Tecnologie di deposizione in vuoto: il PVD

PVD È ACRONIMO DI PHYSICAL VAPOUR DEPOSITION, DEPOSIZIONE FISICA IN VAPORE. SI TRATTA, IN PRATICA, DI UNA SUBLIMAZIONE (PASSAGGIO DI STATO DA SOLIDO A VAPORE E SUCCESSIVO RITORNO ALLO STATO SOLIDO) IN VUOTO, USATA PER RICOPRIRE UN DETERMINATO OGGETTO CON UN DETERMINATO MATERIALE E/O COMBINANDO ALCUNE REAZIONI CHIMICHE PER MODIFICARNE LA NATURA

Ci sono due componenti fondamentali della tecnologia di rivestimento PVD:

• il vuoto, generato attraverso diverse tipologie di sistemi di pompaggio
• la tecnologia di evaporazione utilizzata.

Proprio quest’ultima caratterizza la macchina e le finiture possibili. In Made Black, azienda del gruppo AFM con sede a Chiuduno (BG), utilizziamo principalmente due tecnologie, evaporazione termica e il magnetron sputtering, mentre dal 2021 si è sviluppato l’utilizzo della tecnologia ad arco catodico.

UN PO’ DI STORIA

Per capire quali sono le tecnologie esistenti, la loro affidabilità e le prospettive future, è molto importante conoscere la storia dei trattamenti di superficie. Insieme alla galvanica (plating in inglese), e alla verniciatura (painting), tutte tecnologie che fanno parte del grande mondo delle finiture, la metallizzazione secondo tecnologie sotto vuoto è una finitura “principe” nel settore dove il gruppo AMF opera (accessori moda per i settori abbigliamento pelletteria e calzaturiero).

Nello schema riportato nella gallery, ho voluto riassumere per fasi storiche l’evoluzione dei diversi tipi di finitura. La tecnologia dei trattamenti di superficie ha avuto, tra gli anni 60 e i 70 del secolo scorso, il momento di maggior sviluppo e di decisivo cambiamento tecnologico [come riportato anche nel libro “Storia della verniciatura industriale in Italia”, edito dalla casa editrice La Rivista del Colore, ndr]. Come si può notare, infatti, gran parte delle varie tecnologie che si utilizzano attualmente hanno preso avvio proprio durante quel decennio.

Nei rivestimenti decorativi ottenuti per deposizione di metalli, lo sviluppo di nuovi colori è dovuto alla capacità di sperimentazione di aziende come quelle del gruppo AMF, come ad esempio Made Black, ma deriva dalle esigenze in ambito funzionale e, solo in seconda battuta, per esigenze estetiche. Insomma, l’elevata gamma che attualmente abbiamo a disposizione è data dal risultato fortuito di “miscelazione” di metalli in vuoto necessaria per raggiungere prestazioni delle superfici sempre più elevate.

FINITURE E PRESTAZIONI

Come sempre, la tecnologia dei trattamenti di superficie si evolve per trovare le soluzioni che aumentino le prestazioni di durata, resistenza a graffi e sollecitazioni meccaniche, durata nel tempo, resistenza al deterioramento del materiale.

Nella tabella I, a titolo esclusivamente indicativo – dato che i dati reali dipendono da molteplici fattori, tra cui materiali o substrato, spessori, natura delle vernici impiegate e altro – sono state comparate le finiture ottenute con differenti tecnologie. Come si può notare, il PVD ad arco catodico, tra le ultime tecnologie inserite nella nostra azienda, ha prestazioni di resistenza – meccaniche, corrosione, agenti chimici e luce – elevate.

Di seguito, e brevemente, alcune annotazioni sulle differenti tecnologie.

THERMAL EVAPORATION

Avviene tramite evaporazione diretta mediante spirali o crogioli di vari materiali a seconda dell’esigenza: ad esempio “alluminatura” delle decorazioni natalizie oppure “cadmiatura” per il settore aerospaziale.

Con questa tecnologia in Made Black possiamo ottenere delle superfici estetiche molto interessanti cosiddette a “interferenza”: alternando strati di materiali ad alto indice di rifrazione con altri a basso indice si crea un reticolo a interferenza che riproduce l’iridescenza che avviene in natura, ad esempio in alcuni insetti (scarabeo gioiello, Sternocera Aequisignata, oppure nelle piume di alcuni uccelli come nel pavone). Trattandosi di un deposito amorfo di minerali metallici le sue caratteristiche principali sono estetiche, cioè finalizzate a ricreare un tipico reticolo di interferenza irregolare e ottenere, attraverso il fondo di vernice colorato, quelle nuance richieste da designer o stilisti.

Dal punto di vista estetico le interferenze che si creano sono casuali, pertanto è impossibile ripetere la stessa sfumatura (come colore) nella stessa posizione anche su pezzi identici trattati nello stesso batch di produzione. Deve essere ricordato che, a livello di resistenze chimiche e meccaniche, questo rivestimento non ha prestazioni rilevanti, pertanto deve sempre essere protetto con uno strato di vernice ulteriore. Nonostante ciò, si possono presentare problemi di «spellicolamento» dallo strato di rivestimento dovuto a stress meccanici troppo elevati.

