La colorazione degli impasti ceramici per via secca ha rappresentato una delle innovazioni tecnologiche più significative degli ultimi anni. Lo sviluppo di questa tecnica ha avuto infatti conseguenze di grandissima portata sul processo produttivo del gres porcellanato, a partire da una importante semplificazione e flessibilità produttiva.
Come noto, il processo consiste nell’ottenere un rivestimento dei granuli di polvere atomizzata con uno strato di pigmento colorante opportunamente micronizzato e dosato. Il passaggio dei materiali (atomizzato e coloranti) all’interno di uno speciale miscelatore/coloratore garantisce la completa adesione del pigmento colorante alle particelle di atomizzato e di conseguenza la perfetta omogeneizzazione del prodotto finale.
LB Officine Meccaniche S.p.A. è stata la prima azienda ad ideare e mettere a punto un sistema di colorazione a secco per atomizzati ed è titolare dei brevetti internazionali relativi a questo processo.
Con oltre 250 linee “Easy- Color” installate in tutto il mondo LB rappresenta senza dubbio il principale punto di riferimento per questa tecnologia.
1 – IL NUOVO “EASY-COLOR SYSTEM”
Per ottimizzare il processo di colorazione a secco LB è intervenuta per migliorare tutte le fasi di lavoro, dal trasporto degli ossidi al loro dosaggio, alla fase di omogeneizzazione del materiale alla gestione della pesatura ed alla supervisione del sistema. Di seguito verranno descritti alcuni aspetti tecnici che confermano come il sistema “Easy-Color” rappresenti l’espressione più avanzata del processo di colorazione a secco, con particolare attenzione alle fasi di dosaggio e pesatura dei pigmenti coloranti ed al nuovo sistema di controllo e supervisione del processo.
1.1 – IL TRASPORTO DEI COLORANTI
I pigmenti coloranti sono composti solidi inorganici realizzati con ossidi o miscele di ossidi. Caratterizzati da una granulometria molto fine compresa tra 4 e 9 micron, una densità variabile tra 0,5 e 1,3 g/cm cubo ed una umidità praticamente pari a 0, i pigmenti possono essere fluidificati per renderli più scorrevoli e facilitarne il trasporto.
Nel nuovo “Easy Color System” il trasporto dei coloranti ai miscodosatori avviene in modo aspirato in alta depressione. Questo previene qualsiasi fuoriuscita di materiale che essendo estremamente volatile potrebbe provocare problemi di tipo ambientale .Da una serie di contenitori a terra i pigmenti vengono così trasferiti al sistema di dosaggio composto da una batteria dei nuovi microdosatori IRIS, completi di un sistema di precarica per la gestione del livello del materiale. Per una migliore gestione della fase di carico, i pigmenti coloranti possono essere scaricati direttamente da big-bag.
1.2 – IL DOSAGGIO DEI COLORANTI
Il nuovo dosatore IRIS è stato progettato da LB per migliorare la precisione e l’affidabilità del dosaggio dei pigmenti. IRIS è in sostanza un sistema di dosaggio gravimetrico a coclea completo di uno strumento di misurazione del peso (cella di carico).
Dal punto di vista costruttivo, la macchina è dotata di una tramoggia superiore per alimentare in modo costante la coclea di dosaggio. All’interno del corpo del dosatore è posto un dispositivo rompiponte motorizzato per garantire l’omogeneizzazione del materiale, un suo corretto scorrimento ed il completo riempimento della coclea dosatrice.
Le variazioni di dosaggio si ottengono regolando la velocità di rotazione della coclea, che viene azionata tramite motore “brushless” al fine di avere massima ampiezza nel campo di regolazione.
Un sistema di dosaggio gravimetrico di questo tipo richiede che il materiale venga trasferito in modo uniforme dalla sezione di alimentazione a quella di scarico. La scelta del profilo della coclea viene effettuata sulla base delle caratteristiche fisiche e chimiche del materiale da dosare al fine di ottimizzare l’efficienza di trasporto. Si evitano inoltre fenomeni indesiderati quali aderenze che possono causare fenomeni di intasamento progressivo o, al contrario, effetti di eccessiva scorrevolezza ed incontrollabilità del prodotto in uscita.
Durante il funzionamento, e secondo intervalli di tempo regolari (10 msec) il sistema di misura converte il peso del materiale presente nel dosatore in un segnale da trasmettere al sistema di controllo. Quest’ultimo confronta il dato con un valore di set-point e all’occorrenza apporta un’azione correttiva agendo sulla velocità di rotazione della coclea.
