Avanzamento tecnico

Il progetto è stato avviato ad ottobre 2010 ed è concluso il 30 settembre 2013.

La collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria dei Materiali dell’Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia, ha permesso di valutare la presenza di fonti stabili di rifiuti da utilizzarsi nella composizione delle miscele geopolimeriche, nonché di restringere il cerchio di materiali utilizzabili.

Una prima fase di sperimentazione in laboratorio, ha portato alla realizzazione di campioni di prodotto ottenuti per geopolimerizzazione, confermando in tal modo la fattibilità tecnica del progetto.

Si è dato avvio anche alla fase “progettazione e realizzazione degli stampi”; dopo aver testato diversi materiali tra cui acciaio, legno e silicone, si è riscontrato che il silicone è senza dubbio il materiale migliore, anche se presenta tempi di sformatura più lunghi degli altri. È quindi iniziata la fase di progettazione degli stampi per l’impianto dimostrativo, servendosi, per le prove, di stampi piccoli da laboratorio e, per i primi campioni, di stampi in formato 20X20.

La fase di determinazione delle miscele di geopolimero da utilizzare ha richiesto molto lavoro e parecchi sforzi, dalla determinazione dei composti delle miscele alla individuazione delle migliori condizioni di solidificazione ed ai possibili trattamenti per migliorare la sformatura; questo anche dopo aver eseguito una serie di prove su differenti tipi di stampi. Con soddisfazione siamo stati in grado di ottenere degli ottimi risultati.

Sono stati realizzati un numero considerevole di tests in base alle varie materie prime da utilizzare, il loro rapporto relativo, la loro tipologia e caratterizzazione, il loro grado di umidità, la loro composizione chimica, il legante da utilizzare, la loro relativa reazione chimica, il tutto considerando che la composizione deve avere determinate caratteristiche prima della formatura (grado di fluidità, colore omogeneo, etc.) e determinate caratteristiche dopo la formatura (resistenza, omogeneità, etc.) con tempi rapidi e facilità di sformatura.

Sono stati identificati due tipi di caolino utilizzabile e facilmente reperibili, sono state studiate varie possibilità sia con calcinazione che senza e sia con caolino che con metacaolino e numerose diverse concentrazioni di soluzioni alcaline. Il rapporto silicio-sodio si è dimostrato cruciale poichè ha valori che influenzano le proprietà finali del campione e quindi va ottimizzato al meglio.

Dalla formulazione base utilizzata all’inizio, si sono provate una quantità innumerevole di variazioni nelle quantità a seconda delle varie prove ed in base agli altri elementi e materie da aggiungere alle miscele, modificando il rapporto tra le materie prime, il caolino di partenza e il tipo di materiale di recupero introdotto nonché la concentrazione di silicato di sodio, che si è rivelata una variabile peculiare: è stato testato sia al 60% in peso che al 40% con differenze sostanziali in merito alla velocità di sformatura.

I risultati negativi ottenuti sono stati i più vari, dall’efflorescenza, ad un ritiro, a seguito della sformatura e una volta esposti i campioni all’aria, visibile anche ad occhio nudo; dallo scioglimento dei campioni in acqua a varie crepe in superficie e lateralmente; da colorazioni non omogenee a rotture precise in alcuni punti.

Di seguito alcuni esempi di prove:

Primi campioni realizzati con le miscele definitive:

Esempi di campioni successivi e in corso di realizzazione:

Si sono testate diverse materie prime di recupero da inserire nelle composizioni, tra le quali il fango di recupero dal processo ceramico, rifiuto normalmente conferito in discarica a causa della sua composizione variegata, pietra serena, scarti derivanti da inceneritori, le cui scorie richiedono una successiva lavorazione per poter essere inserite nelle miscele, vari tipi di cenere, scarti di vetro da raccolta differenziata, fritte vetrose e scorie bianche di acciaieria. I materiali più utili presentano una percentuale di allumina bassa ed una quantità di silicio più importante; la principale problematica, comunque, è risultata essere la presenza in molti materiali di scarto di sostanze organiche che presentano incompatibilità con la polimerizzazione.

L’uso di graniglia di gres porcellanato, in varie dimensioni così come recuperata direttamente dalla produzione delle piastrelle, ha dimostrato che le graniglie a dimensione più ampia tendono a depositarsi e quindi ad alterare l’omogeneità della superficie del prodotto. Per questo motivo si è scelto di procedere con l’introduzione nelle miscele dei materiali, ad esempio gli scarti di gres, macinandoli finemente, in modo da ridurne le dimensioni e aumentare l’area di contatto matrice-riempitivo.

Un’altra problematica da risolvere sono stati gli elevati tempi di essiccamento (basso assorbimento) che alcune delle materie di scarto hanno creato una volta introdotte nelle miscele.

