di Alberto Barbieri27   Novembre   2013

Un forno laser per la cottura della ceramica

L’utilizzo della tecnologia laser consente una riduzione del livello di temperatura e la possibilità di ottenere effetti innovativi

Lo scorso 30 luglio è stato presentato a Toledo (Spagna) il primo prototipo di forno laser per la produzione di ceramica strutturale, risultato finale del progetto europeo Laserfiring.
 

Il Consiglio Superiore per la ricerca scientifica di Spagna (CSIC), assieme ai ricercatori dell’Istituto di Scienza dei Materiali dell’Università di Saragozza ed alle aziende Easy Laser e Physic GM, costruttrice del forno, hanno sviluppato un nuovo metodo per la produzione di ceramica strutturale, che diminuisce le emissioni di gas serra nell’atmosfera attraverso l’uso della tecnologia laser.
“L’industria ceramica utilizza temperature di cottura molto elevate, che possono raggiungere i 1.200 °C. Questo implica un alto consumo di energia e l’emissione di grandi quantità di gas serra, come la Co2, provenienti dalle fonti energetiche utilizzate”, spiega il responsabile del progetto, il professor Xermán De La Fuente, dell’Università di Saragozza.
 

L’utilizzo della tecnologia laser durante la fase di cottura permette di diminuire tra i 100 e i 300 gradi la temperatura del processo, senza che i materiali vedano intaccate le proprie proprietà strutturali. Abbassando la temperatura di cottura da 1.100° C a 800° C, il risparmio nel consumo di gas per tonnellata di prodotto ottenuto è compreso tra il 23 e il 50%. In un impianto di medie dimensioni, con una capacità produttiva di 300 tonnellate al giorno, questo rappresenta una riduzione delle emissioni di CO2 nell’atmosfera compreso tra le 3.563 e le 7.750 tonnellate l’anno.
 

Oltre al progetto Liserfiring, riguardante la ceramica strutturale e finanziato con oltre 2,4 milioni di euro provenienti per circa la metà dal programma europeo LIFE+ per la ricerca di tecniche produttive ecosostenibili, è in fase di ultimazione la fabbricazione del primo prototipo di forno laser per ceramica piana. Si tratta del progetto Ceramglass, anch’esso appartenente al programma LIFE+ e finanziato con 2,9 milioni di euro, coordinato dal CSIC e con Torrecid quale beneficiaria industriale. L’obiettivo è applicare la tecnologia precedentemente sviluppata nel prototipo per la ceramica strutturale anche alle piastrelle di ceramica, al terzo fuoco ed al vetro per rivestimenti. Ceramglass, il cui primo prototipo dovrebbe essere presentato nel gennaio 2014, prevede la costruzione di un impianto che combina un forno elettrico a rulli di 13m con un laser da 2.2 kW. Il CSIC è titolare del brevetto internazionale WO/2007/101900.
 

La tecnologia laser consente di raggiungere sulla superficie dei materiali temperature di gran lunga superiori a quelle ottenibili in un forno convenzionale, mantenendo il calore nel substrato tra i 500 e 1.200 °C, senza provocare deformazioni o rotture. Nella monocottura di una piastrella, un forno convenzionale non supera i 1.140 °C, il laser può invece arrivare a temperature sulla superficie del pezzo di oltre 2.000 °C, senza danneggiare il substrato. Questo consentirebbe di ottenere decorazioni e/o superfici ad alto valore aggiunto in termini di proprietà meccaniche, dato che finora non è stato possibile sviluppare smalti per temperature superiori a quelle sopportate dal substrato.
 

Come rileva lo stesso De La Fuente: “il prototipo di forno laser per la ceramica piana soffre ancora di qualche limite tecnico, riguardante i formati supportati, che arrivano ad un massimo di 60 cm di larghezza, la velocità massima di produzione, che è di 36 m/h, la temperatura del forno, che ancora non supera i 1.200 °C e la potenza massima del laser utilizzato che è di 2.2 kW”. Dal prototipo di Ceramglass sarà però possibile sviluppare sistemi scalabili per forni industriali convenzionali adattati con un modulo laser. I forni attuali potranno funzionare senza cambiamenti ed il modulo laser si userebbe solo quando richiesto dal materiale.
 

L’intenzione di Physic GM, infatti, è quella di produrre un modulo “Laser-kiln” di forno laser, i cui costi commerciali sono ancora da valutare, da introdurre in forni convenzionali senza modificarne la funzionalità. In questo modo, l’uso di un forno laser sarebbe compatibile con qualsiasi produzione industriale convenzionale e sarebbe utilizzato solo per fabbricare prodotti speciali o adattare la tecnologia convenzionale alla produzione più efficiente di piastrelle ceramiche.
 

La tecnologia utilizzata per entrambi i progetti è prodotta dall’azienda Rofin in Germania: si tratta di laser di CO2 di tipo SLAB, con una potenza di emissione fino a 8 kW. Il laser attualmente in uso nel progetto Ceramglass è di 2.2 kW, mentre per il prototipo Laserfiring si sono utilizzati due laser da 400 W ciascuno, orientati in opposizione per eseguire il trattamento sui 4 lati del mattone.
 

Secondo l’ingegner De La Fuente, il forno laser rappresenta certamente un’importante innovazione, ma potenzialmente anche una vera e propria rivoluzione. La prima si noterebbe “a breve termine, combinando l’uso di materiali già noti con l’applicazione del laser, potremmo ottenere la produzione di una grande varietà di finiture, con proprietà uguali o superiori alle attuali, sia ottiche che meccaniche”. La possibile rivoluzione, invece, prevede uno scenario di più lungo termine, nel quale lo sviluppo di una chimica di superficie a temperature estreme, consentirà di ottenere caratteristiche chimiche, meccaniche ed ottiche fino ad ora impensabili. “La ragione di questo ottimismo sta nel fatto che, per la prima volta, possediamo una tecnica di produzione industriale che dà accesso a temperature estreme e permette il controllo su texture e microstruttura del rivestimento e della superficie dei materiali in tempo reale ed a velocità di produzione competitive”, conclude il professor De La Fuente.