Produzione del Vetro Cavo

Le attuali macchine per il vetro cavo sono ad alimentazione a goccia e in base alle modalità con cui viene formato l'abbozzo si suddividono in:
1) a soffio;
2) per pressatura.
In ogni caso, le varie fasi dei processi meccanici di fabbricazione del vetro cavo ricordano la lavorazione manuale: dopo il prelievo della 'posta' di vetro (detta anche levata) mediante la canna, il soffiatore non introduce immediatamente tale posta nello stampo per la soffiatura finale. E' infatti necessario che la posta di vetro venga opportunamente raffreddata, sagomata e pre-soffiata prima della soffiatura finale, al fine di ottenere un prodotto finito di buona qualità.

Essa acquistò massimo sviluppo con l'invenzione della canna da soffio ed è fondata sull'energia di cui sono capaci i polmoni umani: l'aria introdotta attraverso la canna nell'interno di una massa di vetro incandescente, tolta dal crogiolo in quantità commisurata all'oggetto da produrre, riscaldandosi, agisce per pressione sulle pareti interne, genera lo stiramento della massa che man mano assume la forma voluta dall'abilità del maestro soffiatore.
La canna da soffio è un semplice tubo di acciaio: ad una estremità esso si restringe e forma l'imboccatura per soffiare; all'altra, invece, si allarga e serve per attingere e trattenere il vetro.
Attinto il vetro, all'estremità della canna si forma la pallina e poi, per nuovo ripetuto attingere, la levata completa, detta, con francesismo entrato nel gergo vetrario, paraison; segue la marmorizzazione che si ottiene rotolando la posta (l'asse di rotazione è la canna) sopra una lastra di metallo, per darle omogeneità di forma iniziale e di consistenza, operazione generalmente ripetuta più volte e alternata con soffiature leggere nella canna e con riscaldamenti del vetro nel forno per mantenerne la plasticità. In questo modo la posta viene sagomata nella forma più opportuna a seconda dell'oggetto che si vuole ottenere (cilindrica, sferica, conica ecc.) ed infine pre-soffiata; solo a questo punto, trasformata in abbozzo, viene soffiata nello stampo.
E' intuitivo che, mentre la forma esterna è determinata dallo stampo, la distribuzione degli spessori nell'oggetto finito è legata alla forma ed alla distribuzione delle temperature dell'abbozzo.
La distribuzione delle temperature deve essere la più uniforme possibile in quanto zone di vetro a temperature più alte e quindi a più bassa viscosità vengono maggiormente stirate nella soffiatura finale.
In definitiva si deve ridimensionare il ruolo dello stampo finitore, che ha le sole funzioni di conferire all'oggetto la forma esterna e di abbassare la temperatura del vetro ad un valore tale da evitare successive deformazioni. La qualità dell'oggetto finito risulta invece in gran parte determinata dalla precedente preparazione dell'abbozzo.
Nella lavorazione manuale si sono dunque distinte due principali fasi di lavorazione : una prima fase di preparazione dell'abbozzo e una seconda di soffiatura finale che conferisce all'oggetto la sua forma definitiva.

Nella lavorazione meccanica, qualunque sia il sistema di alimentazione, queste due fasi vengono ancora rispettate. La formazione dell'abbozzo viene in genere ottenuta in un primo stampo, detto appunto stampo abbozzatore, dal quale, con sistemi diversi a seconda del tipo di macchina, l'abbozzo viene trasferito al secondo stampo, finitore, dove avviene la soffiatura finale.
L'abbozzo, come inizialmente accennato, può essere ottenuto per soffiatura o per pressatura, mentre la forma definitiva si ottiene sempre mediante soffiatura.
Si hanno quindi due processi :
1) soffio - soffio ;
2) presso - soffio;

La temperatura dell'abbozzo, agli effetti della qualità dell'oggetto finito, deve essere la più uniforme possibile. Per questo motivo lo stampo deve essere alimentato con una posta di vetro a temperatura uniforme e che corrisponda alla viscosità di inizio lavorazione. Tenendo presente che il bagno di vetro nella vasca di lavorazione ha una temperatura superiore ai 1300°C, mentre la temperatura di alimentazione può variare da 1050 a 1250°C, risulta evidente la necessità di 'condizionare la temperatura del vetro'.
A ciò serve il feeder, un canale posto alla fine del forno. Esso è costituto da più zone : la prima di raffreddamento, una seconda di condizionamento ed infine una vaschetta forata che permette la fuoriuscita della goccia.
La prima zona consente al vetro di raffreddarsi di circa 150-200°C . A questo scopo, il canale è munito sia di dispositivi per immettere aria fredda, sia di piccoli bruciatori a gas, disposti secondo la lunghezza. Nella zona di condizionamento, munita anch'essa di numerosi, piccoli bruciatori, il vetro deve riacquistare l'omogeneità termica, perduta nel precedente raffreddamento.
Nel feeder il vetro può essere colorato, aggiungendo dei vetri bassofondenti intensamente colorati (fritta). In questo caso nel feeder vengono sistemati anche degli agitatori ( due o tre ) che contribuiscono alla rapida dispersione ed omogeneizzazione del colore. In questo modo è possibile, da un unico forno, ottenere oltre al vetro incolore, anche due o tre colori diversi.
L'alimentatore è costituito da una vaschetta collegata al canale di condizionamento,munita di uno o più fori ( cuvettes ) per l'uscita della goccia che è regolata dal movimento verticale alternativo di un pistone in refrattario.
Coassiali al pistone si trovano uno o due cilindri rotanti in materiale refrattario che contribuiscono a mantenere uniforme la temperatura del vetro. Infine, sotto il foro, sono disposte le forbici per staccare la goccia.

