto di vista di estetica che di funzionalità.

fig 10
Piastrelle piegate e no

Il gres porcellanato, un materiale performante, ma ancora relativamente economico, riesce con la ricerca a superare alcuni dei limiti tecnologici attuali per cominciare ad affacciarsi in ambiti applicativi diversi.E le sue potenzialità destano interesse. Non più solo elementi di pavimentazione, ma componenti funzionali, quali, ad esempio, battiscopa igienici e termosifoni.

Formatura di pezzi speciali

Levikurve è una società specializzata nella formatura di pezzi speciali (per gradini, ringhiere, bordi, etc.) che utilizza l’innovativa tecnica, brevetto unico al mondo, di deformazione piroclastica applicata al grès porcellanato sia per soluzioni da rivestimento che come materiale da costruzione e arredo. Questa tecnologia consente di sfruttare il comportamento alle alte temperature delle piastrelle in grès porcellanato per produrre pezzi speciali caratterizzati da un più elevato pregio estetico rispetto alle tecnologie convenzionali quali la pressatura isostatica e il colaggio. Si offre modo ai professionisti del settore di avvalersi di elementi piegati di qualità, che avranno mantenute inalterate le strutture e le tonalità originarie, e si riveleranno dunque ideali nella realizzazione tanto degli esterni che degli interni: bordi piscina, scalinate, connessioni stondate pavimento-parete al posto dei vecchi battiscopa; ma, anche, lavabi o piatti doccia, panchine da giardino, sedie-scultura e pezzi di design di straordinario impatto visivo e utilizzo sicuro.

fig 9
Finitura superficiale delle piastrelle

L’architetto più esigente potrà contare poi sulla possibilità di farsi realizzare pezzi particolari, unici, su proprio progetto.

Cristiano Fragassa, Stefano Vitali

 

 

 

 

 

 

 

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