Appunti corso Tecnologie di produzione e studi di fabbricazione

Fondamenti e terminologia tecnologica

Tecnologia è la tecnica dello studio delle macchine. Il mondo si dice artificiale perché è tecnologico, cioè fatto con le mani. È utilizzata come esonero dai nostri limiti, ci esoneriamo dal non avere le ali con la costruzione di aerei. Tramite lo studio della domanda del mercato, le aziende si adoperano per trovare la soluzione tecnologica migliore per dare offerta, questo tramite prodotti, sistemi di produzione e processi produttivi. È qui che entra in gioco l’ingegnere gestionale che avrà il compito di anticipare il mercato proponendo soluzioni al mercato. Dobbiamo essere contenti del cambiamento e non vivere con l’angoscia di questo, il cambiamento è un’opportunità. La soluzione tecnologica avrà una sequenza di sviluppo dettata in primo luogo dalla progettazione del prodotto da parte dell’ingegnere meccanico, successivamente l’ingegnere gestionale dovrà pianificare il processo, definire il sistema di produzione (macchinari), identificare ed acquisire le risorse (materiale, know-how, personale - gestione della produzione). Da qui si passa poi all’esecuzione della soluzione tecnologica pianificando la produzione e allocando le risorse per poi controllare la produzione. In altri casi, per velocizzare i processi, si può utilizzare un approccio simultaneo dello sviluppo della soluzione tecnologica in cui le attività di progettazione, pianificazione dei processi e progettazione dei sistemi produttivi avvengono simultaneamente.

Produzione

Produzione -> Modifica della geometria (forma) di un materiale/oggetto fisico.

Processo di trasformazione

Il processo di trasformazione è un processo di produzione, anche detto ciclo di produzione perché si ripete ciclicamente per un certo numero di prodotti, produzione per lotti o di massa.

Sistema di produzione

Sistema di produzione -> Insieme di risorse necessarie per il processo di produzione. I processi di trasformazione si possono dividere in due stadi, primario e secondario, quello in cui la materia prima arriva ad essere un pezzo informe grezzo e quello dove il pezzo grezzo diventa prodotto finito tramite vari passaggi come può essere il semilavorato sgrossato, poi semifinito e infine finito. Il materiale diventa prodotto tramite un processo che comporta perdita di energia ed anche di materiale quali scarti (difettosi) e sfridi (ritagli).

Classificazione dei materiali per la produzione

I materiali polimerici si distinguono tra termoplastici, quelli che scaldati si ammolliscono, termoindurenti dove il calore crea reazioni irreversibili ed elastomeri caratterizzati da bassa curva del modulo elastico che si allunga tantissimo e quindi plasticizzano tardi, ma hanno anche caratteristiche termoindurenti. I materiali compositi sono polimeri termoplastici in cui vengono inserite fibre (usati nell’automotive). Il processo di ingegnerizzazione dei materiali sta portando a trasformare i materiali naturali in materiali artificiali dove bisogna considerare il loro riciclo, riuso e non devono creare tossicità. Più migliora la conoscenza tecnologica, più diminuiscono i costi e più aumenta il grado di ingegnerizzazione.

Struttura dei materiali metallici

I metalli sono alla base dell’ingegneria meccanica, le macchine che producono polimeri e materiali compositi sono fatte di metalli, i metalli sono alla base dello sviluppo tecnologico. Il legame metallico è un legame ad elettroni delocalizzati (nube di elettroni) che permette ai metalli di avere alta conducibilità elettrica e termica. La struttura dei metalli è una struttura tridimensionale a cristallo costituita da un aggregato uniforme di celle che sono formate da un gruppo di atomi sistemati nello spazio secondo un reticolo che è lo schema geometrico degli atomi all’interno di una cella. Il reticolo può essere di varie tipologie:

• Cubico a corpo centrato (BCC): questa è la struttura più semplice dove gli atomi sono disposti sui vertici di un cubo e all’interno vi è un atomo.
• Cubico a facce centrate (FCC): gli atomi sono ai vertici e nel centro delle facce.
• Esagonale compatto (HCP): macroscopicamente i metalli possono essere monocristallini dove il materiale metallico può essere costituito da un solo cristallo molto accresciuto e in cui la resistenza dipende dalla direzione in cui si manifesta il carico, o policristallini in cui il materiale è costituito da più cristalli tutti caratterizzati dallo stesso reticolo ma con ognuno in un differente orientamento, in questo caso la resistenza è uguale in tutte le direzioni perché statisticamente si compensano gli orientamenti e di conseguenza le resistenze sono uguali, per statistica si intende una struttura isotropica.

I metalli oltre ad essere puri possono essere anche “mischiati” con altri elementi, in questo caso avremo:

• Metallo puro, un solo tipo di elemento presente che troviamo nella tabella di Mendeleev.
• Lega metallica, dove almeno un elemento è un metallo, si tratta di una miscela e non di un composto chimico.
• Lega binaria, ci sono solo due elementi ed almeno uno di questi è un metallo. Quest’ultima è composta dal solvente, che è l’elemento in maggiore quantità, e il soluto, quello in minore quantità. Parleremo di liquidi e non solidi perché i metalli solidi non si mischiano come in chimica, ma solo allo stato liquido e quindi ad altissime temperature nominate temperature di fusione. La lega binaria organizzata secondo una delle strutture qui sopra elencate macroscopicamente costituisce una fase solida, cioè è omogenea, ma a causa della limitata solubilità del soluto in genere coesistono almeno due fasi solide che possono formare grani separati oppure coesistere all’interno dello stesso grano.

Proprietà dei materiali e prova di trazione

Quando ad un materiale viene applicato un carico subisce due tipi di deformazione, in un primo stadio quella elastica per poi successivamente passare a quella plastica. Nella prima la cella soggetta alla sollecitazione si deforma e nel momento in cui viene tolto il carico questa riassume la sua configurazione iniziale. Nel caso di deformazione plastica avverrà un processo irreversibile in cui, dopo avere passato lo stato elastico, i legami ortogonali ai piani si rompono e scorrono lungo i piani di scorrimento, i legami si riformano e al cessare della forza la cella assume la configurazione indisturbata, questa viene anche chiamata deformazione per scorrimento.

Deformazione elastica e plastica

Il numero e la posizione dei piani di scorrimento dipendono dalla posizione degli atomi nella cella. In una configurazione BCC avremo molti piani di scorrimento ed alta forza di legame tra i piani, quindi sarà una struttura molto difficile da deformare plasticamente, inversamente nella configurazione FCC avremo alcuni piani di scorrimento e bassa forza di legame tra i piani che comporterà una più facile deformazione plastica, infine la struttura HCP avrà pochi piani di scorrimento e media forza di legame tra i piani che permette al materiale di essere difficile da deformare plasticamente tranne che ad alte temperature. Il fenomeno dello scorrimento tra i piani è influenzato da imperfezioni e discontinuità nel reticolo, perciò i difetti favoriscono lo scorrimento. La deformazione plastica a livello macroscopico si studia con una prova sperimentale detta prova di trazione dove durante la prova si conserva il volume ma l’area del provino varia perché all’applicare di un carico il provino si allunga e la base si rimpicciolisce. Da questo troveremo delle variabili (non useremo quelle reali bensì quelle ingegneristiche perché più facili da dare ad un operatore meccanico essendo più veloci ed intuitive rispetto a dei logaritmi):

• Deformazione ingegneristica: \( e = \frac{l - l_0}{l_0} \)
• Tensione nominale (\( \sigma \)): \( \sigma = \frac{P}{A_0} \)

Comportamento in campo elastico

In campo elastico la sollecitazione è proporzionale alla deformazione, questa proporzionalità è data dal modulo di elasticità. In questo campo se cessa il carico l’elemento torna al suo stato iniziale senza subire deformazioni permanenti.