Processo soffio-soffio
La macchina I.S. ( Individual Section - a sezioni singole ), concepita fin dal 1925 e successivamente perfezionata, è prodotta oggi anche a 8 sezioni che possono lavorare a goccia multipla. Dopo il taglio delle forbici, la goccia viene guidata, con opportuni canali, alle singole sezioni.
Ogni sezione è costituita da uno stampo abbozzatore e da uno finitore disposti in linea. Il primo riceve la goccia in posizione capovolta ed è sormontato da un anello guida.
Attraverso il mandrino di testa avviene la soffiatura, quindi l'abbozzatore si apre e l'abbozzo, sostenuto dallo stampo dell'imboccatura, viene trasferito, mediante rotazione all'aria libera nello stampo finitore dove avviene la soffiatura finale.
La caratteristica principale di questa macchina è la possibilità di agire indipendentemente su ogni sezione, sia per quanto riguarda la regolazione (raffreddamento stampo, pressioni e tempi di soffiatura &), sia, in caso di necessità, di cambio stampi, senza fermare la macchina stessa.

Processo presso-soffio
Differisce dal processo soffio-soffio solo per la formatura dell'abbozzo che avviene per pressatura. Alcune macchine sono attrezzate per lavorare con entrambi i processi. Il processo presso-soffio è particolarmente indicato per produrre contenitori ad imboccatura larga (vasi).

Processo presso- soffio-girato
Nella macchina rotante, è lo stampo abbozzatore che va a disporsi sotto il foro della vaschetta per ricevere la goccia. L'abbozzo pressato viene fatto girare nello stampo finitore durante la soffiatura; questo permette di non avere sulla superficie segni dello stampo.

Con queste macchine automatiche il contenitore (bottiglia, vaso, ecc.) si forma in pochi secondi. Si è passati così da una produzione di alcune centinaia di pezzi in un laboratorio artigianale, a centinaia di migliaia che escono ogni giorno da un singolo impianto.

Le funzioni principali degli stampi sono: raffreddare l'oggetto prodotto per consentirgli di mantenere la forma e produrre oggetti con superfici di buona qualità.
Per soddisfare queste esigenze, gli stampi devono :
1) resistere alla corrosione da parte del fuso, 2) evitare l'adesione del vetro, 3) possedere un'elevata conducibilità termica ed infine 4) essere facilmente lavorabili.
Un caso a parte sono gli stampi in legno usati nella lavorazione artistica: all'atto della soffiatura l'umidità ( lo stampo viene, dopo ogni operazione, raffreddato per immersione in acqua) passa allo stato di vapore e questo,unitamente ai gas di combustione (del legno), protegge il vetro dal diretto contatto con la forma ( questo sistema funziona anche nelle macchine rotanti, con stampi in metallo trattato in superficie con leghe a base di nichel). Questo conferisce alla superficie una grande lucentezza, soprattutto se, all'atto della soffiatura, l'oggetto viene fatto girare nella forma. Unico inconveniente è il limitato numero di soffiature possibili.
Ancora oggi, stampi in legno, per il loro costo limitato, vengono usati nelle vetrerie artistiche per la produzione di prototipi.
Fino a qualche decina di anni fa, la ghisa era l'unico materiale usato per la produzione di stampi. Essa rimane ancora oggi il materiale più usato per il costo relativamente basso e per la sua elevata conducibilità termica.
Gli acciai, rispetto alla ghisa, presentano i vantaggi di una migliore lucidatura e di una buona resistenza all'ossidazione. D'altra parte è da tener presente la minore conducibilità e la durezza che rende difficile e costosa la lavorazione.
La possibilità del vetro di aderire allo stampo viene eliminata mediante raffreddamento e lubrificazione dello stampo stesso. I primi lubrificanti impiegati erano costituiti da oli e grassi che venivano applicati mediante tampone. Oggi viene largamente usata grafite colloidale, che migliora la qualità della superficie del vetro, diminuisce l'ossidazione dello stampo e l'adesione.
Oltre a conferire la forma, lo stampo ha la funzione di raffreddare l'oggetto di vetro: il vetro cede calore allo stampo e questo all'ambiente. La superficie a contatto con il vetro subisce delle brusche variazioni di temperatura che si smorzano rapidamente all'interno della parete. La superficie esterna viene raffreddata mediante aria in modo da mantenere la temperatura di quella interna più alta possibile per ottenere una buona superficie del vetro, senza tuttavia arrivare all'adesione.
Lo smaltimento del calore degli stampi in vetreria avviene essenzialmente per convezione forzata mediante aria ventilata : raffreddamento continuo della superficie esterna, discontinuo di quella interna o accoppiamento dei due metodi.

