Cos’è il PVD? Come funzionano le tecnologie di rivestimento a film sottile?
Cos'è il PVD, come nasce e quali sono le applicazioni odierne nel campo industriale?
La tecnologia PVD in breve
PVD, acronimo di Physical Vapor Deposition, indica una serie di tecniche per la deposizione di rivestimenti a film sottile. La deposizione PVD è un processo svolto sottovuoto, in cui un materiale allo stato solido (chiamato target) viene portato in fase di vapore in modo che possa raggiungere la superficie dell'oggetto da rivestire (chiamato substrato) dove si condensa, formando il film. Questo meccanismo di deposizione atomo per atomo non solo migliora l'adesione del film, ma permette di utilizzare una vasta gamma di materiali per rivestire vari tipi di substrati, dall'acciaio all'ottone, al ferro e alla zama (previo trattamento), ma anche la plastica e il vetro, permettendo di gestire vari tipi di substrati con lo stesso impianto.
Sputtering, arco catodico ed evaporazione termica (spesso chiamata semplicemente metallizzazione) sono i principali processi usati in ambito industriale. Si differenziano per il modo in cui i costituenti (atomi e ioni) della fase vapore vengono estratti dal target e per l'energia che viene loro applicata.
La scelta di un metodo piuttosto che un altro è determinata dalle proprietà che si vogliono ottenere, in termini di compattezza, adesione e colore del film, e dal tipo di materiale da depositare.
Le caratteristiche più importanti del PVD sono:
- una notevole durezza dello strato superficiale,
- la resistenza ai graffi e alle abrasioni
- un’elevata persistenza all’usura.
Lo sviluppo del PVD nel campo dei rivestimenti industriali
Questi metodi sono stati ampiamente utilizzati dalla fine degli anni '60 per creare strati di materiale per applicazioni sia nella ricerca che nell'industria, spaziando dall'elettronica alla meccanica, dall'edilizia alla moda, perché permettono di regolare con precisione la composizione e lo spessore del rivestimento, e quindi di ottenere sistemi con caratteristiche speciali e controllate.
Il mercato richiede prodotti innovativi e di altissima qualità ed è per questo che il PVD continua a trovare sempre più applicazioni nel campo dei rivestimenti industriali. Tuttavia, la sua diffusione è limitata, soprattutto in Italia, per via di una scarsa consapevolezza della tecnologia, che viene percepita come una novità nonostante i suoi decenni di storia.
Come funziona il processo PVD
I pezzi puliti o pretrattati e il telaio su cui sono posizionati vengono messi nella camera. Dopo aver raggiunto il vuoto ideale per la deposizione, le sorgenti - i dispositivi utilizzati per estrarre gli atomi del target - vengono accese.
Variando il flusso di gas e la velocità di estrazione degli atomi dal target, è possibile ottenere materiali con composizioni diverse, e quindi con caratteristiche fisiche e colori diversi. Di solito vengono depositati da 0,2 a 3 µm di materiale (in galvanica ne vengono applicati dai 5 ai 20 micron di spessore!), a seconda che il rivestimento debba essere decorativo o funzionale. Questo influenzerà la durata del processo, che andrà da pochi minuti a diverse decine di minuti, anche a seconda del tipo di rivestimento desiderato e della tecnica utilizzata. Dopodiché, l'aria viene rimandata nella camera e i pezzi possono essere estratti, senza bisogno di ulteriori trattamenti.
Le operazioni di smaltimento non sono necessarie, dato che con questa tecnologia ecocompatibile non si producono rifiuti.
Applicazioni dei rivestimenti PVD
Il PVD offre innumerevoli possibilità, poiché si può depositare praticamente qualsiasi materiale. Generalmente, titanio e cromo sono usati come base a causa delle loro forti proprietà di resistenza alla corrosione, ma anche metalli puri, leghe, nitruri, carburi e ossidi, così come il vetro e la ceramica, sono depositabili attraverso questa tecnologia
La metallizzazione, o il deposito di un sottile strato di materiale metallico, è spesso utilizzata per la protezione, la schermatura o l'aumento della riflettività, caratteristiche essenziali per le applicazioni ottiche come gli specchi per concentrare e deviare i fasci di luce e i segnali, i fari delle automobili, o nell'elettronica. Questo processo è applicabile anche alla plastica e al vetro, materiali che possono essere facilmente modellati, in modo da combinare i vantaggi di una superficie metallica con oggetti dalle forme complesse. Questo spiega il crescente uso della cromatura PVD in campi come le maniglie e gli interni per l'industria automobilistica, i tappi e i contenitori per i cosmetici, i rubinetti e gli utensili per l'arredamento della casa, e per accessori come fibbie, ganci, bottoni e bigiotteria per l'industria della moda.