Comportamento in campo plastico

Quando un materiale entra nel campo plastico subisce una deformazione irreversibile e nel momento in cui viene tolto il carico viene “restituita” la deformazione elastica (springback) ma resta quella plastica che è permanente. In fase di produzione il ritorno elastico è un disturbo perché bisogna deformare più di quanto serve. Nel campo plastico abbiamo dei punti notevoli come:

• Y (yield stress) - Rs: sollecitazione al limite elastico e corrisponde al carico unitario di snervamento, alcuni materiali non hanno una Y unica perché si è in una fase transitoria di snervamento.
• UTS (ultimate tensile strength) - Rm: carico unitario di rottura in cui avverrà una fase di strizione del materiale (necking) che porterà alla rottura.

Se il segmento del campo elastico pende poco allora avremo un materiale più elastico, viceversa se pende molto sarà più rigido. Un materiale duttile avrà l’attitudine a deformarsi plasticamente mentre sarà fragile se ha poca vita in campo plastico. All’incremento della velocità di deformazione il materiale sarà più tenace e meno deformabile perché ha meno tempo di scorrere e deformarsi quindi avrà una pendenza maggiore in campo elastico. Mentre all’aumentare della temperatura cala la forza e il lavoro di deformazione, di conseguenza aumenta la deformazione ottenibile, ma cala anche la precisione dimensionale e la finitura superficiale, e aumentano i costi di produzione. Il materiale dipende dalla sua storia di carico, ogni volta che viene sollecitato e deformato in campo plastico e successivamente caricato di nuovo ha un comportamento plastico dipendente dalla storia di carico precedente, in questo caso si parla di incrudimento. A compressione solitamente un materiale si comporta nello stesso modo, a differenza di quello fragile che in caso di compressione è più duttile.

Effetto Bauschinger

Per l’effetto Bauschinger, se il materiale è stato prima sottoposto a trazione risulta poi più facile da comprimere ed è per questo che in caso di processi di deformazione plastica questi vengono effettuati a stadi alterni, alternando deformazioni in direzione opposta.

Prova di durezza

La prova di durezza ci dice quanto il materiale è resistente alla penetrazione di corpi più duri.

Processi di fusione in forma transitoria

Il processo di fusione in fonderia consiste in una variazione di forma ottenuta tramite il passaggio da stato solido a liquido per tornare nuovamente a solido. I principali sottoprocessi della fusione in forma transitoria sono la produzione della forma (formatura) e la produzione del prodotto (getto).

Produzione della forma

Formatura, questo processo è anche chiamato, dove la forma in cui verrà colato il materiale fuso è composta da due semiforme fatte entrambi da terra da fonderia compattata. La terra da fonderia o materiale di formatura è composto da una miscela di polveri in cui c’è sempre l’elemento refrattario che deve reggere elevate temperature (silice), l’elemento legante che deve garantire la coesione della forma (argilla) e gli additivi che devono migliorare le caratteristiche di coesione, permeabilità, scorrevolezza, sgretolabilità. In genere si usa silice e argilla perché sono di facile reperibilità, hanno un costo contenuto e sono riutilizzabili. Il piano di separazione delle due semiforme deve essere scelto in modo che non si presentino impedimenti alla sformatura del modello (non il getto perché si rompono le semiforme per sformare il getto) detti sottosquadri. Il modello contiene la geometria del prodotto da imprimere su ciascuna semiforma ed eventualmente parte delle geometrie del sistema di alimentazione e materozze che servono per compensare il ritiro del materiale durante la solidificazione. Se quest’ultime forme non sono presenti nel modello vengono realizzate mediante asportazione di materiale direttamente sulle semiforme. Una caratteristica fondamentale del modello è che le superfici perpendicolari al piano di separazione siano leggermente inclinate, questi sono detti angoli di sformo. Le dimensioni del modello sono aumentate leggermente per compensare il ritiro del getto in fase di raffreddamento e nelle zone in cui si prevedono lavorazioni di asportazione di materiale, sovrametalli di lavorazione. Nel caso in cui il prodotto da realizzare ha una geometria che impedisce di trovare un piano di separazione che eviti sottosquadri, si introducono le anime costituite da terra di fonderia compatta che riproduce l’interno del pezzo, nelle semiforme vengono previste delle portate d’anima che sono superfici di sostegno dell’anima.

