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Monday, 22 Ottobre 2018
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Nuove prospettive nella decorazione laser dei pellami

Il lavoro illustra lo stato dell’arte sull’applicazione delle sorgenti laser nella decorazione dei pellami e raccoglie i risultati delle ricerche condotte dal Gruppo di Ricerca di Tecnologie e Sistemi di Lavorazione dell’Università degli Studi di Napoli in collaborazione con il Centro Interuniversitario di Ricerca sulle Tecnologie Innovative per i Beni Strumentali (CIRTIBS). In particolare, sarà illustrata l’applicazione delle sorgenti verdi nella decorazione dei pellami, evidenziandone i vantaggi rispetto alle sorgenti laser attualmente in uso in ambito conciario (sorgenti CO2); i diversi meccanismi d’interazione e le tecniche di decorazione. Quanto detto sarà discusso attraverso l’illustrazione di alcuni esempi di lavorazioni ottenuti su diverse tipologie di pellami. Infine saranno prospettati i possibili sviluppi futuri.

di Claudio Leone e Silvio Genna

Maggio-Giugno 2013

Oggigiorno la lavorazione laser dei pellami è una realtà industriale. Sono ormai diversi anni che le macchine laser sono entrate nel mondo conciario; prima come soluzione innovativa e altamente flessibile ai processi di taglio e traforo e poi in operazioni di marcatura e incisione del pellame. I sistemi industriali, attualmente in uso, si basano sull’impiego di sorgenti CO2 tradizionali, con potenze comprese tra i 100 e i 600 W e movimentazione di tipo cartesiano, galvanometriche o ibride. Questo tipo di soluzione, se da una parte ha permesso ai terzisti del settore conciario di ottenere risultati certi e immediati, favorendo l’introduzione della tecnologia nel campo dei pellami, dall’altra non ha consentito di sviluppare a pieno le potenzialità dei sistemi laser nella decorazione dei pellami. Il problema principale della lavorazione laser è insito proprio nel materiale, o meglio nella sua variabilità. Infatti, contrariamente a quanto avviene in ambito meccanico, dove i materiali sono pressoché definiti e stabili nel tempo, nel caso dei prodotti conciari, non esiste un singolo materiale, ma una moltitudine di materiali, variabili d’anno in anno in funzione delle richieste del settore della moda. Questi materiali si diversificano in funzione del trattamento subito durante l’intero processo di concia. Durante tale processo, infatti, il materiale subisce una serie di trattamenti fisico-chimici che ne alterano profondamente la struttura, conferendogli le particolari funzionalità tecniche, estetiche e tattili. Il risultato è che, in funzione dei trattamenti e in particolare della finitura superficiale subita, ogni tipologia di pelle presenta un comportamento a se stante, dipendente anche della lunghezza d’onda della specifica sorgente. In queste condizioni, le sorgenti CO2 appaiono come la soluzione ideale, poiché la modalità d’interazione, prevalentemente termica, è indipendente dal tipo di materiale e dalla sua finitura. Questa caratteristica, se da una parte facilita il lavoro degli addetti al settore, dall’altra rappresenta la vera debolezza di questo tipo di sorgente, poiché non permette di sfruttare al massimo le caratteristiche del singolo tipo di pelle, producendo risultati più o meno costanti e monotoni. A titolo di esempio, in Figura 1, si riportano delle immagini di differenti pellami su cui sono state realizzate delle decorazioni, mediante taglio e incisione laser, utilizzando una sorgente CO2. In Figura 2 si riporta un dettaglio degli stessi pellami. Si noti l’assenza di cromatismi nella marcatura e la presenza di un’incisione profonda, sintomo di un’interazione violenta e invasiva. Inoltre, sempre a causa della modalità d’interazione (di tipo termico), a quanto detto prima, si aggiunge lo svantaggio di dovere eseguire una successiva fase di lavaggio necessaria a eliminare lo sgradevole odore tipico della pelle bruciata.
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Impiego delle sorgenti verdi nella lavorazione dei pellami
