a speech by Vera Benincasa

Simulating processes has been mandatory in many companies from the most diverse manufacturing sectors for years. One only need think of the aviation industry where companies must be absolutely certain that the components produced have no micro-structural defects whatsoever and where a rejected part cannot be re-processed. 
Casting process simulation identifies areas subject to defects and helps to design the casting system in the most efficient manner. It also allows the causes of any inefficiency to be analysed and to understand how to increase productivity.
This system has been used for over twenty years in smelting processes in the automotive and aerospace industries and for some years now, it has also been adopted by our sector. 
In the jewellery world, lost wax micro-casting has always been linked to operator experience or trial and error. Nowadays, simulation software can optimize the entire process starting from the very first prototype design to the mass production of jewellery items. 

The micro-casting process is one of the oldest methods for producing many types of article.
Different peoples and cultures used this process to produce tools, objects and statues in bronze. One very famous example is the Bronze Riace Warriors that were salvaged from the sea in 1907, 2500 years after they were made in Greece in the sixth century BC.
The process developed over the centuries, evolving from a simple artistic method and demonstrating exceptional versatility.
Micro-casting, or lost wax casting, has been used for many years in the automotive and aerospace technology sectors, however, this process, although highly reliable, still presents defects.  

In the jewellery world, the most common and problematic defects are:
– incomplete filling of the cast
– porosity by retraction.
While cases of the first type of defect are limited to specific kinds of production (filigree, particular alloys, complex geometries…), the second can be found in all micro-cast products because it is intrinsically linked to the solidification process of the metal alloy.

It is on this latter category of defect that we will be focusing our attention.
Up until a few decades ago, “Trial and Error” was the obligatory method of trying to solve the problem of porosity by retraction.
With practice and experience, the aim was to minimize and hide the defect.
In order to obtain a commendable result, modest amounts of time and metal needed to be invested.
Simulating the process in a virtual environment minimizes this investment and achieves a better result in less time.

Nowadays, simulation software has reached a high level of precision so that excellent results can be obtained in terms of product development times and the production process can be improved.
The use of casting process simulation software in the jewellery sector is relatively recent although it is constantly on the increase due to the growing request for quality on the part of the big jewellery companies.

Simulation software works when there is a deep knowledge of the entire process. For this reason, the more it is used, the more information will be available to configure the process and the more the results provided by the software will correspond to industrial needs.

The software used for this study is produced by the French ESI Group and is called ProCAST.
It is an advanced and complete tool and has been on the market for over 20 years. It is widely used in various industrial fields. The software is based on finite element technology and is able to simulate a long list of real processes. This study focuses on the module for simulating the lost wax casting process.

A knowledge of metallurgy and the production process is necessary to be able to use the software to its best advantage. With the help of the SW, the process technologist can work out the best conditions for a reliable and robust micro-casting process.

The software consists of the following environments:
– MESH
– CAST
– VISUAL

MESH is the environment in which our object, starting from the CAD model, is broken down into minor elements (mesh) that the then software uses to understand the points on which to calculate the thermal exchange and solidification equations. The operator decides on the size of the mesh in accordance with various factors. Besides the object of our study, the mould into which we will be casting the metal in order to accurately simulate our process must also be designed and “meshed”.

CAST is the environment where all the parameters to be taken into account in our process are inserted: type of alloy, process temperature, pressure of the metal as it goes into the mould, entry section, thermal exchange, radiation phenomena, etc…

VISUAL is the ideal environment for observing and measuring the simulation results and, depending on what is being analysed and measured, different physical measurements can be viewed (temperature range, solid fraction, voids, porosity, flow speed, etc…)
With the help of Procast, it is extremely easy to foresee where the defects of a particular micro-cast will be and how large these defects effectively are.

Thanks to the software, we can quickly and fully investigate the porosity by retraction defect.

The problem of porosity by retraction is strictly correlated to the solidification concept. In fact, porosity by retraction occurs when the metal status turns from liquid to solid: the metal undergoes a volumetric contraction and, where the volume retracts, dendritic structures, which can become larger as the alloy hardens, can emerge on the surfaces.

Dendrites are tree-like structures that form during metal alloy solidification. The metal forms crystals that grow and solidify in the most energetically favourable crystallographic directions. If cooling is fast, dendrite growth is limited. On the other hand, if cooling is slow, the dendrites will be larger and, in the worst scenarios, visible to the naked eye in the volumetric retraction zone.

Volumetric contraction is intrinsic to the solidification process and therefore, porosity by retraction is an inevitable defect in the casting process.
Porosity by retraction cannot be eliminated but it can be conveyed to strategic points by encouraging directional solidification.

When a metal alloy solidifies, the last volume to do so, that is, the one that stays “hot” the longest, will be the part that contains porosity by retraction.
In designing a casting system, it is therefore essential to study the thermo-dynamic factors that lead to controlled solidification: the casting channels, feeders and risers are to be designed and sized so as to be able to correctly feed the piece being produced and, at the same time, “keep” retraction out of the areas of interest.

To study the solidification of micro-cast objects, it is important to consider the cooling module.
The cooling module, or thermal module, is given by the ratio between mass and surface of an object M=V/S.
Starting with volume, if the surface of the object is greater, solidification time will drop drastically. Solidification time depends on M and also on the type of material and the object’s geometry.
Studying solidification time is essential for shifting the direction of solidification. 

Let’s take a very simple object, such as a wedding band, for example.
Being circular and symmetrical, the point in which we put the feeder is of no importance. What is important, however, is the feeder’s section and geometry.
Below is an example of the solidification simulations of the same ring with three different feeders in ascending section size.

As can be seen in the picture above, the feeder with the largest section tapered towards the metal entry section is the one that fills the cast and directs ring solidification correctly. 

As further evidence of the correctness of feeder 3’s design, we can see, again by simulation, a reduction in porosity (in purple) in the diagrams below.

Now let’s look at another simple ring geometry, but this time with a variable section.

In this case, since the geometry is not symmetrical, the point at which we feed the ring is of fundamental importance. Figure 7 below shows the progress of solidification based on the point chosen for positioning the cast feed.

Solidification observed in the previous figure leads to porosity in the areas highlighted in figure 8.

