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Scopri cos’è e come funziona la tecnologia del rivestimento PVD, le sue applicazioni e i vantaggi

PVD, acronimo di Physical Vapor Deposition, indica una serie di tecniche per la deposizione di rivestimenti a film sottile.


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PVD, acronimo di Physical Vapor Deposition, indica una serie di tecniche per la deposizione di rivestimenti a film sottile.

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, da una scarsa consapevolezza e dal suo essere percepita come una tecnologia nuova nonostante i suoi decenni di storia.

La tecnologia PVD in breve

Nella deposizione PVD, un materiale (il 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, ma anche la plastica, il vetro e la ceramica, a differenza di altre tecnologie che sono limitate a pochi tipi di metalli.

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.

Più precisamente:

Sputtering

Il target è colpito da una pioggia di particelle provenienti da un gas ionizzato (plasma). Questi "proiettili" erodono il materiale ed estraggono gli atomi, che saranno poi depositati uniformemente sul substrato.

Arco catodico

Una scarica elettrica produce un'evaporazione localizzata del bersaglio, che genera poi un flusso di materiale ionizzato verso l'oggetto da rivestire. Trattandosi di ioni, è possibile fornire loro energia e ottenere così rivestimenti compatti e resistenti.

Evaporazione termica (o metallizzazione)

Il materiale da depositare viene posto in un crogiolo e portato ad alta temperatura, facendolo evaporare rapidamente e viaggiare verso il substrato.


Come si ottiene un rivestimento PVD 

Il vuoto è una condizione necessaria per poter innescare questi meccanismi. Favorisce anche il trasferimento del materiale, che non viene rallentato dall'aria o da altri fluidi, e quindi raggiunge la superficie del substrato con più energia e vi aderisce più saldamente. 

Anche se la creazione del vuoto nella camera di processo sembra un ostacolo, in realtà porta due vantaggi fondamentali: 

1. riduce al minimo le contaminazioni, ottenendo così rivestimenti di alta qualità; 

2. ha un processo di deposizione definito e ripetibile, poiché il vuoto è una condizione di lavoro ben controllata, al contrario della galvanoplastica, che è molto sensibile alla concentrazione ionica e agli additivi, alla densità di corrente, alla temperatura e alla polarizzazione. 

Il processo PVD è controllato interamente dal software, che regola automaticamente i flussi di gas, il pompaggio, i tempi, le tensioni e la rotazione dei pezzi, e controlla ogni aspetto che fa parte della ricetta, cioè la sequenza delle operazioni che portano al risultato finale. Così la tecnologia PVD non è più difficile da usare di altre tecnologie, come la galvanoplastica o la verniciatura. 

Come tutti i macchinari industriali, anche le attrezzature PVD richiedono manutenzione. Questa va dalla pulizia periodica della camera alla sostituzione dei target, tutte operazioni che sono semplificate da una progettazione intelligente del sistema PVD. Spetta ovviamente al produttore fornire un sistema efficiente, accessibile e intuitivo da usare, adatto alle esigenze del cliente. 

Un sistema PVD è tecnologicamente avanzato, e questo giustifica il suo costo più elevato. In cambio, si ottengono affidabilità e versatilità, caratteristiche che permettono di ottenere prodotti di maggior valore estetico e tecnico rispetto a quelli realizzati con tecniche più tradizionali e, soprattutto, di soddisfare sempre le tendenze e le richieste del mercato. Inoltre, grazie all'ampio spettro di possibilità offerte dal PVD, si possono prevedere nuove linee di prodotti, per mercati ancora da esplorare.

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I vantaggi del rivestimento PVD

Grazie alla tecnologia PVD è possibile ottenere rivestimenti 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.

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.

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 pre-trattamento galvanico per ottenere una superficie lucida e aumentare la resistenza alla corrosione, dopo di che 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.

Come funziona il processo PVD

I pezzi puliti o pretrattati e il telaio su cui sono posizionati, che consiste in apparecchi rotanti progettati per ottenere una distribuzione uniforme del materiale su una superficie 3D, vengono messi nella camera. Dopo aver raggiunto il vuoto ideale per la deposizione, le fonti - i dispositivi meccanici ed elettronici utilizzati per estrarre gli atomi del target - vengono accesi.

Allo stesso tempo, se si vuole ottenere un ossido, un nitruro o un carburo, si può introdurre un gas contenente rispettivamente ossigeno, azoto o carbonio. 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 5 µm di materiale, 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.

Anche le operazioni di smaltimento non sono necessarie, dato che con questa tecnologia ecologica non si producono rifiuti.

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Applicazioni dei rivestimenti PVD

Il PVD offre innumerevoli possibilità, poiché si può depositare praticamente qualsiasi materiale: dai metalli puri alle leghe, dai nitruri ai carburi e agli ossidi, così come vetri e ceramiche. Inoltre, gli oggetti da rivestire possono essere composti anche da metalli, leghe, plastica e vetro, e questo aumenta esponenzialmente i campi di applicazione di 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.

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.