RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Tecnologie di lavorazione e controllo delle superfici in pietra naturale

Università di riferimento

Università degli Studi di CASSINO - INGEGNERIA INDUSTRIALE - CASSINO(FR)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Luigi CARRINO

Descrizione

Nell'ambito del presente progetto l'Unità Operativa di Cassino si occuperà delle lavorazioni tradizionali di lucidatura mediante mole abrasive e della gestione dei prodotti in pietra naturale secondo le recenti norme sulla qualità dei prodotti da costruzione. La lavorazione tradizionale che consente di ottenere superfici lucidate in pietra naturale coinvolge diverse fasi: calibratura, levigatura e lucidatura. Le teste calibratici, con gli utensili abrasivi a grana più grossolana, sono le prime che il semilavorato incontra al suo ingresso in una linea di lucidatura. La calibratura porta lo spessore del manufatto ad essere rettificato e costante e la planarità della superficie a ricadere all'interno di valori di tolleranza ammessi. L'operazione consiste in una spianatura della superficie, con asportazione del materiale ed eliminazione dei solchi e delle rigature prodotte dai processi di segagione. La levigatura serve a far perdere al materiale le asperità, cominciando a definire il colore finale del prodotto, anche se la profondità dei toni e le gradazioni cromatiche permangono opache. La lucidatura rappresenta lo stadio finale della lavorazione tradizionale che consente di ottenere superfici lucidate ed il suo perfezionamento in senso estetico e cromatico; con essa tutte le porosità residue della roccia vengono occluse e viene raggiunto uno stato superficiale lucido, riflettente e speculare. È questo il tipo di trattamento con il quale il materiale assume la massima definizione in termini di tessitura (venature, disegno, grana) e la massima accentuazione dei toni cromatici (colore e profondità), ma anche la massima evidenza dei suoi difetti (disomogeneità di colore, macchie, variazioni di composizione ecc.). Il processo di lucidatura utilizza utensili lucidanti a base di acido ossalico ed acetosella che, a causa di una deliberata riduzione dell'apporto di acqua refrigerante e del conseguente surriscaldamento del materiale, interagiscono con i costruenti della pietra naturale portando alla formazione della superficie perfettamente lucida e riflettente. La lucidatura coinvolge, quindi, aspetti sia di natura chimica, conseguenza della natura della mola abrasiva utilizzata, sia di natura meccanica, conseguenza dell'interazione tra l'utensile e la pietra naturale, che verranno investigati nell'ambito del presente progetto. In calibratura e levigatura si utilizzano cinque-otto mandrini a settori abrasivi Frakfurt, mentre per la lucidatura si utilizzano utensili porosi in carburo di silicio e legante a base di resina. La lucidatura di finitura viene realizzata con settori abrasivi resinoidi. Il numero complessivo di teste può arrivare fino a sedici-diciotto. Il ciclo di lucidatura viene generalmente svolto da una macchina lucidatrice che possiede più teste lucidanti che, in sequenza, vanno a lavorare il pezzo lungo il flusso principale di movimentazione dei pezzi, generalmente di tipo traslatorio lineare. I centri di lavoro a controllo numerico sono macchine attraverso le quali è possibile lucidare. Esse sono macchine estremamente flessibili per quanto concerne la lavorazione delle pietre naturali, esse consentono di tagliare, sagomare, profilare, forare, levigare, lucidare, ribassare, ecc., con una stessa unità operante, ottenendo forme anche molto complesse direttamente dal semilavorato, previa opportuna programmazione. Un primo obiettivo del presente progetto è modellizzare la forza di taglio che si manifesta tra utensile e pezzo durante il distacco del truciolo nella fase di lucidatura del ciclo di lavorazione tradizionale. La fase di lucidatura è quella più critica del ciclo di lucidatura, in quanto è quella che attribuisce le caratteristiche estetiche e cromatiche finale alla pietra naturale