Esempi di rotture da ritiro troppo veloce e di graniglia troppo grossa:

Campioni ottimi per resistenza ed omogeneità:

Prove di colorazione delle composizioni:

Una considerazione da tenere presente riguarda il fatto che si è tenuto conto, nella realizzazione

delle composizioni, dell’aspetto economico, cercando sempre di dare la preminenza a materiali di basso costo ma che garantissero ugualmente dei risultati tecnici ed estetici adeguati.

Diverse miscele e 3 composizioni in grado di dare prodotti con caratteristiche adeguate agli scopi del progetto sono, quindi, state determinate, fino ad arrivare a quella finale.

Per quanto riguarda la parte impiantistica, non appena ottenute le prime miscele, è stato realizzato un sistema di pesatura ad una mandata, in grado di pesare inserimenti in successione di materiale con un solo nastro pesatore.

Le prove effettuate hanno dato qualche problema inerente il lavoro del nastro pesatore, soprattutto per quanto riguarda il sistema di blocco dello scarico della materia sul nastro stesso una volta raggiunto il peso desiderato e quindi il sistema di comunicazione tra i silos di stoccaggio e scarico sul nastro ed il nastro pesatore stesso

Si è pensato, quindi, con successo, di realizzare tanti nastri pesatori quante sono le materie principali che compongono la miscela, facilitando enormemente le operazione di pesatura.

Una successiva ulteriore modifica implementata nelle fasi finali della azione, per avere una maggiore precisione e velocità di esecuzione dell’intero processo di preparazione delle materie prime, è stata l’inserimento di una bilancia industriale di precisione in grado di pesare molto più accuratamente di un nastro pesatore. Si è aggiunto quindi un quarto nastro, collegato alla bilancia, che raccogliesse il materiale proveniente dai nastri collegati ai silos, lo pesasse e una volta pesato il materiale lo scaricasse nel tank per la miscelazione. Il PLC della bilancia è in grado di bloccare l’uscita del materiale dal silos una volta raggiunto il quantitativo necessario per la miscela.

Per quanto riguarda la miscelazione, in una prima fase i materiali sono stati mescolati cercando di aggiornare e migliorare alcuni sistemi creati per il trattamento ceramico, cioè mulini a palle. Si è però evidenziata la necessità di avere una azione miscelante più uniforme e più energica. Si sono svolti tests interni, quindi, su alcuni impianti di miscelazione già presenti, con sistemi miscelanti diversi rispetto ai mulini con corpi macinanti, ma che miscelassero tramite diverse azioni meccaniche. Gli impianti pensati erano più piccoli del precedente per un maggiore controllo e meno dispersione e per una azione più particolareggiata sulle materie.

I risultati sono stati buoni. Ma la particolare conformazioni chimica dei materiali ha fatto in modo che si presentasse la principale preoccupazione prevista, cioè che data la natura metallica dei componenti, la resistenza alla soluzione alcalina dei materiali non si è rivelata soddisfacente, portando a svariati bloccaggi del sistema e a contaminazioni delle miscele.

L’esito è stato un nuovo e totale dimensionamento del sistema di miscelazione, che includesse anche i mezzi miscelanti e soprattutto la forma migliore del corpo macinante per ottenere miscele velocemente e senza contaminazioni. Si è quindi progettata, costruita e testata la macchina per la miscelazione definitiva, con uno strumento miscelante molto efficiente e veloce, una minima perdita di continuità di processo, ma molto efficiente.

Il sistema di riempimento stampi è composto da un piccolo componente in grado di trasportare, e quindi movimentare con l’ausilio umano, le miscele già pronte, un sistema di riempimento della tramoggia di dosaggio, la tramoggia stessa che dosa il materiale giusto per riempire uno stampo, il sistema di riempimento dello stampo e un nastro che trasporta gli stampi riempiti verso l’uscita dal sistema. Il demoulding è svolto a mano.

Dopo il demoulding il processo prevede il passaggio in una cabina a temperatura ed umidità controllata che velocizzi l’indurimento dei prodotti; non è un processo necessario, ma può essere utile nel caso in cui per ragioni di mercato o di altre necessità si debba velocizzare la spedizione del materiale. Anche per questo sistema si sono provate più soluzioni per poi scegliere la migliore.

Sono stati realizzati anche dei nastri in grado di trasportare gli stampi sotto la boccola dosatrice del sistema di riempimento degli stampi.

Poiché la boccola dosatrice lavora in modo continuo la velocità del nastro deve essere coordinata con il resto del sistema in modo che sia sempre presente sotto la boccola uno stampo nel momento in cui il materiale cola dal dosatore. Il sistema è stato implementato in base ad una determinata quantità in uscita, un pezzo e quindi uno stampo riempito ogni 5 secondi, ma è possibile configurare il sistema su altri parametri e velocità in base alla quantità necessaria di materiale da colare per ogni specifico prodotto.