Per superare le limitazioni delle sorgenti CO2, il gruppo di lavoro ha realizzato uno studio sulla decorazione laser dei pellami. Lo studio è stato inizialmente focalizzato sulla ricerca di una sorgente alternativa e, una volta individuata, sullo sviluppo delle tecniche di decorazione su diverse tipologie di pellami. Scartata l’ipotesi iniziale di utilizzare sorgenti che emettono nel vicino infrarosso (λ=1064 nm), poiché garantivano la lavorabilità solo per un numero di tipologie di finiture molto ristretto, la scelta è ricaduta sulle sorgenti a stato solido di tipo “Verde”, con lunghezza d’onda λ=532 nm. In Tabella 1 si riportano i principali vantaggi e le limitazioni di questo tipo di sorgente. Dei vantaggi, quelli più importanti sono sicuramente la capacità di interagire con molteplici tipologie di finiture; le dimensioni dello spot, significativamente più piccole di quelle ottenibili con una sorgente CO2, e la possibilità di regolare la modalità d’interazione. Tra le limitazioni, oltre alla difficoltà che s’incontra nella realizzazione dei tagli, è da evidenziare che il comportamento e l’effetto estetico ottenibile sono fortemente condizionati dal tipo di finitura presente sul materiale. Di seguito questi concetti saranno illustrati con l’ausilio di alcuni esempi pratici che rappresentano i casi ricorrenti riscontrati durante la ricerca. Si precisa che gli esempi riportati sono stati realizzati utilizzando una sorgente Nd:YAG, riportata nel verde, di soli 4 W, dotata di movimentazione galvanometrica. Nella Tabella 2 si riportano le caratteristiche principali del sistema adoperato. In Figura 3 si riporta un’immagine di decorazioni realizzate su pellami caratterizzati da diversi trattamenti superficiali, in particolare: pelli verniciate; scamosciate e plastificate. Dalla figura si osserva che, nonostante la diversa tipologia di materiale e di finiture, tutte le pelli sono state marcate in maniera visibile. Questo conferma la versatilità della sorgente e la capacità di trattare pelli anche molto differenti tra loro. Ovviamente, il meccanismo d’interazione ottenibile cambia al cambiare del pellame e delle condizioni di lavorazione, andando dall’attivazione fotochimica, all’interazione di tipo termico, fino all’ablazione diretta del materiale. Questa caratteristica è ben visibile in Figura 4, dove si riporta un dettaglio di tre dei pellami riportati nella figura precedente. Nel primo caso, la decorazione è stata ottenuta sfruttando la decolorazione del pigmento deposto sulla pelle (interazione fotochimica). Il risultato finale consiste in una decorazione impalpabile a elevato contrasto. Nel secondo caso, pelle scamosciata, la marcatura è realizzata con un meccanismo simile a quello ottenibile con sorgenti CO2 (per bruciatura). Nell’ultimo caso, la decorazione è stata realizzata mediante viraggio del pigmento, ossia si è scurito il pigmento presente nella finitura superficiale. C’è da osservare che, rispetto a quanto ottenibile con una sorgente CO2, la lavorazione è sempre meno invasiva, di tipo impalpabile ed, in tutti e tre i casi, esente dal caratteristico odore di bruciato. Chiaramente i diversi meccanismi sono stati ottenuti regolando opportunamente i parametri di lavorazione ed in particolare la quantità d’energia ceduta sul materiale. Di contro, c’è da dire che non sempre è possibile ottenere gli stessi meccanismi su pelli diverse. Un altro vantaggio delle sorgenti verdi, derivante dall’uso di una minore lunghezza d’onda, è la possibilità, a parità di percorso ottico, di ottenere spot focali di dimensioni minori rispetto a quelle ottenibili con sorgenti CO2. Grazie a questa particolarità è possibile realizzare dei disegni con un’elevata risoluzione dei dettagli. Questo è chiaramente visibile nella Figura 5 dove, a parità di meccanismo d’interazione, si confronta il risultato ottenuto con una sorgente CO2 da 30W dotata di focale corta (100 mm) con quello ottenuto con una sorgente verde, dotata d’ottica