Cold spray. Metallizzazione di PC, ABS e alluminio

Cold Spray is an innovative coating technology that enables the deposition of a wide range of materials directly into a solid state. The process involves the injection of material powder into a preheated gas stream which expands at supersonic speeds through a de Laval nozzle. The high kinetic energy acquired by the powder enables it to deform on impact with the substrate and - above a certain threshold value known as 'critical velocity' - remain adhered to the surface. The use of kinetic rather than thermal energy provides CS coatings with a number of technological advantages over traditional thermal spraying, offering new insights into the treatment of this process as a potential tool for implementation in the world of industrial design. The first part of the paper discusses the fundamental concepts behind the process and concludes with an overview of the most recent application areas (aerospace, industrial, medical, electronics, etc.). This introduction aims to make known the dynamics of coating accumulation depending on the substrate type and to expose the main advantages of cold spraying in comparison with other Thermal Spray technologies. All elements necessary to support the main argument of the Thesis: The deposition by masking of metallic coatings on 3 materials: PC, ABS and aluminum. My research proposes to introduce the Cold Spray technology in the production processes of the suitcases and, from the benchmark conducted on hard cases, these three materials are among the most common in this sector. In experimental terms, the possibility of carrying out cold deposition of copper coatings on substrates (PC, ABS and aluminum) of limited thickness is therefore evaluated. Beyond the increase of the mechanical and aesthetic properties of the surfaces, the choice of copper as spraying material is due to its excellent compatibility with the Cold Spray technology and, given the unhealthy environments with which very often the cases interact, to its intrinsic antibacteriality. The second part of the research begins with an in-depth analysis of the CS literature regarding the metallization of the polymeric substrates that will be the object of the tests, namely PC and ABS. Furthermore, given the similarity of some properties with these two materials, the effects of cold deposition on the PC/ABS blend will also be evaluated. Here we will see how the different nature of the polymeric substrates results in a different adhesion mechanism from the more common metal-on-metal depositions. Therefore, it will be possible to understand how spray parameters and conditions can affect substrate integrity, surface adhesion and deposition quality. After a comprehensive overview of how the process works, we will move on to the experimental part of the research where the first step is the design of the metal mask, in which the shapes and sizes of the logo designed for the lab will be made compatible with the laser cutting technology. The masking will be necessary in the pursuit of the final goal: to obtain a metal coating well adhered to the surface and especially able to reproduce a pattern with well-defined contours on all substrates tested. Therefore, evaluations will be carried out on the correct distance to be placed between the mask and the substrate, on the effects of temperature and gas pressure, in order to avoid inaccurate contours, delaminations of the coating, erosive phenomena or deformation of the substrate. In addition to varying the spraying conditions according to substrate properties, the interaction of the mask with the sprayed particles will also be observed to assess their reuse and to verify that the impact with the powder does not cause dangerous rebounds that could clog the nozzle. The conclusions will propose some solutions for the refinement of the parameters in order to further improve the quality of the obtained coatings and the deposition dynamics for each type of substrate. At the end of the discussion we will then be able to determine if cold spraying can be considered a useful tool to functionalize the surfaces of the materials tested (PC, ABS and aluminum) while at the same time maintaining some control over the shape and aesthetic qualities of the coating.

Il Cold Spray è un’innovativa tecnologia di rivestimento che consente la deposizione di una vasta gamma di materiali direttamente allo stato solido. Il processo consiste nell’iniezione di polvere di materiale in un flusso di gas preriscaldato che, per mezzo di un ugello de Laval, si espande fino a raggiungere velocità supersoniche. L’elevata energia cinetica acquisita dalla polvere le consente di deformarsi all’impatto con il substrato e - superato un certo valore di soglia, noto come “velocità critica” - rimanere adeso alla superficie. L’utilizzo di energia cinetica anziché termica fornisce ai rivestimenti CS numerosi vantaggi tecnologici rispetto allo spray termico tradizionale, offrendo nuovi spunti per la trattazione di tale processo come un potenziale strumento da implementare nel mondo del design industriale. La prima parte dell’elaborato discute i concetti fondamentali alla base del processo e si conclude con una panoramica sui più recenti ambiti di applicazione (aerospaziale, industriale, medico, elettronico ecc.). Tale introduzione ha lo scopo di rendere note le dinamiche di accumulo del rivestimento a seconda del tipo substrato ed esporre i principali vantaggi della spruzzatura a freddo a confronto con le altre tecnologie Thermal Spray. Tutti elementi necessari per supportare l'argomentazione principale della Tesi: La deposizione tramite mascheratura di rivestimenti metallici su 3 materiali: PC, ABS e alluminio. La mia ricerca propone di inserire la tecnologia Cold Spray all’interno dei processi produttivi delle valigie e, dal benchmark condotto sulle custodie rigide, questi tre materiali risultano essere tra quelli più diffusi all’interno di questo settore. In termini sperimentali si valuta quindi la possibilità di effettuare deposizioni a freddo di rivestimenti di rame su substrati (di PC, ABS e alluminio) di spessore limitato. Al di là dell’aumento delle proprietà meccaniche ed estetiche delle superfici, la scelta del rame come materiale di spruzzatura si deve alla sua ottima compatibilità con la tecnologia Cold Spray e, visti gli ambienti poco salubri con cui molto spesso le valigie interagiscono, alla sua intrinseca antibattericità. La seconda parte della ricerca inizia con un’approfondita analisi della letteratura CS riguardante la metallizzazione dei substrati polimerici che saranno oggetto dei test, ossia PC e ABS. Inoltre, data la somiglianza di alcune proprietà con questi due materiali, si valuteranno anche gli effetti della deposizione a freddo sulla miscela PC/ABS. Qui vedremo come la diversa natura dei substrati polimerici comporti un meccanismo di adesione differente dalle più comuni deposizioni metallo su metallo. Pertanto sarà possibile comprendere come i parametri e le condizioni di spruzzatura possono influenzare l’integrità del substrato, l’adesione alla superficie e la qualità del deposito. Dopo un quadro esaustivo sul funzionamento del processo si passa alla parte sperimentale della ricerca che vede come primo step la progettazione della maschera metallica, in cui le forme e le dimensioni del logo disegnato per il laboratorio verranno rese compatibili con la tecnologia di taglio laser. La mascheratura sarà necessaria nel perseguimento dell’obiettivo finale: ottenere un rivestimento metallico ben adeso alla superficie e soprattutto in grado di riprodurre un pattern dai contorni ben definiti su tutti i substrati testati. Saranno quindi effettuate delle valutazioni sulla corretta distanza da apporre tra la maschera e il substrato, sugli effetti della temperatura e della pressione del gas, al fine di evitare contorni poco precisi, delaminazioni del rivestimento, fenomeni erosivi o deformazioni del substrato. Oltre a variare le condizioni di spruzzatura a seconda delle proprietà del substrato, verrà osservata anche l’interazione della maschera con le particelle spruzzate per valutarne il riutilizzo e verificare che l’impatto con la polvere non causi rimbalzi pericolosi che potrebbero ostruire l’ugello. Le conclusioni proporranno alcune soluzioni per il perfezionamento dei parametri, al fine di migliorare ulteriormente la qualità dei rivestimenti ottenuti e le dinamiche di deposizione per ogni tipologia di substrato. Alla fine della discussione saremo quindi in grado di determinare se la spruzzatura a freddo può essere considerata uno strumento utile per funzionalizzare le superfici dei materiali testati (PC, ABS e alluminio) pur mantenendo allo stesso tempo un certo controllo sulla forma e le qualità estetiche del rivestimento.