Per garantire continuità di funzionamento, il dosatore viene alimentato prima che si vuoti completamente. La fase di alimentazione è moto rapida e dipende dalla capacità oraria richiesta.
Ciò che fa partire e arrestare la fase di alimentazione del dosatore sono i livelli di peso minimo e massimo rilevati dalla cella di carico del dosatore.
1.3 – IL SISTEMA DI MISURAZIONE DEL PESO
Il sistema di pesatura utilizzato nei sistemi di dosaggio del processo “Easy-Color” si basa su un metodo di misurazione diretto della forza peso. Questa grandezza viene resa disponibile nella forma di segnale elettrico grazie ad un trasduttore.
L’acquisizione delle misure del peso è garantita da una cella di carico. Per consentire una elaborazione dei dati mediante le tecniche di calcolo tipiche dei sistemi computerizzati il segnale deve essere poi trattato da un convertitore analogico /digitale.
1.3.1. – LA CELLA DI CARICO
Le celle di carico installate sui dosatori LB si basano su tecnologia a “strain gauges” dove l’elemento sensibile è costituito da un estensimetro.
Questo misura le deformazioni dell’elemento elastico a cui è fissato in modo solidale quando quest’ultimo viene sottoposto ad un carico.
La forza peso viene infatti trasformata in una variazione di resistenza e quindi in un segnale elettrico, misurato tipicamente in volt, successivamente elaborato da un convertitore a/d.
1.3.2 – IL CONVERTITORE A/D
Il convertitore a/d trasforma il segnale analogico prodotto dalla cella di carico in un corrispondente valore binario (24 bit) tramite le operazioni di campionamento, quantizzazione e codifica. Mediante il campionamento il segnale analogico viene valutato a intervalli temporali equispaziati di un tempo T camp denominato periodo di campionamento, ottenendo in questo modo una sequenza di numeri a valori reali. Di questi numeri viene data una rappresentazione in aritmetica binaria su un numero finito di cifre (bit) attraverso le operazioni di quantizzazione e codifica.
1.3.3. – I FILTRI DIGITALI
L’insieme costituito da un sistema di dosaggio nelle sue parti meccaniche, elettriche ed elettroniche genera durante il funzionamento una serie di disturbi. Si tratta sia di vibrazioni meccaniche indotte dagli organi in movimento che di disturbi di natura propriamente elettrica ed elettronica.
L a necessità di attutire od eliminare completamente questi disturbi richiede l’utilizzo di filtri doftware o digitali. I filtri digitali solitamente utilizzati sono filtri cosiddetti “di media”. Caratteristica di questa tipologia di filtri è quella di operare una media aritmetica, talvolta integrata con criteri discrezionali determinati in base al processo da controllare, su un numero di campioni scelto sulla base di elementi caratteristici del processo.
1.3.4. – TARATURA DEL SISTEMA DI PESATURA
La taratura consiste nel verificare la corrispondenza tra il segnale di uscita dal sistema di misura e il materiale effettivamente dosato. Nel caso del sistema Easy-Color ad un valore di peso espresso in punti misurato dal convertitore viene associato un peso espresso in grammi utilizzando la relazione espressa dalla rispettiva curva di taratura.
Per il processo di taratura si utilizzano generalmente campioni di peso con diversi valori nominali utilizzando solitamente un numero ridotto di valori campione, spesso solamente due, che sono la tara del dosatore (lo zero virtuale) e un peso che può assumere valori diversi a seconda delle applicazioni.
La procedura di calibrazione risulta quindi semplice ed estremamente rapida (circa2 minuti).
1.4 – IL SISTEMA DI CONTROLLO
Il servizio richiesto ad un dosatore in continuo utilizzato in ambito industriale è di erogare una quantità di materiale secondo una portata predeterminata. L a precisione ottenibile dipende da vari fattori, in particolare dalla tipologia del dosatore stesso, che può essere di tipo volumetrico o gravimetrico.
Nel primo caso il sistema viene progettato per realizzare una specifica portata volumetrica e solitamente non è possibile raggiungere precisioni migliori del 2 – 5%. Questa scelta si rivela non appropriata nel caso della colorazione a secco di impasti ceramici in quanto le caratteristiche di fluidità dei pigmenti coloranti tendono a modificarsi nel tempo in modo incontrollabile (variazioni delle condizioni ambientali), o a fronte di cambiamenti della densità apparente del materiale da dosare ( materiale che arriva al dosatore mediante trasporti che possono ventilarlo o compattarlo). Inoltre questi sistemi si rivelano poco funzionali nel caso di cambio frequente di materiali con varie densità che generano portate diverse a parità di velocità di dosaggio.