The results can be verified by observing the actual components cast. When using simulation software, it is extremely important to calibrate the reliability of the software with one’s own casting process.  
The photographs below show the surfaces of the ring analysed and cast with the two different feeder positionings:

Similarly, taking a larger object, we can see that the same directional solidification rules can be applied in this case too.
The figure being examined is a “C” which could be used to make half a bracelet.

In the first example, let’s consider the item with the same type of feed but cast with different parameters. The response variation to the change in temperature, both in the mould and in casting, is particularly notable.

As can be seen from the diagrams, as the temperature rises, the size of the porosities decreases. This happens because the metal is given more time to solidify in a directional manner. In this case, however, only modifying the process parameters does not solve the problem at the root.
It is therefore necessary to modify the feed. Let’s look at two different feeds.

The figure below shows the simulation of the solidification process in both cases.

Analysing the figure on the left, it can be noted that the six feed spokes are solidifying before the bracelet itself has solidified (as in the previous example), thus “blocking” the way for the metal to continue to feed the object correctly. In the figure on the right, however, we can see how the four spokes are feeding the piece well, resulting in a directional solidification towards the heart of the column.

Evidence of the efficiency of type B feeding position can be given by analysing the porosity.
In figure 16, it can be noted how, in case B, the object has no porosity, while in case A, there are six porosity nuclei exactly where the metal took longer to cool.

The accurateness of these simulations is shown in the photographs below.

The analysis of these simple geometries demonstrates the validity of simulation. The software can precisely predict which areas will be affected by defects and their size.
The micro-casting simulation process is a useful tool for the technologist who cannot totally eliminate the “Trial and Error” process but can limit it in the virtual simulation environment, thus reducing product industrialization times and costs.

The fundamental tool for using casting simulation software is CAD 3D modelling.
In fact, as already mentioned, in order to be able to simulate the casting process, it is absolutely necessary to start from a 3D model of both the casting system we want to simulate and the mould in which we will be casting the metal.
The more accurate the initial model is, the more accurate the simulation results will be.
Moreover, CAD modelling offers the advantage of being able to rapidly design and simulate various types of feeding points and casting systems.
By simulating different feeding points, we can find the best one for our item.
By carrying out casting simulation at the beginning of the design process, it would immediately be possible to identify errors in the design and intervene by modifying the model’s geometry.   
If modifying the item is not possible, then acting on the other parameters (feeding, process parameters, etc..) will become necessary.

Once the importance of simulating each individual detail has been understood, new possibilities for more complex casting systems can be explored. By simulating an entire casting tree, for example, it is possible to analyse the entire process and optimize it.

In conclusion, introducing this technology into the jewellery supply chain is undoubtedly helpful for moving towards better production performances and benefits companies that want to use additional forces and means in their production processes.

Resources and study are needed to take best advantage of this technology. Nevertheless, the benefits resulting from its usage (savings in time and means as well as the effectiveness of the results obtained) eliminate every uncertainty. In time, this will be the only way to proceed in jewellery industrialization, as has already happened in other production sectors.

una relazione di Vera Benincasa

Simulare i processi è da anni obbligo in molte realtà dei più disparati settori produttivi, basti pensare al settore aeronautico dove è necessario essere certi che i componenti prodotti siano esenti da difettosità microstrutturali anche minime e dove un pezzo di scarto non può essere rilavorato.
La simulazione dei processi di colata consente di identificare le aree soggette a difetti e aiuta a progettare il sistema di colata nel modo più efficiente, consente di analizzare le cause di inefficienza e di comprendere come aumentare la produttività.
Questo sistema è utilizzato da più di vent’ anni nei processi di fonderia legati al settore automotive e aerospace, ma da qualche anno si è avvicinata anche al nostro settore.
Nel mondo orafo la microfusione a cera persa è sempre stata legata all’esperienza degli operatori oppure ad operazioni di trial and error.
Oggi, con i software di simulazione, si può ottimizzare tutto il processo a partire dal primissimo disegno del prototipo fino alla produzione in massa dei gioielli.

Il processo di microfusione è uno dei più antichi metodi per la produzione di manufatti di svariato genere.
Popoli e culture diverse hanno impiegato questo processo per la produzione di strumenti, oggetti e statue in bronzo. Un esempio famosissimo sono i bronzi di Riace, ritrovati in mare nel 1907 dopo 2500 anni dalla loro produzione nella Grecia del VI secolo a.C.
Nel corso dei secoli, il processo si sviluppato, evolvendo da semplice metodo artistici e dimostrando una eccezionale versatilità.
La microfusione, o fusione a cera persa, viene utilizzata da tantissimi anni nei settori tecnologici dell’ automotive e dell’ aerospace tuttavia tale processo, benché molto affidabile, non è esente da difetti.

Nel mondo del gioiello i difetti più diffusi e più problematici sono sicuramente:
– mancato riempimento del getto
– porosità da ritiro
Mentre per la prima tipologia di difettosità le casistiche sono limitate a produzioni specifiche (filigrane, leghe particolari, geometrie complesse, ..) la seconda è riscontrabile sul 100% dei prodotti microfusi poiché intrinsecamente legato al processo di solidificazione delle leghe metalliche.

È su quest’ultima categoria di difettosità che focalizzeremo la nostra attenzione.
Fino a pochi decenni fa, per affrontare la problematica delle porosità da ritiro era obbligatorio passare attraverso processi di “Trial and Error”.
Con pratica ed esperienza si puntava a minimizzare ed occultare il difetto.
Per arrivare ad un risultato apprezzabile era necessario investire modeste quantità di tempo e metallo.
Simulare il processo in un ambiente virtuale, consente di minimizzare questo investimento, giungendo in tempi ridotti ad un risultato migliore.

Oggi i software di simulazione sono giunti ad un alto livello di precisione consentendo di ottenere ottimi risultati termini di tempo di sviluppo del prodotto e consentendo di migliorare il processo produttivo.
L’utilizzo del software di simulazione del processo di colata nel settore orafo è relativamente recente ma in costante espansione a causa di una crescente richiesta di qualità da parte delle grandi case orafe.

I software di simulazione funzionano grazie alla conoscenza approfondita dell’intero processo, per questo motivo maggiore è il loro utilizzo, maggiori informazioni si hanno a disposizione per configurare il processo, maggiore sarà la rispondenza dei riscontri forniti dal SW alla realtà industriale.