In questi casi, non è raro usare le tecnologie PVD e PECVD per aggiungere un ulteriore sottile strato protettivo di vetro allo scopo di migliorare la resistenza alla corrosione e ai graffi o aggiungere proprietà battericide, antivirali o anti-impronta.
Poiché il processo consiste in un getto di materiale verso l'oggetto da rivestire, la forma dell'oggetto deve soddisfare determinati requisiti. Infatti, con il PVD non è possibile rivestire fori profondi e stretti, o garantire una perfetta uniformità su zone interne o di difficile accesso. Questo problema viene di solito superato appendendo i pezzi da rivestire su delle aste e facendoli ruotare meccanicamente intorno a diversi assi, in modo che passino davanti alle fonti del materiale, mostrando sempre una zona diversa.
Il PVD è ampiamente utilizzato nella realizzazione di utensili per la lavorazione e il taglio, grazie al fatto che i rivestimenti a base di nitruri e carbonitruri sono facilmente ottenibili e sono caratterizzati da estrema durezza e alta adesione, proprietà che migliorano l'efficienza e allungano la vita di questi componenti meccanici.
Ancora, grazie alla possibilità di produrre materiali compositi, si possono creare colori come l'oro e l'argento senza dover utilizzare questi metalli preziosi, ed è anche possibile trovare nuove tonalità e riflessi che meglio si adattano alle tendenze e alle mode del momento. Nel campo decorativo, il giallo paglierino, il nero, il castagno o l'oro rosa sono nuovi colori che combinano l'eleganza e l'innovazione con il fascino e la sensazione tattile che solo il metallo può offrire, pur mantenendo la sua lucentezza e resistenza ai graffi e alle abrasioni. La versatilità e la qualità dei rivestimenti PVD sono certamente tra i più importanti punti di forza di questo tipo di applicazioni.
I vantaggi del rivestimento PVD
Grazie alla tecnologia PVD è possibileottenererivestimenti altamente resistenti e colori speciali, attraverso un processo altamente sostenibile
Nei processi PVD non si usano soluzioni inquinanti e i metalli utilizzati sono puri, quindi non c'è rilascio nell'atmosfera di sostanze nocive per l'ambiente durante la deposizione, il che la rende una tecnologia sostenibile in linea con la crescente consapevolezza delle questioni ecologiche. La lavorazione ecocompatibile consente anche l’uso del PVD in ambito medico-sanitario o per il rivestimento dell’attrezzatura da cucina (posateria, vassoi, attrezzatura), due ambiti delicati, in cui il contatto prolungato con le persone rende necessario l’utilizzo di tecnologie che non richiedano trattamenti con materiali tossici.
Un altro punto di forza della tecnologia PVD è la possibilità di produrre materiali compositi (nitruri, carburi, ossidi), cioè composti da elementi diversi, introducendo gas che si combinano con gli atomi che stanno per essere depositati. Così facendo, si ottengono rivestimenti con caratteristiche superiori, come l'alta resistenza dei nitruri all'usura e ai graffi. Inoltre, permette di produrre colori speciali che non si possono ottenere con altre tecnologie. Il PVD oro e il PVD nero in particolare possono raggiungere gradi di intensità cromatica che nessuna altra soluzione di coating è in grado di offrire.
È proprio per queste ragioni che il PVD viene talvolta utilizzato come tecnologia complementare ad altri trattamenti. Per esempio, in alcuni casi si applica un pretrattamento galvanico per ottenere una superficie lucida e aumentare la resistenza alla corrosione, dopodiché si applica un sottile strato PVD per fornire durezza e la tonalità di colore desiderata, dal giallo paglierino all'oro, dal cromo al nero lucido, al rosa chiaro e al marrone ciliegia.
Altro esempio è per la plastica: una verniciatura UV permette di preparare il substrato a ricevere il film PVD di modo da ottenere una finitura in tono cromo che fino a poco tempo fa sembrava possibile ottenere solo attraverso la galvanica esavalente.
Il PVD è un tipo di trattamento che si sta facendo strada nel settore delle finiture superficiali, aggiungendo valore a tutta la filiera produttiva. Molte industrie si sono già aperte all’utilizzo del PVD per sostituire la colorazione galvanica, portando a grandi volumi di investimenti nel settore. L’obiettivo è quello di stimolare l’uso di questa tecnologia per soddisfare i criteri delle nuove normative REACH e aiutare la filiera di produzione a diventare veramente green.