MAGNETRON SPUTTERING

Questa tecnologia permette di vaporizzare pressoché qualsiasi tipo di target, una sorta di “lingotto” di metallo puro, utilizzando la sorgente di plasma più idonea (DC, Pulsed DC, RF) a seconda che il materiale utilizzato sia più o meno dielettrico. In generale i metalli più utilizzati sono alluminio, titanio, cromo, rame, ottone, bronzo e argento. Nella nostra azienda si utilizza, per effettuare questi trattamenti, una tecnologia a basso impatto ambientale (green coating), che riduce al minimo i passaggi necessari a ottenere una finitura di alta qualità. Abbiamo riassunto schematicamente gli strati necessari nel trattamento tradizionale e in quello generalmente utilizzato in Made Black.

ARCO CATODICO

La tecnologia ad arco catodico – cathodic arc – permette di vaporizzare metalli relativamente poco conduttivi, solitamente cromo, zirconio, titanio e sue leghe. Metalli troppo conduttivi sarebbero attraversati dalla scarica elettrica, fondendo e bucando la sorgente stessa (per questi si predilige l’utilizzo del magnetron sputtering). È una tecnologia che consente di effettuare il PVD nero e tutte le gamme di oro – copper bronze, rose gold, gold «intenso», gold, champagne, light gold, palladio. Nella tabella II sono raccolti le combinazioni tra metalli per ottenere i colori sopra descritti. Questa tecnologia consente di ottenere una gamma superiore di colori rispetto, ad esempio, alla tecnologia galvanica.

LA PRODUZIONE

Come tutti i trattamenti di superficie anche la “produzione” delle finiture fin qui descritte si ottiene attraverso un “processo”, cioè una serie di operazioni tra loro concatenate e conseguenti. A seconda della tipologia di substrato e di tecnologia di deposizione utilizzata è necessario raggiungere un certo “grado” di vuoto: sono possibili varie soluzioni in base all’energia erogata, da una glow discharge fino a un vero e proprio plasma.

Semplificando, il processo è il seguente:

• vuoto
• plasma
• deposizione
• raffreddamento e/o ripristino pressione atmosferica.

Nella fase di deposizione, per consentire l’adesione si applica uno strato ponte tra substrato e deposito decorativo. Di seguito si provvederà ad uno strato intermedio o “buffer” per distribuire le tensioni del rivestimento finale (più duro) e quelle del substrato (più morbido). Il rivestimento decorativo è lo strato finale, che può essere monostrato o composto da più strati (ad esempio per la finitura ad interferenza).

SUBSTRATI E CICLI DI TRATTAMENTO

PLASTICA

Sui materiali plastici è possibile fare la deposizione diretta, con o senza plasma, a seconda del grado di preparazione del pezzo. È preferibile applicare un fondo in verniciatura (termica o UV a seconda del materiale del substrato).

Quasi sempre si deve prevedere anche un rivestimento protettivo, al quale conferire delle caratteristiche estetiche (regolazione dell’opacità, colorazione e altri effetti). I limiti delle prestazioni sono quasi sempre attribuibili al tipo di substrato. Dovendo mantenere la temperatura molto al di sotto della TG dei materiali componenti il substrato, vi sono limiti nelle colorazioni possibili con i cicli reattivi. Per questo motivo, come già scritto, spesso la colorazione finale avviene tramite verniciatura.

È possibile, ma non vantaggioso, eseguire il coating anche su POP (Plating On Plastic).

ZAMA, ALLUMINIO, MONEL, ALPACCA, OTTONE, BRONZO

La deposizione avviene sui materiali a cui precedentemente è stato eseguito un riporto galvanico (solitamente con strato di prezioso per aumentare le prestazioni anticorrosive).
È possibile eseguire la deposizione diretta previa creazione di uno strato protettivo (la cui composizione solitamente è multi layer) ma, per ragioni tecniche ed economiche, non è attualmente conveniente (il futuro della deposizione con HiPIMS potrebbe aprire nuove strade).
Ci sono dei limiti nelle colorazioni possibili con i cicli reattivi, dovendo evitare il degassaggio dai materiali pressofusi con la possibile formazione di bolle e distacchi. La preparazione del materiale, tramite opportuno lavaggio, è fondamentale per ottenere i risultati attesi in termini di adesione e stabilità della colorazione.

METALLI «NOBILI»: ACCIAIO E TITANIO

Si predilige la deposizione diretta previa preparazione tramite adeguato lavaggio e successiva asciugatura dei pezzi da rivestire. La possibilità di utilizzare alte temperature permette non solo di ottenere numerose colorazioni, ma anche di dare al coating caratteristiche tecniche superiori in termini di resistenza al graffio e alla corrosione.

ALTRI MATERIALI: VETRO E CERAMICA

Non dimentichiamo che questi rivestimenti possono essere eseguiti anche su materiali diversi: in modo pressoché diretto su ceramica e vetro, previa preparazione tipica per altri materiali (solitamente “naturali” quali legno, corno e altro). Il ciclo è simile a quello visto per i materiali termosensibili, come le materie plastiche.