Il software utilizzato per questo studio è della casa francese ESI Group e si chiama ProCAST.
Si tratta di uno strumento avanzato e completo, sul mercato da oltre 20 anni ed ampiamente utilizzato in diversi campi industriali. Il software si basa sulla tecnologia agli elementi finiti ed è in grado di simulare un lungo elenco di processi reali. Nel caso in studio l’attenzione è focalizzata sul modulo per la simulazione del processo di colata a cera persa.

Per poter utilizzare al meglio il software è necessario avere delle conoscenze di metallurgia e del processo produttivo. Il tecnologo di processo può con l’ausilio del SW studiare le migliori condizioni affinché il processo di microfusione sia affidabile e robusto.

Il software consta dei seguenti ambienti:
– MESH
– CAST
– VISUAL

MESH è l’ambiente all’interno del quale il nostro oggetto, a partire dal modello CAD, viene scomposto in elementi minori (mesh) che il software usa per sapere i punti ove calcolare le equazioni di scambio termico e di solidificazione. La dimensione delle mesh è scelta dall’operatore in base a diversi fattori. Oltre all’oggetto del nostro studio, bisogna disegnare e “meshare” anche lo stampo all’interno del quale andremo a colare il metallo per poter simulare in maniera accurata il nostro processo.

CAST è l’ambiente dove inserire tutti i parametri di cui tener conto nel nostro processo: tipo di lega, tipo di stampo, temperature di processo, pressione di ingresso del metallo nello stampo, sezione di ingresso, scambio termico, fenomeni di irraggiamento, etc..

VISUAL è l’ambiente idoneo all’osservazione e alla misurazione dei risultati della simulazione e in base a ciò che si vuole analizzare e misurare si possono visualizzare grandezze fisiche differenti (range di temperature, frazione solida, vuoti, porosità, velocità di flusso, ecc..)

Con l’ausilio di Procast è molto semplice prevedere dove saranno i difetti sul particolare microfuso e quali sono le entità effettive di questi difetti.

Grazie al software possiamo sviscerare in poco tempo il difetto della porosità da ritiro.

Il problema della porosità da ritiro è strettamente correlato al concetto di solidificazione. La porosità da ritiro, infatti, viene a crearsi quando il metallo passa dallo stato liquido allo stato solido: il metallo subisce una contrazione volumetrica e nella zona del ritiro di volume possono affiorare in superficie le strutture dendritiche che si accrescono in fase di solidificazione della lega.

Le dendriti sono strutture ad albero che si formano durante la solidificazione delle leghe metalliche. Il metallo forma cristalli che si accrescono e solidificano nelle direzioni cristallografiche energeticamente più favorevoli. Con un raffreddamento rapido l’accrescimento delle dendriti è limitato. Mentre con un raffreddamento lento si ottengono delle dendriti di dimensioni maggiori, nei casi peggiori visibili a occhio nudo nella zona del ritiro volumetrico.

La contrazione volumetrica è intrinseca al processo di solidificazione e, quindi, la porosità da ritiro è una difettosità inevitabile nel processo di fusione.
La porosità da ritiro non può essere eliminata, ma può essere veicolata in punti strategici promuovendo la solidificazione direzionale.

Nella solidificazione di una lega metallica, l’ultimo volume a solidificare, ovvero quello che rimane “caldo” per più tempo, sarà quello che conterrà le porosità da ritiro.
Nella progettazione di un sistema di colata è fondamentale, quindi, lo studio dei fattori termodinamici che portano ad una solidificazione controllata: i canali di colata, gli alimentatori e le materozze vanno studiati e dimensionati in maniera tale da riuscire ad alimentare correttamente il pezzo da realizzare e allo stesso tempo “trattenere” il ritiro fuori dalle zone di interesse.

Per studiare la solidificazione degli oggetti microfusi è importante considerare il modulo di raffreddamento.
Il modulo di raffreddamento, o modulo termico, è dato da rapporto tra massa e superficie di un oggetto M=V/S. A parità di volume, se la superficie dell’oggetto è maggiore, il tempo di solidificazione diminuisce drasticamente. Il tempo di solidificazione è una funzione di M, e dipende anche dal tipo di materiale e dalla geometria dell’oggetto. Studiare il tempo di solidificazione è fondamentale per veicolare la direzione di solidificazione.

Prendiamo ad esempio un oggetto molto semplice, come può essere una fede.
Avendo una geometria circolare e simmetrica il punto in cui andremo a mettere l’alimentatore non ha importanza. Ha importanza, però, la sezione e la geometria di quest’ultimo. Di seguito sono riportati come esempio le simulazioni della solidificazione della stessa fede ma con tre alimentatori a sezione crescente.

Come si può vedere nell’ultima immagine, l’alimentatore con sezione maggiore e rastremato verso la sezione di imbocco del metallo è quello che consente il corretto riempimento del getto e la solidificazione direzionale della fede.

A riprova della correttezza della progettazione dell’alimentatore 3 possiamo vedere, sempre dalla simulazione, la riduzione di porosità (in viola) nell’ultima immagine.

Prendiamo ora ad esempio un’altra geometria semplice di un anello, ma stavolta con sezione variabile.

In questo caso, essendo la geometria non simmetrica, il punto in cui andremo ad alimentare l’anello è di fondamentale importanza. Di seguito vediamo nella fig 5 l’andamento della solidificazione a seconda del punto dove si è scelto di mettere l’alimentazione del getto.

La solidificazione osservata nella figura precedente, conduce alla presenza di porosità nelle zone evidenziate nella figura 6.

I risultati possono essere verificati osservando i componenti fusi. E’ molto importante, nell’utilizzo dei software di simulazione, tarare l’affidabilità del software con il proprio processo di fusione.
Di seguito sono riportate le immagini delle superfici dell’anello analizzato e fuso con i due diversi posizionamenti dell’alimentatore:

Allo stesso modo prendendo in esame un oggetto di dimensioni maggiori, possiamo vedere che le stesse regole della solidificazione direzionale sono applicabili anche in questo caso.
La figura in esame è una “C” che potrebbe essere utilizzata per realizzare la metà di un bracciale.

Nel primo esempio prendiamo in considerazione il pezzo con la stessa tipologia di alimentazione ma fuso con parametri diversi. In particolare si può notare la variazione di risposta al variare della temperatura, sia di stampo che di fusione.