in lavorazione. Verrà utilizzato un centro di lavoro a controllo numerico in quanto già disponibile presso l'U.O. di Cassino e che consente di effettuare operazioni di lucidatura. Attraverso il centro di lavoro a CN verrà investigata la meccanica di formazione del truciolo tipica della lucidatura e la relativa forza di taglio che risulta funzione dell'interazione utensile-pezzo più che dalla tipologia di macchina. Lo scopo della modellizzazione della forza di taglio è quello di: -verificare le caratteristiche dei diversi tipi di pietra ornamentale, degli utensili e delle condizioni di lavoro; -conoscere le sollecitazioni, applicate agli organi della macchina, per poterne effettuare il dimensionamento in sede di progettazione e per valutarne eventuali deformazioni incidenti sulla precisione delle lavorazioni; -valutare la potenza necessaria per la lavorazione. Il risultato del processo di lucidatura dipende da molteplici fattori, quali le proprietà dell'utensile, il moto relativo tra utensile e pezzo, la pressione esercitata dall'utensile sul pezzo ed infine il fluido refrigerante. Questi fattori verranno studiati in dettaglio e costituiranno poi le leve dell'ottimizzazione del processo di lucidatura; ottimizzare significa ridurre i costi della lavorazione e/o i tempi e/o la qualità dei prodotti ottenuti agendo sulle forze di taglio, sulle proprietà degli utensili e così via. Allo stato attuale non sono stati effettuati studi sull'ottimizzazione del processo di lucidatura, per cui ad oggi ci si accontenta di una soluzione non sempre ottimale. Un secondo obiettivo dell'attività dell'U.O. di Cassino nell'ambito del presente progetto è ottimizzare la lavorazione di lucidatura a partire dai modelli di taglio sviluppati nella prima parte del presente progetto. L'U.O. di Cassino si occuperà poi della gestione dei prodotti in pietra naturale secondo le nuove direttive sulla qualità (Direttiva 89/106/CEE riguardante i prodotti da costruzione). Essi sono soggetti alla normativa vigente che sancisce che tali prodotti siano rintracciabili mediante l'apposizione di marchi e codici indelebili. La marcatura dei prodotti in pietra naturale è dovuta alla necessità di identificare il proprio prodotto per esigenze normative che impongono una marcatura (CE, ISO, etc.), oppure per esigenze di numerazione industriale (codici a barre, numeri di serie, etc), oppure per evidenziare il proprio marchio in un panorama di mercati sempre più competitivi. Le tecniche convenzionali di marcatura comprendono l'incisione meccanica e l'incisione chimica. Anche se i risultati ottenuti con queste tecniche sono abbastanza soddisfacenti, soprattutto per le marcatrici di tipo meccanico, ci si trova spesso ad affrontare altri problemi: nel caso della incisione chimica infatti bisogna impiegare sostanze e prodotti tossici e dunque difficili sia da adoperare che da smaltire; la preparazione inoltre è molto lenta e delicata e non sempre si ottengono buoni risultati; l'incisione meccanica invece presenta lo svantaggio dell'usura dell'utensile e con essa il peggioramento qualitativo della lavorazione, nonché la maggiore lentezza in conseguenza della struttura più pesante da dover movimentare. Allo stato attuale il procedimento di marcatura più diffuso é la deposizione di vernici sulla superficie del materiale utilizzando delle maschere metalliche. Il risultato è un codice che per azione degli agenti atmosferici può essere rimosso dalla superficie del materiale in lavorazione. L'utilizzo della marcatura laser rappresenta una soluzione molto efficiente per un'ampia gamma di prodotti. Inoltre la marcatura laser è totalmente indelebile e, in molte circostanze, rappresenta l'unica alternativa possibile per incidere i pezzi senza contatto. Normalmente, su una superficie lapidea trattata laser si determinano un'alternanza di microrilievi e fossette, e un generale schiarimento cromatico. Questa ultima caratteristica ha portato a preferire il trattamento su materiali scuri (soprattutto il granito nero), meglio se già lucidi, i quali, oltre all'effetto