Il sistema di riempimento dello stampo a caduta è capace di dosare la quantità di materiale necessario durante il riempimento stesso, questo per garantire una adeguata velocità di esecuzione delle operazioni di riempimento.

Il sistema, totalmente studiato, progettato e realizzato dal personale Gardenia con l’aiuto di qualche fornitore esterno sia tecnico che meccanico, è composto da un sollevatore per il riempimento della tramoggia dosatrice e dalla tramoggia stessa in grado di riempire lo stampo con la quantità di materiale adeguata, per caduta.

Un sistema a stella inserito alla base della tramoggia ruota in moto costante e permette al materiale di passare solo in determinate quantità, bloccando l’uscita del materiale per alcuni tratti, cioè per il tempo necessario allo stampo di arrivare. La sostituzione eventuale del sistema a stella permette di ottenere il riempimento di ogni stampo voluto, anche diverso in dimensione e spessore da quelli definitivi utilizzati per i test finali e per la dimostrazione, garantendo velocità e precisione nel colaggio e ampia flessibilità di utilizzo del sistema.

Il primo sistema a temperatura controllata e riscaldante non si è rivelato utile ad una produzione continua e di difficile configurazione. L’idea era quella di applicazione di micro-onde unitamente all’aria calda, per velocizzare la formatura finale dei pezzi già estratti dagli stampi. Per questo è stato utilizzato un fornetto capace di applicare aria calda e microonde per un riscaldamento veloce e modulabile in grado di velocizzare le operazioni di consolidamento.

Le configurazioni per l’applicazione delle micro-onde testati, però, non si sono rivelati utili ad una produzione in continuo, poiché troppo difficili da adeguare alle diverse caratteristiche delle miscele dei prodotti introdotti. In pratica, l’idea del riscaldamento è applicabile, anche in letteratura si trovano casi in cui dopo una “cottura” le caratteristiche tecniche dei prodotti miglioravano, ma l’interesse per una futura possibile industrializzazione non era di migliorare le caratterizzazioni finali, già buone di per sé, ma di evitare la cottura.

il processo prevede che i prodotti tolti dallo stampo siano introdotti in una cabina per l’elaborazione post-stampo la cui temperatura è controllata attraverso isolamento ed umidità controllata per mezzo di un ventilatore e un umidificatore. La lunghezza della cabina è di circa 12 metri e altezza e larghezza di circa 2 metri; è accompagnata da carrelli per l’ingresso, il movimento e l’uscita dei prodotti, che giacciono su telai.

Il tempo nel tunnel potrà essere variato in base alle esigenze, poiché il consolidamento avviene anche temperatura ambiente, senza passaggio nel tunnel, ma può durare anche alcuni giorni, in base all’umidità presente.

Gli stampi utilizzati sono in silicone, poiché ha dimostrato di essere il materiale migliore come vita utile e per evitare l’interazione con le miscele. Essi possono essere realizzati in diverse forme e sono sufficientemente flessibili per una buona e veloce sformatura, anche se un po’ si allungano i tempi di sformatura. I primi campioni sono stati realizzati con stampi rotondi da laboratorio, quelli finali per la creazione di piastrelle 30×30, a partire dalle matrici con il logo Gardenia.

Rettifica, taglio e levigatura, possono essere eseguiti come avviene tipicamente con la pietra naturale o le piastrelle ceramiche. Il proponente già possedeva alcuni sotto-sistemi che prima di tutto sono stati configurati, con l’aiuto di fornitori tecnici, tenendo conto delle caratteristiche dei nuovi prodotti. La vera sfida era di trovare utensili da taglio e abrasione adeguati e utili per affrontare le caratteristiche del materiale dei prodotti da trattare.

I diversi strumenti per la finitura sono stati prima di tutto testati in una macchina manuale utilizzata per trattare i decori in gres porcellanato. Sono stati poi testati diversi strumenti, in base alle dimensioni dei prodotti da trattare e soprattutto in base ai materiali di diversa conformazione rispetto ai normali prodotti in ceramica.

Successivamente si è testata una possibile serie di trattamenti in una macchina industriale attualmente in uso in azienda, per verificare possibili applicazioni future su larga scala. La macchina ha necessitato di qualche adeguamento software, ma dal punto di vista tecnico e meccanico i normali strumenti interni utilizzati per la produzione ceramica sono utilissimi allo scopo; i prodotti finali, infatti, presentano un ottimo aspetto estetico.

L’impianto realizzato è funzionante al 100% ed i flussi di processo sono compatibili con una produzione industriale. Attualmente il processo è in grado di produrre 1mq di prodotto al minuto e quindi 480 mq al giorno.  I prodotti hanno caratteristiche compatibili con applicazioni da pavimento e un buon aspetto estetico.