Come si può notare dalle immagini, al crescere della temperatura le dimensioni delle porosità decrescono. Questo avviene perché si da più tempo al metallo per solidificare in maniera direzionale. In questo caso, tuttavia, il solo variare dei parametri di processo non riesce a risolvere il problema alla radice.
È necessario, quindi, modificare l’alimentazione. Prendiamo in esame due tipologie di alimentazioni.

Di seguito possiamo vedere la simulazione del processo di solidificazione in entrambi casi.

Analizzando la figura a sinistra si può notare che i sei raggi di alimentazione stanno solidificando prima che il bracciale sia esso stesso solidificato (come nell’esempio precedente), “chiudendo” le strade al metallo per continuare ad alimentare correttamente il pezzo. Nella figura a destra, invece, si nota come i quattro raggi vadano ad alimentare bene il pazzo consentendo una solidificazione direzionale verso il cuore del piantone.

La riprova dell’efficienza dell’alimentazione tipo B è data dall’analisi delle porosità.
In figura 16 si può notare come nel caso B il pezzo sia esente da porosità, mentre nel caso A si riscontrino sei nuclei di porosità da ritiro esattamente dove il metallo ha raffreddato per ultimo sul pezzo.

Le evidenze di queste simulazioni sono riportate nelle immagini seguenti.

L’analisi di queste geometrie semplici dimostra la validità della simulazione. Il software è in grado di prevedere con precisione quali saranno le zone affette da difetti e l’entità di questi ultimi.
La simulazione del processo di microfusione è uno strumento utile al tecnologo che non elimina del tutto il processo di “Trial and Error” ma lo limita all’ambiente virtuale della simulazione abbattendo i tempi e i costi dell’industrializzazione del prodotto.

Lo strumento fondamentale per l’utilizzo del software di simulazione di colata è la modellazione CAD 3D.
Come si è già detto, infatti, per poter simulare il processo di colata è indispensabile partire da un modello 3D, sia del sistema di colata che vogliamo simulare sia dello stampo all’interno del quale andremo a colare il metallo.
Quanto più è accurato il modello di partenza, tanto più saranno accurati i risultati della simulazione.
La modellazione CAD offre anche il vantaggio di poter disegnare e simulare in tempi rapidi diverse tipologie di alimentazioni e di sistemi di colata.
Simulando diverse alimentazioni potremmo stabilire la più idonea al nostro particolare.
Prevedendo la simulazione di colata all’inizio del processo di progettazione, sarebbe possibile individuare da subito eventuali errori di design e intervenire modificando la geometria del modello.
Laddove non è possibile modificare il design del pezzo, si dovrà forzatamente andare ad agire su altri parametri (alimentazioni, parametri di processo, etc..) 

Una volta capita l’importanza della simulazione sul singolo particolare, è possibile esplorare nuove possibilità per sistemi di colata complessi.
Simulare un intero albero di fusione consente, ad esempio, di analizzare il processo nel suo insieme e di ottimizzarlo.

Concludendo l’introduzione di questa tecnologia nella filiera della creazione orafa è senza dubbio di aiuto alla transizione verso una produzione più performante e mette il “turbo” alle aziende che vogliono impiegare forze e mezzi per implementarla nei loro processi produttivi.

Per poter sfruttare al meglio questa tecnologia occorrono mezzi e studio, tuttavia i vantaggi risultanti dal suo utilizzo (il risparmio di tempo, mezzi e l’efficacia dei risultati ottenuti) abbattono tutte le incertezze. Nel tempo questo diventerà l’unico modo di procedere per industrializzare un manufatto orafo, così come già avviene in tutti gli altri settori di produzione.

una relazione di Antonello Donini

Stiamo parlando di DIAMANTE SINTETICO.
Carbonio (C)  cristallizzato nel sistema cubico disposto nel reticolo secondo la configurazione spaziale tetraedrica.
Come accade nel diamante naturale tale configurazione conferisce a  questo materiale proprietà che lo rendono unico nel suo genere.

Non parliamo quindi di una imitazione ma di vero e proprio diamante prodotto con metodi artificiali di sintesi fatti dall’uomo e non dalla natura.

I primi tentativi di  realizzare in laboratorio l’esatta controparte sintetica del diamante sono databili intorno alla fine del 19° secolo, ma  il primo successo storicamente documentato risale alla prima metà degli anni ’50 del 20° secolo, quando i ricercatori dell’americana General Electric hanno sintetizzato i primi piccoli cristalli di diamante.

Sempre la General Electric, circa 20 anni dopo, ha realizzato i primi diamanti sintetici aventi dimensioni sufficienti per poter avere un utilizzo come gemma, seguita negli  anni ’80 dalla giapponese Sumitomo, dalla De Beers e verso l’inizio degli anni ’90, da laboratori  russi.

Metodi di sintesi

Metodo di produzione HPHT

Il metodo si basa sulle condizioni che hanno permesso in natura la formazione del diamante ovvero alte pressioni ed alte temperature.

All’interno delle celle di reazione contenenti  cristalli-seme, una lega/soluzione metallica (ad esempio nickel e ferro) che funge da fondente/catalizzatore, il nutriente (solitamente grafite) viene esposto a condizioni di alte pressioni ed alte temperature (tra 1400 e 1600°C e tra 50 e 60 kbar) grazie a elementi riscaldanti e presse.
Il carbonio si dissolve nel fondente e si deposita quindi sui cristalli seme posti solitamente in una zona della cella con temperatura inferiore sotto forma di diamante.

Metodo HPHT  BARS

Metodo HPHT  TOROID

Metodo HPHT  CUBOID

Una importante problematica da affrontare per questo metodo di sintesi è quello di tenere lontana la presenza di azoto responsabile di una colorazione verde giallo alla bruna dei cristalli sintetizzati.
L’utilizzo di nuove leghe metalliche utilizzate come fondenti, con l’aggiunta di particolari elementi (come alluminio, cobalto o rame) che permettono di fissare l’azoto facendo in modo che non rientri nel reticolo del diamante.

Si ottengono così diamanti incolori (tipo Iia) o con lieve colorazione  bluastra per la presenza di lievissime quantità di boro (tipo IIb).

DIAMANTE SINTETICO CVD

Ha il grosso vantaggio di avvenire a basse pressioni, nell’ordine di 10-200 torr.