con lunghezza focale maggiore (160 mm). Si noti come, nonostante la maggiore focale, la decorazione ottenuta con la sorgente verde appare ben dettagliata, anche quando si è realizzata la campitura di un’area. Grazie alla possibilità dei laser verdi di realizzare diversi meccanismi d’interazione e la capacità di dosarne meglio l’effetto, è possibile ottenere diverse gradazioni di colore e, quindi, realizzare decorazioni a più tonalità. Nelle Figure 6, 7 e 8 si riportano degli esempi di quanto detto su diverse tipologie di pellami. Nel caso del cuoio a concia naturale, Figura 6, le diverse colorazioni sono realizzate sfruttando un’interazione sempre di tipo termica, andando a lavorare il materiale in maniera più o meno intensa. Ciò nonostante, grazie al limitato spessore di materiale interessato dalla lavorazione, il caratteristico odore di pelle bruciata è pressoché assente. Oltre al cuoio, è possibile decorare con diverse tonalità anche pellami rifiniti in differente maniera, come visibile in Figura 7. Inoltre, nel caso d’opportune finiture è possibile attivare meccanismi diversi quali la decolorazione del pigmento o spingersi alla sua rimozione selettiva. Un esempio di quanto detto è riportato in Figura 8, dove è possibile osservare una decorazione che presenta due tonalità dello stesso colore: marrone scuro e marrone chiaro, di cui la prima è il colore iniziale, la seconda è ottenuta per decolorazione della finitura, più il colore del pellame di base (grigio), emerso dopo l’asportazione totale dello strato di finitura. Sfruttando le dimensioni contenute dello spot e la possibilità di graduare l’interazione, con i laser verdi, è possibile stampare immagini ad elevata risoluzione in tonalità di grigio, Figura 9. Da un punto di vista pratico, il processo avviene nella seguente maniera: si parte da un’immagine in scala di grigi; dopodiché si realizza la scansione della superficie da decorare col fascio laser, facendo in modo che ad ogni pixel dell’immagine corrisponda un singolo impulso avente energia proporzionale alla corrispondente tonalità nell’immagine. Sempre sfruttando la capacità di potere regolare il meccanismo d’interazione è possibile realizzare la fresatura laser del pellame, Figura 10. Il processo consiste nella scansione di una predeterminata superficie secondo una serie di linee parallele, distanziate di una quantità di poco inferiori alle dimensioni dello spot. Il controllo delle modalità d’interazione è ottenuto utilizzando impulsi ad elevata energia, che facilitano l’ablazione del materiale, e l’impiego di una velocità del fascio tale che, unita alla frequenza d’impulso, realizzi una bassa sovrapposizione spaziale tra due impulsi successivi. In questa maniera si evita il riscaldamento eccessivo del materiale che porterebbe alla nascita di bruciature ed, al contempo, si assicura l’asportazione omogenea del materiale da tutta la superficie trattata. Ovviamente, in queste condizioni di processo, la quantità di materiale asportato in una singola scansione è troppo modesta per generare un effetto tridimensionale consistente. Per cui, è necessario ripetere l’operazione più volte fino a ottenere la profondità voluta. Tuttavia, grazie all’elevata velocità d’esecuzione, la ripetizione dell’operazione di scansione non comporta eccessivi aumenti del tempo di lavorazione. Utilizzando la stessa tecnica e un rivestimento multistrato, ossia realizzato mediante la sovrapposizione di più colori l’uno sull’altro, è possibile dare luogo a decorazioni multicolori. In Figura 11, si riporta un esempio di tale lavorazione. In questo caso si è partiti da un pellame verniciato bianco su cui è stato deposto uno strato di vernice nera. Dopodiché, si è proceduto alla parziale rimozione di questa ultima mediante ablazione laser. Infine, a dimostrazione delle potenzialità e della flessibilità delle sorgenti verdi, si riporta un ultimo esempio in cui è stata realizzata una decorazione intravolume, Figura 12. In questo caso, il materiale di partenza è costituito da un pellame rivestito con una vernice lucida e trasparente alla lunghezza d’onda caratteristica del verde. Il fascio laser attraversa la vernice trasparente e altera la superficie sottostante generando la decorazione voluta. La criticità di questa lavorazione risiede nel calibrare in maniera fine la quantità d’energia ceduta, poiché c’è la possibilità di indurre un eccessivo riscaldamento della superficie inferiore con conseguente degrado della vernice trasparente.