marcatura, sviluppano anche suggestivi effetti grafici. Benché il laser sia uno strumento rapido, efficace, personalizzante, sicuro, e con tutte le prerogative summenzionate, siamo ancora abbastanza lontani dall'interesse e dalla diffusione industriale. L'applicazione del laser alla marcatura di pietra naturale è ancora ad uno stadio poco più che artigianale. Il laser viene utilizzato per la marcatura superficiale di pietra naturale. La marcatura superficiale mira ad imprimere marchi, incisioni, scritte, immagini di vario tipo e vari effetti grafici su lastre ed elementi di piccole dimensioni. Un recente studio relativamente all'applicazione del laser sulle pietre naturali è relativo al trattamento antiscivolo, attraverso la realizzazione i un pattern di micro-fori, applicato a piastrelle da pavimentazione ai fini di ridurne l'effetto di scivolamento in presenza di acqua. La marcatura superficiale attualmente condotta incontra notevoli problemi nel trattamento dei materiali chiari. Essa viene generalmente condotta su superfici lucide dove effetti grafici e di riproduzione dei particolari sono meglio apprezzabili. Un terzo obiettivo dell'attività dell'U.O. di Cassino nell'ambito del presente progetto è quello di studiare l'interazione tra il laser ed i 2 materiali chiari presi in considerazione nell'ambito del progetto (Carrara e Perlato Coreno) nel meccanismo di formazione del solco di marcatura. La comprensione dell'interazione fascio laser-pietra naturale costituisce la base di partenza per la progettazione di un'attrezzatura dedicata, preferibilmente trasportabile, in grado di imprimere sulla superficie non lucidata della pietra naturale un codice identificativo del prodotto. Tale attrezzatura potrà funzionare utilizzando parametri di processo ottimizzati sulla base degli studi relativi alla interazione laser-pietra. In questo modo sarà possibile sfruttare i vantaggi dell'utilizzo del laser (non-inquinamento, silenziosità, non-usura di utensili, precisione del tratto) alla marcatura di prodotti in pietra naturale. Le attività dell'U.O. di Cassino ricadono all'interno delle fasi 1, 2, 3, 5 e 6. L'U.O. di Cassino sarà di supporto all'U.O. di Pisa, insieme alle altre U.O. coinvolte nel progetto, nell'ambito della fase 4 fornendo provini ed informazioni. Nel seguito verranno definiti in dettaglio gli obiettivi, le metodologie utilizzate ed i prodotti delle attività condotte dall'U.O. di Cassino dell'ambito delle fasi sopra descritte. Occorre premettere che tutte le prove sperimentali condotte saranno supportate da una preliminare progettazione degli esperimenti basata su tecniche D.O.E. e da una analisi dei risultati che sfrutta gli strumenti propri dell'elaborazione statistica dei dati. Tutte le prove verranno condotte sulle pietre ornamentali estratte dai bacini marmiferi vicini a 2 delle sedi coinvolte nel progetto: Cassino e Pisa. I risultati sviluppati in ogni fase verranno discussi con le aziende che operano nel settore. FASE 1 – Fase di definizione Obiettivo: l'obiettivo dell'U.O. di Cassino è quello di acquisire i materiali e gli strumenti necessari per lo svolgimento delle altre fasi del progetto in cui è coinvolta. Sviluppo: l'attività dell'U.O. di Cassino in questa fase prevede di condurre una ricerca di mercato sulle mole abrasive e sui parametri di processo comunemente utilizzati in ambito industriale per la lucidatura dei due materiali considerati. L'attività di questa fase prevede un'analisi di mercato sui principali sistemi laser da incisione. Prodotto: il prodotto di questa fase sarà la disponibilità di utensili e materiali necessari per lo svolgimento del progetto, nonché la definizione dei parametri di processo da utilizzare nella lucidatura dei 2 materiali considerati. FASE 2. Lavorazioni superficiali mediante tecnologia tradizionale Fase 2.1 – Modelli per il calcolo della forza di taglio in lucidatura Obiettivo: l'obiettivo dell'U.O. di Cassino è lo sviluppo di un modello per il calcolo della forza di taglio in lucidatura. Sviluppo: l'attività prevede la definizione