Nella camera viene creato un plasma che rompe la molecola di metano o altro gas contenente C.

Il carbonio si va quindi poi a depositare sotto forma di diamante su un substrato solitamente costituito da sottili semi di diamante.

Elementi utili alla identificazione

I diamanti sintetici incolori CVD sono in generale del tipo IIa ovvero composti da solo carbonio.

Per eliminare una possibile componente bruna presente nei diamanti cristallizzati con questo metodo dovuta a dislocazioni, vengono sottoposti a un post trattamento HPHT in grado di eliminarla.

Al microscopio i diamanti sintetici HPHT mostrano spesso caratteristiche figure di crescita, correlate ai settori di crescita cubici e ottaedrici.

È possibile rilevarle in corrispondenza di zonature di diversa fluorescenza o nella distribuzione del colore all’interno della pietra che segue questi settori di crescita.
Le inclusioni  caratteristiche, ma non sempre presenti, sono residui di fondente che si presentano come inclusioni nere e opache con lustro metallico.

Le inclusioni  caratteristiche, ma non sempre presenti, sono residui di fondente che si presentano come inclusioni nere e opache con lustro metallico o estesi gruppi di inclusioni puntiformi (probabilmente minute particelle di fondente disperso).

I diamanti sintetici CVD potrebbero avere minute inclusioni scure (residui carboniosi) con aloni di tensione probabilmente generati da un post trattamento termico utilizzato per migliorare il colore delle gemme.

Molti diamanti sintetici HPHT mostrano una caratteristica fluorescenza da gialla a verde giallastra agli UVL (365 nm) e agli UVC (254 nm).

Le impurità che vengono assorbite nella struttura del diamante sintetico durante la sua crescita tendono a concentrarsi ciascuna in determinati settori di crescita, ciò origina caratteristiche figure di fluorescenza, a forma di croce o ottagonali, mai viste in diamanti naturali.

Spesso, a differenza di quanto accade nei naturali, la reazione è più intensa all’onda corta che a quella lunga.

I diamanti naturali generalmente mostrano una fluorescenza più o meno marcata di colore blu (più raramente gialla e, meno comunemente ancora, verde o rosa), abbastanza uniforme e, comunque,  più marcata all’onda lunga che all’onda corta.

La presenza di fosforescenza solitamente persistente (rarissima in natura e atipica nelle pietre incolori) è un buon segno identificativo.
Sono infatti i diamanti di tipo IIb estremamente rari in natura (contenenti boro) che presentano questo effetto solitamente di breve durata.

Una caratteristica particolare dei diamanti prodotti con il metodo HPHT è quello di mostrare poche o lievi birifrangenze anomale al contrario dei diamanti naturali. Nei sintetici CVD le birifrangenze anomale sono generalmente simili a quelle dei diamanti di tipo IIa naturali ovvero con una specie  di graticcio, spesso orientato secondo la direzione di deposizione dei cristalli.

Esistono però cristalli sintetici CVD di qualità “ottica” (QUINDI OTTICAMENTE PERFETTI ED OMOGENEI) privi di birifrangenze anomale.

Identificazione certa solo attraverso tecniche analitiche avanzate

La spettrofotometria IR (infrarosso) è un ottimo aiuto per riconoscere la tipologia del diamante ovvero per verificare la presenza o assenza di tracce di alcuni elementi fondamentali. SI hanno così potenziali informazioni per isolare tipologie di diamante che potrebbero essere compatibili con una produzione sintetica.

I Diamanti sintetici incolori sono di tipo IIa (azoto presente in quantità talmente piccola da non poter essere rilevato strumentalmente con IR), mentre quelli blu, come i loro analoghi naturali, sono di tipo IIb (presenza di boro). La presenza del tipo IIb ovvero di tracce di boro è riscontrabile spesso in moltissimi diamanti sintetici incolori. Sono stati anche visti in commercio diamanti sintetici di colore rosa dovuto ad un post trattamento per irraggiamento e successivo riscaldamento a bassa temperatura. E’ bene ricordare che le prime produzioni, proprio per la presenza di azoto prevedevano colorazioni nel giallo con diverse sfumature di bruno o bruno verdastro. Alcuni diamanti di questo tipo trattati per irraggiamento hanno assunto un vivacissimo colore rosso.

Allo spettrofotomentro UV-VIS-NIR la componente Ib presente nei diamanti sintetici giallo verdi genera un assorbimento a partire dai 500 nm verso l’ultravioletto.
Molti diamanti mostrano, una serie di assorbimenti tra 470 nm e 700 nm, dei quali il più evidente è a  658 nm. Questi picchi sono dovuti alla presenza di nickel all’interno della struttura cristallina presente nel catalizzatore.
I diamanti incolori sintetici di tipo IIa sono trasparenti sino a 270 nm.

Presenza di elementi come nickel, ferro, alluminio, cobalto, rame o gli altri metalli impiegati nella crescita, possono essere identificati mediante un’analisi chimica con fluorescenza ai raggi X (EDXRF).

Attraverso la Fotoluminescenza è possibile rilevare centri di colore diagnostici grazie alle tracce di impurità presenti   quindi riconoscere la natura sintetica.

La osservazione degli effetti di luminescenza ad uv molto corti può essere molto utile per riconoscere i diamanti sintetici.  

Quadro della situazione commerciale

I produttori di diamanti sintetico sostengono che:

I diamanti prodotti artificialmente in laboratorio hanno essenzialmente la stessa composizione chimica, struttura cristallina, proprietà ottiche e fisiche dei diamanti estratti dalle miniere: sono quindi diamanti al 100%. L’unica differenza tra i diamanti sintetici e quelli estratti è che uno è stato creato all’interno ed estratto dalla Terra e l’altro è stato creato in un laboratorio all’avanguardia.

Sono numerosi i produttori che sintetizzano diamante soprattutto per scopi industriali.

In gioielleria la dimensione delle gemme sfaccettate ha raggiunto dimensioni decisamente importanti: sono state viste gemme di oltre 10 ct. Ma la maggiore diffusione di questo prodotto si ha su gemme fino ad un max di 2,00 ct e nei lotti melèe (da meno di un punto fino a 0,25 ct).