Un sistema di dosaggio gravimetrico fornisce al contrario ottime garanzie prestazionali. Questo eroga materiale secondo un determinato set-point di portata impostato dall’operatore. Attraverso una misura continua del peso si ottiene il valore della portata reale che, confrontata al set-point, fa si che il sistema di controllo reagisca di conseguenza e si autoregoli. In questo modo è possibile operare con grande accuratezza anche a bassissime portate ed ottenere precisioni inferiori all’1%.
La metodologia di controllo utilizzata in passato dai sistemi di colorazione LB era denominata Loss In Weight (decremento di peso). Essa basava il suo principio di regolazione sul controllo diretto della portata. L’innovativa metodologia introdotta oggi da nuovo sistema “Easy-Color” viene invece denominata Predetermined Loss In Weight (decremento di peso predeterminato). Essa di basa sul controllo indiretto della portata mediante il confronto tra la misura del decremento di peso e uno specifico setpoint di riferimento. Quest’ultimo è costituito da una retta che rappresenta la riduzione del peso nel tempo e predeterminata a partire da valore di setpoint di portata impastato.
Un sistema basato sul controllo diretto della portata (Loss In Weight) richiede il calcolo del rapporto tra un peso e un tempo rilevati ad ogni ciclo macchina. Per ottenere un risultato affidabile è necessario che il sistema rilevi una variazione di peso apprezzabile, il che può richiedere un certo tempo specialmente operando a basse portate.
Al contrario il metodo oggi proposto da LB ( Predetermined Loss In Weight) operando direttamente sul peso e non sulla portata calcolata, consente di trattare le misure direttamente in ambito statistico. Si ha quindi la possibilità di attuare una pronta regolazione, praticamente in tempo reale .Evidenti sono i vantaggi di questo nuovo sistema quando il cambio delle ricette è richiesto con una certa frequenza, in quanto si riduce praticamente a zero il tempo tra la fine di una produzione ed il funzionamento a pieno regime della successiva.
Un ulteriore elemento di innovazione del nuovo “Easy-Color System” è rappresentato dall’utilizzo di hardware di largo consumo e non più di soluzioni eccessivamente “personalizzate” penalizzanti per l’utilizzatore del sistema.
Il sistema di controllo prevede infatti la gestione delle operazioni di trasporto, dosaggio e pesatura tramite PLC industriale e non più utilizzando schede elettroniche prodotte per un uso specifico che risultavano essere più costose, meno affidabili e più difficili da reperire in caso di problemi di funzionamento.
1.5 – LA MISCELAZIONE
Il processo di omogeneizzazione tra polveri atomizzate e pigmenti coloranti avviene grazie al passaggio del materiale attraverso un coloratore continuo. Questa fase riveste grande importanza per la qualità del prodotto finale ed è pertanto essenziale che la macchina utilizzata dia le opportune garanzie prestazionali,
Il nuovo “Easy Color System” prevede l’utilizzo del coloratore continuo TWIST, una macchina innovativa derivata dal coloratore GRC, di cui mantiene la caratteristica forma sinusoidale.
Nella prima parte del coloratore, di forma cilindrica, vengono caricati la polvere atomizzata ed i pigmenti coloranti. All’interno della camera, tramite la rotazione di un corpo intensificatore alettato, avviene la dispersione dei pigmenti nell’atomizzato. La velocità di rotazione del corpo esterno e dell’elemento intensificatore interno sono differenziate fra loro e variabili con regolazione indipendente. Il successivo passaggio dei granelli colorati nella parte a forma sinusoidale consente una corretta distribuzione superficiale degli ossidi ed una loro completa adesione alla polvere atomizzata.
Il coloratore Twist è dotato di un dispositivo automatico per consentire la corretta gestione di fine ciclo e cambio colore in modo rapido ed efficace.
Twist è ad oggi l’unico coloratore in grado di prevenire eventuali fuoriuscite di ossido colorante libero, cioè non perfettamente aggrappato alle particelle di atomizzato.
1.6 – LA SUPERVISIONE DELL’IMPIANTO
Tutti gli impianti Easy-Color sono forniti da LB completi di supervisione – effettuata negli ambienti più comuni – che permette di ottenere dal processo produttivo tutti i dati necessari quali condizioni di funzionamento, report totali di produzione, consumi, etc. Inoltre, gli impianti possono essere completati con servizio di teleassistenza per la risoluzione a distanza di eventuali problemi di funzionamento.’