Tecnologia meccanica - pag. 91-107

Lezione del 25/10/12

Riassunto delle tecniche di colata

Abbiamo visto le tecniche di colata con stampo a perdere e modello permanente: in pratica, abbiamo visto la cosiddetta "colata in verde" (come in figura, solo che al posto del verde c'è il grigio "intermedio" a cui far riferimento) in cui la sabbia viene legata mediante argilla umida.

Una variante che ho citato è quella in cui lo stampo viene essiccato in superficie per dargli maggiore resistenza, un’altra variante che abbiamo visto è quella con modello sotto vuoto. Attenzione: una cosa è dire "modello sotto vuoto", un’altra è dire solo "sotto vuoto"; sono tecniche differenti. Un’altra tecnica è la colata senza staffa nella quale la sabbia non è contenuta all’interno di un recipiente e lo stampo è messo in verticale, perciò l’alimentazione passa attraverso lo stampo senza che il metallo fuso debba variare la propria direzione di 90° dall’orizzontale alla verticale, tecnica caratterizzata da una produttività molto alta.

Un’altra tecnica è quella di colata con conchiglia in materiale refrattario. Vi ricordo che in Italia spesso si parla di conchiglia con riferimento agli stampi metallici, mentre invece la conchiglia per questo corso è in materiale refrattario per cui è uno stampo che andiamo a rompere per estrarre il getto. Abbiamo visto che le varianti possono essere queste, come mostra la figura seguente:

Varianti delle tecniche di colata

Lo stampo è sottovuoto, figura (a), e c’è la possibilità di farlo scendere all’interno del forno di mantenimento in modo tale da riempirlo con un flusso regolare e lento di metallo mentre contemporaneamente viene applicato il vuoto all’interno dello stampo. In alternativa, si può applicare una sovrapressione nel forno di mantenimento, come in figura (b), in modo tale da obbligare il metallo a risalire lungo l’unica via di fuga che è il canale di alimentazione dello stampo stesso.

In entrambi i casi si ottiene un flusso regolare non turbolento del metallo, però nel primo caso è più semplice riempire completamente lo stampo proprio a causa della depressione che provochiamo, mentre nel secondo la sovrapressione fa salire il metallo ma dobbiamo in qualche modo rendere permeabile il materiale dello stampo.

Lezione di oggi

Per quanto riguarda la lezione di oggi, l’obiettivo è vedere le seguenti tecniche:

• Colata con stampo e modello a perdere
• Stampo permanente

Colata con stampo e modello a perdere

Vedremo due tecniche di colata: una prevede che il modello venga fatto uscire dallo stampo prima di versare il metallo, magari facendolo fondere (passando così dalla fase solida a quella liquida); l’altra prevede che il riempimento dello stampo del metallo avvenga contemporaneamente alla vaporizzazione del modello. Il fatto che non ci sia la necessità di estrarre il modello dallo stampo, ci toglie quei vincoli di forma che avevamo nelle tecniche precedentemente viste ed è un grosso vantaggio. Perciò, il fatto di avere un modello a perdere amplia la gamma di geometrie disponibili, anche molto complicate.

Come si realizza il modello?

Il modello lo produciamo iniettando il materiale all’interno di uno stampo, anzi, i modelli, perché ce ne serve uno per ogni getto che produciamo. Tanto per dare un’idea, in questo modo possiamo realizzare forme e rientranze complicate proprio perché il modello poi lo facciamo fondere o vaporizzare. Però si potrebbe pensare che, dato che per creare il modello bisogna usare uno stampo, per tirarlo fuori ci servono gli angoli di sformo. In realtà non è così, nel senso che si usa un piccolo trucco: se nel prodotto da realizzare ci sono sottosquadri, figure complicate che impedirebbero di estrarre il modello dallo stampo stesso, realizziamo più modelli che rappresentano solo una parte del getto da produrre e poi li incolliamo tra loro (vedi figura). Nell’immagine la parte scura e la parte chiara rappresentano le due metà del modello che sono state unite.

Domanda fac-simile d’esame

Perché quando il modello è a perdere si possono mettere dei sottosquadri?

NON dovete rispondere “perché tanto posso tirare fuori il modello dallo stampo di fonderia”, ma piuttosto perché posso realizzare il modello in più parti e poi incollarle tra loro.

Tecnica della colata a cera persa

La tecnica più conosciuta e più diffusa all’interno di questa categoria ha due nomi:

• Colata a cera persa
• Microfusione

La tecnica è molto antica, si usava nell’antico Egitto; il termine microfusione mi dà già un’idea del fatto che questa tecnica si usi soprattutto per realizzare prodotti di piccole dimensioni, perciò mentre con la colata di sabbia possiamo realizzare getti di qualche tonnellata, qui potremmo arrivare sui 10, 15, 20 Kg, questo è l’ordine di grandezza massimo, ma anche alcuni grammi. È molto usata in gioielleria ed è una tecnica di colata di precisione: quando realizziamo un getto con questa tecnica, normalmente non c’è bisogno di lavorazioni a valle per modificarle la forma; qui il sovrametallo non serve.