Costante crescita e diffusione nel settore orafo dell’utilizzo di questo materiale gemmologico, trascinato dall’intensivo e sempre maggiore impiego industriale di questo materiale.
Ampiamente utilizzato negli strumenti come superabrasivi, mole, utensili da taglio, strumenti di perforazione e lucidatura, prodotti dell’industria automobilistica, medica, aerospaziale ed elettronica.

Per i costi di manifattura e per importanza di mercato fanno la parte del leone i paesi asiatici, seguiti dal nord America.

Commercialmente stanno avendo un forte spunto e diffusione soprattutto negli USA e in Giappone.

A fornire un forte discapito per chi tratta il naturale, la FTC statunitense (Federal Trade Commission, organo legislativo commerciale) ha permesso che queste sintesi potessero essere chiamate come “grown diamonds”.
Ha inoltre stabilito che il “diamante sintetico” è da considerarsi come vero e proprio “diamante” permettendo ai produttori di sintetici di commercializzare i loro prodotti come «reali» / «veri» (real diamonds).

Il resto del mondo e le norme ISO internazionali prevedono che questo materiale gemmologico debba essere chiamato, ai fini della chiarezza nei confronti del consumatore solo come  “diamante sintetico” al pari di qualsiasi altra sintesi.
Nessuna altra definizione o semplificazione è ammessa.
ISO 18323:2015

Il costo di questo materiale è attualmente inferiore al naturale di circa il 30-40% ma sono previste ulteriori diminuzioni dovute ad una sempre maggiore diffusione e alla riduzione dei costi di produzione.

I diamanti sintetici rappresentano attualmente circa Il 2% del mercato globale.
Ci si aspetta che entro il 2030 tale quota possa salire al 10%.
Per pietre con peso attorno al 0,50-1,50 ct, adatte ad un impiego come solitario ovvero per un anello da fidanzamento la quota del 7,5% potrebbero essere raggiunta già nel 2020.

Per il «melèe» si potrebbe arrivare ad una quota del 15% nei prossimi due anni.

La diffusione di questo materiale nel melèe potrebbe essere intensificata da una progressiva  scarsità di diamanti estratti in natura in quanto è attesa la chiusura della miniera di Argyle (ormai quasi esausta) che attualmente fornisce la maggior parte dei diamanti piccoli del mondo.

Difficile quindi fare oggi delle previsioni su quale sarà il reale impatto di questo materiale sul mercato dei preziosi.

Le nuove generazioni sembrano, dagli studi di marketing, positivamente favorevoli all’utilizzo di questo nuovo materiale in ornamentazione.

Il diamante sta perdendo quel fascino di pietra simbolo di rarità e amore eterno per raggiungere sempre più lo status di gemma a larga diffusione.
I consumatori iniziano  a percepire i diamanti sintetici come allettanti: è possibile avere gemme più grandi a prezzi più bassi e, soprattutto, fare un investimento «privo di sensi di colpa».
È attiva una importante operazione mediatica per pubblicizzare queste gemme come maggiormente “etiche” rispetto le naturali.
I giovani, essendo giustamente orientati all’ambiente e al non sfruttamento di risorse naturali e soprattutto umane, mostrano maggiore interesse per questo tipo di gemme, rispetto le generazioni precedenti coinvolte maggiormente sulla unicità e rarità del singolo gioiello.

Grossi nomi dello spettacolo e del mondo web come Di Caprio, Lady Gaga, Penelope Cruz o i possessori di Facebook, Twitter e eBay hanno pubblicizzato o persino finanziato strutture per la produzione di diamanti sintetici, credendo nel loro futuro.
La Diamond Foundry uno degli ultimi produttori statunitensi comparsi sul mercato ha dichiarato di essere attualmente l’unico produttore di diamanti certificato “carbon neutral”, in quanto i suoi diamanti sono fabbricati in un reattore al plasma ad energia idroelettrica.
Sostiene inoltre che: “l’estrazione mineraria ha un impatto ambientale maggiore rispetto a qualsiasi altra attività umana. Per un singolo carato di diamante, devono essere scavate circa 250 tonnellate di terra, e vengono rilasciati notevoli quantità di inquinamento atmosferico con l’emissione pesante di anidride carbonica”.

De Beers attraverso il marchio LIGHTBOX ha iniziato la commercializzazione on-line di linee di gioielleria con diamanti sintetici incolori, azzurri e rosa ad un costo molto basso cercando di accaparrarsi una importante fetta di mercato mondiale. (1.00 ct 800,00 US$ – 0.50 ct 400.00 US$ – 0.25 ct 250.00 US$).

Dagli studi più del 60% degli intervistati sarebbero disposti, interessati all’acquisto di un diamante sintetico su un anello di fidanzamento, per il costo inferiore del materiale permettendo così di avere gemme di dimensione maggiore ad un costo inferiore.

I consumatori con disponibilità economica solitamente più legati al fascino, al mistico all’unico  e all’irripetibile…sembrano invece mostrare molto interesse per questo materiale.

I produttori di diamanti sintetici sono stati in grado di interessare i cosiddetti «millennials» promuovendo il Lab Grown Diamond  come high-tech, innovativo e pulito.

In tutti gli aspetti della loro vita cercano marchi, aziende e prodotti che ritengono trasparenti, socialmente e rispettosi dell’ambiente.

Il consumatore non crede ormai più nel valore dei diamanti o del gioiello in generale.

Ci sono infatti stati nel tempo diversi fattori che hanno diffuso sfiducia nel settore.

• Operatori commerciali poco trasparenti
• Scarsa conoscenza dei materiali e del mercato da parte degli operatori
• Scarsa resa dei diamanti da investimento
• Poche certezze

Occorre però tener conto che: un diamante naturale anche se di brutta qualità avrà sempre un possibile acquirente.
Non esiste invece un mercato secondario per i diamanti sintetici, soprattutto perché i commercianti di diamanti attuali tendenzialmente non li trattano.
Il «buon affare», il risparmio che si può avere acquistando un diamante sintetico, sfuma quando si pensa al fatto che sarà impossibile rivenderlo.

Al momento il quadro è decisamente confuso, poco chiaro. Gli operatori del mondo, dati gli interessi economici che ruotano attorno al materiale naturale, sono decisamente preoccupati e spaventati dalla improvvisa diffusione e dal numero delle operazioni mediatiche che stanno ruotando attorno al diamante sintetico.

