Titanium anodizing for color production

Titanium is nowadays a protagonist in an ever-growing range of industrial sectors, thanks to structural, chemical, and physical properties of its alloys, but also for those of its natural surface oxide, amorphous or with a certain degree of crystallinity. To exploit oxide properties, its thickness can be increased, and its morphology designed through anodization, an industrial process where titanium is polarized, due to the flow of current between it and a counter electrode, inside an electrolytic cell, both by galvanostatic and voltage ramp methods. Such oxide, initially few nanometers thick, experiences linear growth dictated by the applied cell voltage, below a given threshold above which other phenomenon come into play. Within this range of these two values, visible light optical interference phenomenon occurs, causing the appearance of the most disparate types of oxide colorations, which can be identified according to conventional systems, including CIELAB. Spectrophotometric analysis quantifies not only color, but also the thickness reached by the oxide, using chromatic information and the surface reflectance of samples of each wavelength belonging to the visible spectrum and processing this information through interference laws. Due to the interest nurtured by multiple sectors regarding these chromatic properties, a set of process conditions capable of producing colorations of remarkable homogeneity is the subject of research, in addition to the possibility of reproducing a given color afterwards as faithfully as possible. This goal is also to achieve in the desire to selectively color specific surface areas where to spatially confine anodizing, following an input pattern. In the context of a project between Italian universities concerning the production of jewelry in anodized titanium, attention turns towards increasing interdisciplinary collaboration with the latest industrial additive manufacturing technologies.

Il titanio è ormai protagonista in una gamma crescente di settori industriali, grazie alle proprietà strutturali, chimiche e fisiche delle sue leghe, ma anche per quelle del suo ossido superficiale naturale, amorfo o con un certo grado di cristallinità. Per sfruttare le proprietà dell'ossido, il suo spessore può essere aumentato e la sua morfologia progettata attraverso l'anodizzazione, un processo industriale in cui il titanio è polarizzato, a causa del flusso di corrente tra esso e un controelettrodo, all'interno di una cella elettrolitica, sia tramite metodi galvanostatici che tramite rampa di tensione. Tale ossido, inizialmente spesso pochi nanometri, subisce una crescita lineare dettata dalla tensione della cella applicata, al di sotto di una soglia data, al di sopra della quale entrano in gioco altri fenomeni. Entro l’intervallo di questi due valori, si verifica il fenomeno dell'interferenza ottica della luce visibile, causando la comparsa dei più disparati tipi di colorazioni dell'ossido, che possono essere identificati secondo sistemi convenzionali, tra cui il sistema CIELAB. L'analisi spettrofotometrica quantifica il colore e lo spessore raggiunto dall'ossido, utilizzando informazioni cromatiche e la riflettanza superficiale dei campioni di ciascuna lunghezza d'onda appartenente allo spettro visibile, ed elaborando tali informazioni attraverso le leggi dell'interferenza. A causa dell'interesse nutrito da più settori riguardo a queste proprietà cromatiche, un insieme di condizioni di processo capaci di produrre colorazioni di notevole omogeneità è oggetto di ricerca, oltre alla possibilità di riprodurre un dato colore successivamente il più fedelmente possibile. Medesimi scopi si vogliono raggiungere nel desiderio di colorare selettivamente specifiche aree superficiali, ove confinare spazialmente l'anodizzazione, seguendo uno schema di input. Nell’ottica di un progetto tra atenei italiani volto alla produzione di gioielleria in titanio anodizzato, si guarda ad una sempre maggiore interdisciplinarità con le ultime tecnologie industriali di manifattura additiva.