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Sviluppi futuri della decorazione laser
I risultati della ricerca se da un lato hanno fatto emergere nuove potenzialità dei laser nella decorazione dei pellami, dall’altro hanno permesso di evidenziarne anche le limitazioni. In particolare, allo stato attuale, pur utilizzando le sorgenti verdi, non è possibile assicurare la lavorabilità di qualsiasi tipo di pelle, né tanto meno l’effetto finale ottenibile. Inoltre, per alcune tipologie di pellami e di modalità d’interazione (bruciatura), i tempi d’esecuzione del decoro sono ancora troppo alti perché possano adattarsi alle esigenze industriali. Per compiere un rilevante avanzamento e rendere questo processo d’interesse industriale, è necessario rivisitare la tecnica in maniera integrata, sia attraverso lo sviluppo dei sistemi di lavorazione che quello dei materiali adottati per la finitura. Rimanendo nell’ambito delle sorgenti verdi, questo significa sviluppare sorgenti di maggiore potenza e, magari, in grado di permettere anche le operazioni di taglio; ed ancora, realizzare sistemi ibridi con scansione galvanometrica e movimentazione cartesiana più accurate, capaci di permettere un corretto allineamento nelle operazioni di “merging” delle decorazioni che superano le dimensioni dell’area di lavoro tipiche degli scanner galvanometrici. Da un punto di vista del materiale, l’innovazione deve andare verso lo sviluppo di finiture capaci di assorbire bene le radiazioni laser e/o in grado di virare all’atto dell’esposizione alla radiazione. Finiture del genere permetterebbero un’efficace riduzione dei tempi e/o la realizzazione di decorazioni ad elevato contrasto. Ulteriori possibilità potrebbero ottenersi mediante l’adozione di vernici e finiture caricate con particelle in grado di virare alle lunghezze d’onda tipiche delle sorgenti che emettono nel vicino IR (λ=1064 nm), cosi come già realizzato nell’ambito del settore dei polimeri. Questa ultima soluzione consentirebbe di superare le limitazioni in termini di potenza delle sorgenti verdi, permettendo di raggiungere velocità di lavorazione sufficientemente elevate senza perdere il vantaggio di un’elevata definizione.
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New perspectives in laser decoration of leather
This paper summarizes the state of the art of the application of laser decoration on leather, by reporting the results of research conducted at the University of Naples by the Technologies and Manufacturing Systems Research Team, in collaboration with the CIRTIBS Research Centre. The use of the green laser sources, in the leather decoration, will be presented. The main advantages will be showed, comparing the green laser interaction modes to the ones obtainable adopting a CO2 laser source. The process strategies and decoration techniques will be presented showing some examples of work carried out on different leather kinds. Finally, the possible trends going into the future will be discusses.


QUALIFICHE AUTORI
Autori: Claudio Leoneab, Silvio Gennab
a Dipartimento di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale, Università degli Studi di Napoli Federico II, P.le Tecchio 80, 80125 Napoli, Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo..
b Centro Interuniversitario di Ricerca CIRTIBS, Università degli Studi di Napoli Federico II, P.le Tecchio 80, 80125 Napoli, Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo..

Ultima modifica ilMercoledì, 09 Luglio 2014 15:37

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