delle caratteristiche degli utensili scelti nella fase precedente. Successivamente si analizzerà la cinematica del processo abrasivo e quindi il moto relativo tra utensile e pezzo in lavorazione. Verranno studiate le condizioni di formazione del truciolo prendendo in considerazione la distribuzione di pressioni lungo l'area di contatto utensile-pezzo. Verrà studiata la relazione tra pressione di taglio e caratteristiche del materiale in lavorazione, profondità di passata, avanzamento, velocità di taglio, usura dell'utensile. Si effettueranno prove sperimentali per validare il modello di taglio mediante un centro di lavoro a controllo numerico strumentato mediante sensori di forza. Tali dispositivi consentiranno di acquisire l'andamento delle forze di taglio, andamento che verrà caratterizzato e posto in relazione con il processo di lavorazione. Prodotto: il prodotto di questa fase è un modello per il calcolo della forza di taglio nella lucidatura dei 2 materiali che risulta funzione dei parametri di processo e dell'utensile. FASE 3. Lavorazione superficiale ed incisione mediante tecnologie non convenzionali Fase 3.3. Incisione laser Obiettivo: l'obiettivo dell'U.O. di Cassino è quello di studiare l'applicabilità della tecnologia laser per la marcatura dei 2 materiali chiari considerati al fine di implementare un sistema di incisione laser dedicato alla marcatura di marchi e codici. Sviluppo: l'attività prevede di condurre una ricerca di mercato sui sistemi laser di marcatura esistenti al fine di identificare il sistema che meglio si presta a marcature di una certa profondità della pietra naturale non lucidata. A tal fine verrà studiata l'interazione tra fascio laser e pietra naturale per meglio comprendere la tipologia di laser da utilizzare e, una volta identificata la tipologia, i parametri di processo da utilizzare. Infine verrà progettato un sistema dedicato per la marcatura, di semplice utilizzo e a basso costo, in quanto dedicato alla marcatura di piccole aree sulla superficie del prodotto. L'U.O. di Cassino supporterà l'attività dell'U.O. di Pisa di confronto tra la tecnica di marcatura laser e AWJ attraverso la definizione ed applicazione di parametri di confronto basati sulla leggibilità e precisione nella riproduzione del codice impresso sulla pietra naturale. Prodotto: il prodotto di questa fase è un sistema dedicato per la marcatura di piccole aree sulla superficie del prodotto in pietra naturale, di semplice utilizzo e a basso costo. FASE 5 - Ottimizzazione dei processi di lavorazione Obiettivo: l'obiettivo dell'U.O. di Cassino sarà quella di ottimizzare la lavorazione tradizionale di lucidatura in collaborazione con le U.O. di L'Aquila e Pisa. Sviluppo: l'attività prevede, in collaborazione con l'U.O. di L'Aquila e di Pisa, l'identificazione di un modello di ottimizzazione tecnico-economica per la scelta dei parametri di processo a partire da quanto trovato nella fase 2 e da considerazioni economiche. Prodotto: il prodotto di questa fase sarà un modello analitico di ottimizzazione per la lavorazione di lucidatura. FASE 6 - Casi di trasferimento tecnologico Obiettivo: l'obiettivo dell'U.O di Cassino sarà quello di creare, insieme alle altre U.O., un portale dell'innovazione tecnologica nell'ambito della lavorazione di pietra naturale in modo da porre in relazione prodotti della ricerca scientifica messi a punto dalle Università nazionali operanti nel settore e le associazioni degli utilizzatori e le singole aziende. Sviluppo: l'attività in questa fase prevede la pianificazione della struttura e, quindi, la realizzazione di un portale dell'innovazione tecnologica nell'ambito delle pietre naturali. Esso comprenderà la rete di laboratori virtuali degli enti coinvolti nel progetto, documentazione multimediale scaricabile su tecnologie promettenti, modelli sviluppati, pubblicazioni, contatti, esempi di trasferimento tecnologico di successo. Prodotto: il prodotto di questa fase sarà un portale dell'innovazione tecnologica nel settore delle tecnologie di lavorazione delle pietre naturali.