La superficie del contenitore viene solitamente protetta dai danni derivanti da urti e abrasioni mediante un doppio rivestimento: il primo (a caldo) si applica tra la formatura e la ricottura, il secondo (a freddo) subito dopo la ricottura (vd. forni di ricottura).
Il trattamento a caldo, è uno strato di ossidi metallici (generalmente ossido di stagno) che agisce da promotore di adesione per il trattamento a freddo che si trova all'esterno.
Quest'ultimo è un sottile strato lubrificante costituito da molecole organiche a lunga catena (esteri o acidi grassi) che, sporgendo verso l'esterno, impediscono il contatto diretto vetro-vetro. In tal modo si diminuisce il pericolo di microfratture (abrasioni) superficiali e di rottura in fase di imbottigliamento e rendono idrorepellente la superficie del vetro.

Le crescenti esigenze in materia di qualità e la necessità di mantenere il livello di produzione, hanno obbligato le vetrerie a mettere in atto controlli automatici in linea.
Le macchine usate sono optoelettroniche che permettono controlli dimensionali ed il rilevamento della presenza di screpolature sulla superficie, di bolle, di infusi e di deformazioni dell'oggetto e di difetti dello spessore. I pezzi difettosi vengono automaticamente scartati.

Negli ultimi decenni il vetro ha dovuto competere con altri materiali da imballaggio (plastica, tetra pack) più leggeri e sicuri. Un notevole sforzo è stato fatto dai produttori per migliorare i contenitori riducendone il peso di oltre 1/3 a pari prestazioni meccaniche.
Questo è stato ottenuto con una migliore omogeneità del vetro, con una sua migliore distribuzione nella sezione del contenitore,con trattamenti superficiali e con migliori controlli.

I metodi per la decorazione sono gli stessi usati per gli altri manufatti di vetro : serigrafia, sabbiatura, satinatura con acidi e verniciatura (Vd. Vetro piano: Decorazione a freddo).
Si deve aggiungere che, trattandosi di contenitori per uso alimentare o farmaceutico (considerati, per legge, imballaggi e destinati, dopo l'uso, al riciclo), il produttore deve tener conto delle disposizioni di legge riguardo alla sicurezza ed allo smaltimento di rifiuti tossici (uso di acidi, presenza di metalli pesanti come mercurio, cadmio, piombo solitamente contenuti negli smalti per la serigrafia e per la verniciatura); inoltre è necessario sapere a cosa servirà l'oggetto e come verrà utilizzato per effettuare tutti i controlli necessari e consegnare un prodotto idoneo all'uso richiesto.
Facciamo alcuni esempi.
Serigrafia
Dopo l'essicamento della decorazione, i contenitori vengono riscaldati ad una temperatura di circa 600°C per permettere allo smalto di fissarsi al vetro in modo permanente.
Conoscere l'utilizzo finale del contenitore serve anche per valutare il livello di ricottura in quanto, con determinati processi, si va a mutare la struttura molecolare del vetro, con conseguente indebolimento del contenitore.
Per esempio, nel caso di bottiglie per liquidi a pressione (spumanti, champagne) è necessario sapere a che pressione massima avviene l'imbottigliamento.
Sabbiatura
E' usata solo per lavorazioni particolari ed è importante che le bottiglie, così trattate, vengano accuratamente lavate prima dell'imbottigliamento.
E' da tener presente che questo tipo di trattamento provoca sulla superficie delle microfessure che incidono fisicamente sulla struttura del contenitore.
Satinatura con acidi
Questo trattamento è sconsigliabile in quanto, nonostante tutte le precauzioni, gli acidi possono entrare nel contenitore con i conseguenti rischi di residui acidi all'interno anche dopo il lavaggio.
Nuova tecnologia
Si tratta di una verniciatura a polvere ( 'White coating') che assomiglia molto alla satinatura tradizionale.
La bottiglia, così trattata, può essere serigrafata a freddo (80°C).
Con questo trattamento il vetro non viene intaccato per cui è particolarmente indicato per decorare bottiglie che devono garantire resistenza alla pressione interna.
Verniciatura
E' stato messo a punto un nuovo metodo di decorazione in cui vengono usate vernici ad acqua, contenenti pigmenti coloranti. L'effetto estetico è molto buono, ma il costo è ancora elevato.
Le bottiglie così verniciate possono essere anche serigrafate, utilizzando inchiostri fluidi che vengono cotti a basse temperature.