Ma se guardiamo al passato quello che sta accadendo ora è stato promosso nello stesso ed identico modo in passato quando DeBeers all’inizio del secolo scorso attraverso operazioni mediatiche mirate e personaggi dello spettacolo (pensiamo a Marylin Monroe e alla frasi «i diamanti sono i migliori amici delle ragazze» e «li diamante è per sempre») ha diffuso l’uso del diamante in gioielleria in modo che potesse diventare per tutti «simbolo di vero amore eterno».

Quindi difficile dare una risposta al quesito iniziale anzi, possiamo aggiungere ora un altro quesito: “il diamante sintetico potrebbe essere una opportunità?”

a speech by Antonello Donini

We are talking about

SYNTHETIC DIAMOND

Crystalized carbon (C) in the cubic system and arranged tetrahedrally within the grid.

As with natural diamond, this configuration gives the material properties that make it unique. 

Therefore, we are not speaking of an imitation but of an authentic diamond produced by artificial synthesis methods made by man rather than by nature.

Initial attempts to produce the exact synthetic counterpart of diamond in the laboratory date back to the late 19th century, although the first historical success was recorded in the early 1950s when researchers at the American company, General Electric, synthetized the first small diamond crystals.

About 20 years later, General Electric was also the first to create synthetic diamonds large enough to be used as gems. This success was followed by the Japanese company, Sumitomo, and De Beers in the 1980s and by Russian laboratories in the ‘90s. 

Synthesis methods

The HPHT production method

This method is based on the conditions that led to diamond formation in nature, i.e. high pressure and high temperature.

Crystal seeds, a metal alloy/solution (e.g. nickel and iron), which acts as an amalgamate/catalyst, and the nutrient (usually graphite) are placed inside the reaction cell and exposed to high pressure and high temperatures (between 1400 and 1600° C and between 50 and 60 kbars) using heating elements and presses.
The carbon dissolves into the amalgamate and then deposits on the crystal seeds in diamond form, usually in a part of the cell where the temperature is lower.

HPHT method  BARS

HPHT method  TOROID

HPHT method  CUBOID

An important problem to face in this synthesis method is keeping any nitrogen responsible for the yellow-green to brown colouring of the synthetized crystals at bay.
Using new metal alloys as amalgamates, with the addition of particular elements (such as aluminium, cobalt or copper) fixes the nitrogen so that it cannot go back into the diamond grid.
Colourless diamonds (like lla diamonds) or those with a slightly bluish colour due to a very slight quantity of boron (type Ilb), are thus obtained.

CVD SYNTHETIC DIAMONDS

This method has the advantage of taking place at low pressures of about 10-200 torr.
A plasma is created in the chamber that breaks the molecule of the methane or other carbon-containing gas.
The carbon is then deposited in diamond form on a substrate usually made of tiny diamond seeds.

Useful identification elements

Colourless, CVD synthetic diamonds are generally of the Ila type, i.e. purely carbon.

In order to eliminate any possible brown components in crystalized diamonds that may occur with this method due to dislocations, the stones are subsequently subjected to an HPHT treatment which can eliminate them. 

Under the microscope, synthetic HPHT diamonds often show characteristic growth shapes, correlated to sectors of cubic and octahedral growth.

This growth can be found in zonings of various fluorescence or in the colour distribution within the stone that follows these growth sectors.
Characteristic inclusions, not always present, are amalgamate residues  that look like black and opaque inclusions with a metallic shine.

Characteristic inclusions, not always present, are amalgamate residues that look like black and opaque inclusions with a metallic shine or large groups of punctiform inclusions (probably minute particles of dispersed amalgamate).

CVD synthetic diamonds can have minute, dark inclusions (carbon residues) with tension streaks probably generated by subsequent heat treatment used to improve the colour of the gems.

Many HPHT synthetic diamonds have a typical fluorescence that ranges from yellow to a yellowish green under UVL (365 nm) and UVC (254 nm).

The impurities that are absorbed in the synthetic diamond structure during its growth tend to concentrate in particular growth sectors, that is, they generate characteristic cross-shaped or octagonal fluorescence shape, that are not found in natural diamonds.

Unlike natural diamonds, the reaction is more intense at short wave than long wave.

Natural diamonds generally show a variable degree of quite uniform blue fluorescence (yellow is much rarer and green or pink even more so) which is, in any case, more noticeable at long wave than at short wave.  

The usually persistent presence of phosphorescence (extremely rare in nature and atypical in colourless stones) is a good identification sign.
In fact, llb-type diamonds are extremely rare in nature (containing boron) which only usually have this effect for a short time.

A particular characteristic of diamonds produced with the HPHT method is that they have few or only slight abnormal birefringencies, unlike natural diamonds. In CVD synthetic diamonds, abnormal birefringencies are generally similar to those in natural, lla-type diamonds, that is, they have a kind of trellis, often going in the same direction as the crystal deposit. 

There are, however, CVD synthetic crystals with an «optic» quality (THEREFORE OPTICALLY PERFECT AND HOMOGENOUS) with no abnormal birefringencies.

Definite identification is only possible with advanced analytical techniques

Infra-red spectrophotometry is ideal for helping to recognize the type of diamond, or rather, to check for the presence or absence of traces of some fundamental elements. IRS thus has the potential information for isolating diamond types that could be compatible with synthetic production.

Colourless synthetic diamonds are type lla (nitrogen in such small quantities that it cannot be detected instrumentally with IR), while blue diamonds, like their natural counterparts, are type llb (presence of boron). Type llb, or rather, traces of boron, can often be found in many colourless synthetic diamonds. Pink synthetic diamonds have also been seen on the market due to a subsequent irradiation treatment and heating at low temperatures. It should be remembered that, due to the presence of nitrogen, the initial productions foresaw yellow colouring in various shades of brown or greenish-brown. Some diamonds of this type, treated with irradiation, have been known to become a very bright red.

In UV-VIS-NIR spectrophotometry, the lb component in yellow-green synthetic diamonds generates an absorption that starts at 500 nm and goes towards ultraviolet.
Many diamonds show a series of absorptions, between 470 nm and 700 nm, with a more evident absorption at 658 nm. These peaks are due to the presence of nickel within the crystalline structure in the catalyst.
lla-type colourless synthetic diamonds are transparent up to 270 nm.