Produzione del prodotto

Una volta unite le due semiforme si può passare al processo di colaggio del getto dove viene fatta una colata di materiale fuso all’interno della forma per gravità, non si può pressurizzare altrimenti il getto esploderebbe, successivamente c’è la fase di solidificazione del getto che una volta terminata porterà all’estrazione mediante distruzione delle semiforme, che verranno rimacinate e riutilizzate. Infine si passerà alla pulitura del getto dove si asporteranno le appendici e tutte quelle tracce come il sistema di alimentazione, la materozza e i piani di separazione. Il prodotto può essere sottoposto a cicli di riscaldamento-raffreddamento per aumentare le proprietà meccaniche o uniformare le superfici. Nei prodotti di fusione in forma transitoria non avremo mai superfici perfette, spigoli vivi o geometrie complicate, i fori e le tolleranze vengono realizzate successivamente per asportazione di materiale.

La solidificazione nei processi di fusione

Modello di solidificazione uniforme

Per solidificazione uniforme si intende che ad ogni istante di tempo \( t \) ogni punto del fluido sia alla stessa temperatura \( T \). Per i metalli puri durante la fase intermedia in cui si avrà presenza di fase solida e liquida, i nuclei sono divisi tra loro dalla parte liquida, in questa fase i nuclei si ingrossano fino a bloccarsi tra loro per passare ad essere tutta fase solida. In caso di lega binaria, in base alla percentuale tra i due elementi, si possono costruire tante curve di solidificazione quante sono le combinazioni possibili. Il diagramma di destra chiamato diagramma a forma di lente ci mostra quanta parte di solido e quanta di liquido si ha alla temperatura \( T \), nei due assi verticali avremo la temperatura di solidificazione dell’elemento puro al 100% di presenza nella lega. Variando le % della lega cambiano i punti di solido-liquido all’interno della lente. Tirando l’orizzontale alla temperatura desiderata possiamo sapere quanto liquido (sx) e quanto solido (dx) abbiamo e di queste quantità quante sono dell’elemento A e quante dell’elemento B.

Modello di solidificazione direzionale

Per evitare uno sbalzo termico iniziale quando si cola, precedentemente viene preriscaldata la forma. Calando la temperatura verso la temperatura di solidificazione avremo un fronte di solidificazione che parte dalla parete della forma e si sposta verso il centro del getto. Per i metalli puri, in un qualsiasi istante di tempo, il passaggio da liquido a solido è ben definito e avremo un fronte di solidificazione compatto, caratterizzato da un raffreddamento veloce alle estremità (pareti) che comporterà la formazione di grani piccoli con migliori proprietà meccaniche che non dipenderanno dalla direzione avendo grani simmetrici (isotropia) e casuali, mentre andando verso il centro con un raffreddamento lento si creeranno grani più grandi e allungati (anisotropia) che peggiorano le proprietà meccaniche. La solidificazione macroscopicamente sarà sempre simmetrica partendo dalle pareti verso il centro ma microscopicamente avremo una struttura disomogenea. In presenza di leghe binarie non avremo un fronte di solidificazione compatto ma ci sarà un’area di solidificazione (dendrite) in cui coesisteranno simultaneamente lo stato solido e liquido che sarà influenzato dal fronte di solidificazione. In questo caso il raffreddamento veloce alle estremità porterà alla formazione di grani piccoli e simmetrici, il raffreddamento lento verso il centro creerà grani grandi e allungati verso il centro dovuti all’accrescimento dei dendriti e a volte grani simmetrici nella zona centrale. Nella solidificazione direzionale le parti esterne raffreddano velocemente.