Materiale del modello

Tradizionalmente in cera, ma si può usare anche qualche materiale plastico tipo il polistirene. Il modello integra anche il sistema di alimentazione e vediamo quali sono le fasi attraverso le quali si passa per produrre un getto con questa tecnica. Il materiale con cui viene realizzato il modello non richiede grosse forze o grandi incrementi di temperatura: lo stampo quindi lo possiamo realizzare in un materiale poco pregiato, facilmente lavorabile; tipicamente gli stampi per realizzare i modelli sono in alluminio perché si lavora molto facilmente. Ecco lo schema per l’uso di questa tecnica:

Procedimento della colata a cera persa

• (a) Ci sono due semistampi per la produzione del modello, ci versiamo dentro la cera fusa o il polistirene e aspettiamo che solidifichi;
• (b) Apriamo gli stampi ed estraiamo il modello in cera;
• (c) Siccome questa tecnica è usata per prodotti piccolini, risulta conveniente realizzare una struttura ad albero sulla quale assemblo più modelli, basta scaldarli localmente (il polistirene è un termoplastico, una plastica che rammollisce all’aumentare della temperatura così come la cera) e li appiccichiamo alla struttura principale;
• (d) Inizialmente le strutture ad albero sono immerse in una sospensione (un liquido che contiene particelle molto piccole che non si vedono neanche). Quando facciamo essiccare il liquido, sulla superficie della struttura rimane un rivestimento di queste particelle molto piccole, che quindi seguono molto fedelmente la forma della struttura ad albero utilizzata e la rugosità superficiale è molto bassa, proprio per le loro dimensioni;
• (e) Seguono poi ulteriori strati che vengono aggiunti al rivestimento ottenuto inizialmente dalla sospensione (si parla di “stucco” nell’immagine): diciamo che aggiungiamo altri strati di materiale refrattario fino a dare un certo spessore, una certa consistenza, alla conchiglia così ottenuta;
• (f) Perciò otteniamo in questo modo la conchiglia completa;
• (g) A questo punto la nostra struttura ad albero subisce un riscaldamento, una cottura in forno, che serve per due motivi: per dare maggiore resistenza meccanica alla conchiglia che abbiamo realizzato e per far uscire la cera con la quale avevamo realizzato il modello, perciò la parte centrale della nostra struttura ad albero è cava e consente la fuoriuscita del materiale del modello (cera o polistirene);
• (h) A questo punto abbiamo una conchiglia con un’accettabile capacità di resistenza meccanica, vuota all’interno perché abbiamo fatto uscire il materiale del modello. Possiamo versare il metallo fuso e dopo solidificazione rompiamo il tutto. Ovviamente il materiale del modello è riciclabile, per cui una volta che lo abbiamo fatto uscire, nella fase (g), possiamo riutilizzarlo per produrre nuovi modelli;
• (i) Tramite vibrazioni si rompe lo stampo;
• (j) Il pezzo è pronto.

Varianti della tecnica e applicazioni

Ci sono delle varianti a questa tecnica che è stata illustrata come se dovesse essere eseguita tutta manualmente, in realtà la movimentazione delle strutture ad albero può essere effettuata tramite robot, perciò non c’è bisogno di un intervento manuale. Queste varianti consentono di aumentare la produttività: quando si parla di “letto fluido”, si intende che la struttura ad albero passa attraverso una zona in cui “volano” delle particelle piccole che aderiscono alla nostra struttura ad albero. Rimane il fatto che comunque è una tecnica caratterizzata da una successione di fasi abbastanza lunga, per cui è costosa e si giustifica in genere per prodotti di alto valore: gioielleria, ma non solo.

Come è stato detto è una tecnica molto antica e ad un certo punto è stata anche abbandonata per un certo periodo di tempo. Fu rivalutata quando nella Seconda Guerra Mondiale i tedeschi hanno iniziato a produrre le V1 e le V2, i missili sparati su Londra e sull’Inghilterra, avevano infatti bisogno di componenti in metallo in grado di resistere alle alte temperature, realizzati mediante fonderia e che non necessitassero di ulteriori lavorazioni per asportazione di truciolo.

Anche nella colata a cera persa si può praticare il vuoto nello stampo per favorire il completo riempimento: il vuoto è sempre un aspetto che migliora la qualità del prodotto, per cui quando si può lo si usa.

Tecnica "Lost-Foam" o "Schiuma persa"

L’altra tecnica che vediamo, in alternativa alla cera, è quella mostrata in questa figura:

Il nome in inglese è lost-foam e tradotto in italiano significherebbe "schiuma persa", ma è preferibile il termine inglese.

Cosa cambia con la tecnica "a schiuma persa"?

Il modello non è più in cera ma in polistirene espanso, ovvero ha una bassa densità perché è sotto forma di bolle con del gas all’interno. Anche il modello in polistirene può essere realizzato in parti che poi vengono incollate tra loro; ma la differenza sostanziale con il modello a cera persa è che, mentre prima con la cottura facevamo uscire la cera, il polistirene non viene fatto uscire dallo stampo. Il calore fornito dal metallo fuso provoca infatti la vaporizzazione del polistirene del modello, per cui con una sola fase lo sostituiamo con il metallo. Alla fine possiamo tirare fuori la struttura ad albero e lo stampo in sabbia può essere riciclato; diversamente nella colata a cera persa la conchiglia va buttata.