The presence of elements like nickel, iron, aluminium, cobalt, copper or other metals used in the growth, can be identified through chemical analysis with X-ray fluorescence (EDXRF).

Centres of diagnostic colour can be detected through photoluminescence due to traces of impurities. In this way the synthetic nature can be recognized.

Observing the effects of luminescence under extremely short uv can be very useful in recognizing synthetic diamonds.    

Overview of the market situation

Synthetic diamond producers claim that:

Lab-grown diamonds essentially have the same chemical composition, crystalline structure, optical and physical properties as diamonds extracted from mines: they are, therefore, 100% diamonds. The only difference between synthetic and mined diamonds is that one was created within the Earth and extracted while the other was created in a cutting-edge laboratory.

Numerous producers synthetize diamond above all for industrial purposes.

In jewellery, the size of multi-faceted gems has reached decidedly significant dimensions: gems of over 10 ct have been seen.
But the greatest distribution of this product is with gems up to a maximum of 2.00 ct and in melee lots (from less than a dot to up to 0.25 ct).

Constant growth and distribution of this gemmological material in the jewellery sector is towed by its intensive and ever-greater use in industry.
It is widely used in instruments such as super sanders, grinding wheels, cutting tools, tools for drilling and polishing, products used in the automobile, medical, aerospace and electronic industries.

Due to their manufacturing costs and market importance, synthetic diamonds play a leading role in Asian countries, followed by North America.

Commercially-speaking, they are receiving considerable success and distribution in the USA and Japan.

As a detrimental measure against those dealing in the natural stone, the American FTC (Federal Trade Commission, the legislative trade authority) has allowed these synthetic stones to be called “grown diamonds”.
It has also established that «synthetic diamond» is to be considered as real «diamond», thus allowing the synthetic stone producers to market their products as «real» / «true» diamonds.

The rest of the world and the international ISO standards foresee that, for the purposes of clarity and the consumers’ benefit, this gemmological material should only be called  “synthetic diamond” the same as any other type of synthetic product. 
No other definition or simplification is allowed.
ISO 18323:2015

The cost of this material is currently 30-40% lower than natural stone but further reductions are foreseen due to its ever-greater distribution and a reduction in production costs.

Synthetic diamonds currently represent about 2% of the global market.
It is expected that, by 2030, this share will have risen to 10%.
For stones that weigh around 0.50-1.50 ct, suitable to be used as solitaires, that is, for engagement rings, a 7.5% share could already be reached in 2020.

The share could reach 15% in the next two years for «melee».

The distribution of this material in melee could be intensified by a progressive scarcity of diamonds extracted from mines, since the Argyle mine, which currently supplies the majority of the world’s small diamonds, is soon to be closed (almost totally exhausted).

It is therefore difficult at this moment in time to predict exactly how this material will affect the jewellery market.

From marketing studies, it would seem that new generations are positively in favour of using this new material in personal ornamentation.

The diamond is losing its appeal as a symbol of rarity and eternal love and is becoming a highly common gem.
Consumers are beginning to see synthetic diamonds as desirable: they can have much larger gems at lower prices and, above all, make an investment «without feeling guilty».
Considerable media campaigns to publicize these gems as much more ‘ethical’ than their natural counterparts, are underway. 
The younger generations, rightly oriented towards the environment and the non-exploitation of natural and, above all, human resources, are showing greater interest in this type of gem compared to past generations, who were more greatly concerned about the uniqueness and rarity of each jewellery item.

Big names from the entertainment and web worlds, such as Di Caprio, Lady Gaga, Penelope Cruz or the owners of Facebook, Twitter and eBay, have publicized or even financed synthetic diamond production facilities, believing in their future.
The Diamond Foundry, one of the latest US producers to appear on the market, has declared itself as the only producer currently supplying certified «carbon neutral» diamonds, since its stones are made in a hydroelectrically-powered plasma reactor.
The company claims that: “mine extraction has a greater impact on the environment than any other human activity. For every single carat of diamond mined, about 250 tons of earth must be excavated and this releases a considerable amount of atmospheric pollution with heavy carbon dioxide emissions.”

Through its LIGHTBOX brand, De Beers has started the on-line sale of a line of colourless, blue and pink synthetic diamond jewellery at a much lower cost, trying to secure a significant share of the global market (1.00 ct 800.00 US$ – 0.50 ct 400.00 US$ – 0.25 ct 250.00 US$).

More than 60% of those interviewed in studies would be willing to buy, or interested in buying, a synthetic diamond for an engagement ring due to the lower cost of the material which would allow them to have a larger stone at a lower cost.

Consumers with financial resources, traditionally more bound to the charm and mysticism of the unique and unrepeatable … now seem to be showing a lot of interest in this material.

Synthetic diamond producers have been able to arouse the interest of the so-called «millennials» by promoting Lab Grown Diamonds as high-tech, innovative and clean.

In every aspect of their lives, Millennials look for brands, companies and products that they believe to be transparent, social and respectful of the environment.

Nowadays, consumers no longer believe in the value of diamonds or of jewellery in general.
In fact, several factors have spread mistrust in the sector over the years.

• Traders that lack transparency
• Traders with a poor knowledge of the materials and market
• Poor investment yield on diamonds
• Few certainties

We must, however, bear in mind that: a natural diamond, even if poor in quality, will always have a potential buyer.
There is, on the other hand, no secondary market for synthetic diamonds, especially since diamond traders currently tend not to deal in them.
The «good bargain» aspect, or rather, the savings made on buying a synthetic diamond, becomes less tangible when you consider the fact that it will not be possible to re-sell it.

At the moment, the outlook is decidedly confusing and unclear.
World traders, given the economic interest that rotates around the natural material, are decidedly concerned and scared about the sudden distribution and by the number of media campaigns that feature synthetic diamond.

But, if we look at the past what is happening now was promoted in exactly the same way before when, at the beginning of the last century, DeBeers, through targeted media campaigns and movie stars (we could mention Marylin Monroe and phrases like «diamonds are a girl’s best friend» and «diamonds are forever»), disseminated the use of diamonds in jewellery so that they could become a «symbol of true and eternal love» for everyone.

It is therefore hard to answer the initial question but perhaps we could now pose another: “could synthetic diamond be an opportunity?”