La modernizzazione da tempo attesa dei metodi di produzione della ceramica
La ceramica è stata uno dei primi materiali che i nostri antenati hanno saputo padroneggiare e trasformare in oggetti quali piastrelle, terracotta e mattoni. Con una tale acquisizione di competenze (le prime statuette di uomini e animali inargilla sono apparse intorno al 24000 a.C.) si può essere indotti a pensare che gli attuali produttori di ceramica utilizzino processi ben collaudati, con perdite o difetti minimi o nulli. La verità, tuttavia, è molto diversa: le modalità di produzione della ceramica, invece di migliorare con il tempo e l’esperienza, non sono cambiate più di tanto. Il processo di produzione è tuttora quello noto come formatura, attraverso il quale polveri inorganiche, con o senza l’aggiunta di acqua, vengono modellate sino a plasmare il prodotto desiderato, per poi essere cotte a temperature elevate, normalmente superiori ai 1 000 °C. «Entrambe le fasi sono essenziali per le proprietà meccaniche e la qualità del prodotto finale, ma ancora oggi la lavorazione e la progettazione della ceramica si fondono sostanzialmente su tentativi ed errori», afferma il prof. Andrea Piccolroaz, coordinatore del progetto CERMAT2 (New ceramic technologies and novel multifunctional ceramic devices and structures). «Conseguenza di questo approccio è un tasso di scarto estremamente elevato, che esercita un impatto non solo sui costi di produzione, ma anche sulla sostenibilità dell’industria della ceramica. Il fatto che quest’industria sia una delle più dispendiose in termini energetici e che sia responsabile di una gran parte dei gas a effetto serra e delle emissioni inquinanti non è così sorprendente.» CERMAT2 si propone di realizzare una vera rivoluzione, vale a dire l’abbandono dei metodi tradizionali utilizzati dall’industria della ceramica al fine di adottare un approccio più razionale e scientifico. Questo approccio, basato sulla modellazione meccanica non lineare avanzata, consisterebbe in una modellazione matematica costitutiva dei materiali ceramici, nell’analisi sperimentale, nella caratterizzazione e nella simulazione numerica attraverso il metodo degli elementi finiti. Con che obiettivo? Ottimizzare la progettazione mediante l’impiego della prototipazione virtuale, grazie alla quale il design viene convalidato in silico utilizzando software di progettazione computerizzato, senza far uso di un prototipo fisico. «Sviluppando con successo questo metodo, abbiamo ora offerto ai nostri partner industriali le routine numeriche e il software per la progettazione ottimale dei materiali ceramici», afferma entusiasta il prof. Piccolroaz. «Non si tratta solamente di un progresso nella nostra conoscenza dei materiali ceramici, ma anche di un passo in avanti nella progettazione meccanica della ceramica.» Il prof. Piccolroaz, grazie all’impiego della prototipazione virtuale, promette una riduzione significativa dei costi di fabbricazione alle industrie che desiderano cambiare i propri metodi produttivi. Inoltre, gli strumenti software sviluppati nell’ambito del progetto consentiranno la previsione delle proprietà meccaniche dei pezzi finali, il che dovrebbe incidere in maniera determinante sulla minimizzazione dei difetti e, di conseguenza, sulla riduzione degli scarti. CERMAT2 è terminato nell’ottobre 2017, ma i lavori sono comunque proseguiti. Tra gli obiettivi del progetto, figurava la formazione di una nuova generazione di giovani ricercatori di meccanica solida non lineare avanzata e implementazione numerica, con applicazioni nella produzione di ceramica. Alcuni di questi ricercatori hanno già creato una start-up di successo, allo scopo di generalizzare e diffondere i metodi di CERMAT2 in tutta l’industria della ceramica. «Continueremo la collaborazione con il settore per rendere la nostra nuova tecnologia il nuovo standard per la produzione di ceramica», conclude il prof. Piccolroaz.
Parole chiave
CERMAT2, ceramica, industria, prototipazione virtuale, costi di produzione, scarti