Appunti di Tecnologie e studi di fabbricazione (2° parziale)

Fusione: caratteristiche e tecniche

Caratteristiche generali della fusione

La fusione si utilizza per prodotti a bassi costi fissi e geometrie complesse, adatta per piccole e a volte medie serie. La capacità di realizzare vuoti è uno dei punti forti del processo di fusione. Le finiture superficiali della fusione sono abbastanza povere. Con la fusione non si riesce a raggiungere gli spigoli vivi. Per fare il processo di fusione, devo fare raggi di raccordo più ampi possibili.

Problema: la corrente fluida può portare la sabbia fuori dallo stampo e depositarla in zone critiche non prevedibili, che compromettono tutto il pezzo. Durante il processo di fusione si cerca di evitare la formazione di punti caldi (hotspot): sono punti che, poiché sono gli ultimi a solidificare, potrebbero mancare di materiale e quindi si potrebbero formare cricche.

Vantaggi della fonderia

La fonderia ha il vantaggio di permettere la creazione di oggetti estremamente complessi (è possibile modellare sia la geometria esterna che quella interna). La fusione è caratterizzata da bassi costi fissi e medi costi variabili. La dimensione effettiva dello stampo in cui sarà effettuato il processo di fusione deve essere maggiore di quella richiesta in quanto il metallo tenderà a restringersi durante la fase di raffreddamento. La differenza tra le dimensioni dello stampo e quelle del pezzo richiesto è detta "tolleranza di restringimento".

Contrazione della colata

La contrazione della colata ha luogo in tre fasi:

• Contrazione del liquido dalla temperatura di colata a quella di solidificazione.
• Contrazione associata al cambiamento di fase.
• Contrazione del solido che passa alla temperatura ambiente.

Stampo in sabbia

Componenti che fanno parte dello stampo: bacino di colata, materozze, anima (serve per creare la geometria interna del componente). Si utilizzano sabbie estremamente spigolose. La rottura avviene su macchine vibranti (su grandi serie), oppure a martellate. La pulizia finale si fa con tecniche di burattatura o air blasting. A volte le sabbie utilizzate sono ricoperte da leganti.

Il processo dello stampo in sabbia è progressivo: essa viene compattata passo passo. L’anima serve per andare a creare vuoti all’interno del componente: le anime sono realizzate con le sabbie migliori. In generale, la sabbia viene riutilizzata più volte, fino a stondarsi. In sostanza, la sabbia buona si usa per le zone a contatto col metallo, per il resto si usa una sabbia di riempimento.

Limitazioni dello stampo in sabbia

Con lo stampo in sabbia, non tutte le geometrie sono realizzabili: la fase di scampanatura è la più critica all’interno del processo, perché durante l’estrazione del modello di legno dalla sabbia (scampanatura, appunto) si può verificare la rottura del modello. Per evitare questo problema, si usa sabbia estremamente adesiva. Il modello, poi, deve avere una conicità, definita dagli angoli di sformo. Per questo i pezzi realizzati con questo metodo non hanno mai pareti diritte. L’ampiezza dell’angolo di sformo dipende dai materiali utilizzati: su sabbia bagnata devono essere un po’ più ampi.

Alla fine, per ottenere il componente voluto, dopo la fusione si fanno anche asportazioni di truciolo per eliminare parti in eccesso.

Altre tecniche di stampaggio

Esiste anche la tecnica del match-plate: si crea un modello solido scomponibile, poi si divide in 2. Poi si attaccano le due parti su due piastre metalliche e poi per ciascuna piastra aggiungo le componenti necessarie alla fusione (canali di colata, materozze, ecc.). Poi si aggiunge la piastra alla staffa. Questo metodo permette di avere nell’azienda solo il modello in legno, senza canali di distribuzione, di colata ecc. Con questo metodo creo una staffa alla volta.

Approccio flaskless

Non creo una staffa superiore e una inferiore, ma creo dei pezzi ripetuti. Processo pensato su media serie. Creo un oggetto unico. Svantaggio: le geometrie devono essere abbastanza semplici.

Caratteristiche della sabbia

In generale, la sabbia deve essere caratterizzata da elevata spigolosità e deve essere traspirabile: durante il processo di fusione si creano dei gas che devono fuoriuscire, perché se rimangono all’interno del componente creano porosità e la porosità può provocare la rottura del componente.

Creazione dei vuoti

All’interno dello stampo di fusione per creare i vuoti si mettono le anime. L’anima si fa con la sabbia migliore ed è accompagnata da supporti chiamati portate d’anima. I supporti devono essere scavati fin dall’inizio. Le anime più critiche sono quelle a sbalzo che spesso vengono fissate da chiodi che vengono fusi anch’essi durante la fusione (essendo dello stesso materiale di quello colato). L’anima deve avere sempre il centro di gravità all’interno della staffa. Il baricentro dell’anima deve essere sempre sulla staffa.

Rinforzi delle anime

Spesso le anime hanno rinforzi di tipo metallico e spesso si aggiunge all’interno dell’anima una parte vuota per permettere il passaggio dei gas. Altre tecniche per le anime: tecnica del cerino, tecnica della lanterna, anime con la sola armatura in acciaio.

Stampi permanenti e non permanenti

Stampo non permanente: usa uno stampo "sacrificabile" che viene poi distrutto al termine del processo per estrarre il pezzo. È possibile ricavare forme più complesse; adatto a piccole produzioni.

Stampo permanente: lo stampo non viene formato ogni volta, si usa uno stampo riutilizzabile. Si fanno per materiali a basso punto di fusione: alluminio, zama, magnesio. È uno stampo che deve sopportare temperature elevate. Deve essere uno stampo resistente alla fatica termica (sollecitazioni in temperatura ripetute possono portare a rottura del materiale). Gli stampi hanno anche il problema dell'abrasione: per resistere all'abrasione questi metalli devono essere duri e quindi ho necessità di aggiungere materiali come il tungsteno per aumentarne la durezza. Lo stampo non viene distrutto può essere usato per produrre pezzi in grosse serie, per via del costo di processo estremamente elevato. Gli stampi permanenti hanno finiture superficiali estremamente valide. Hanno alti costi fissi ma bassissimi costi variabili. I pistoni vengono realizzati con stampo permanente. I vuoti con lo stampo permanente sono realizzati in sabbia (lo stampo metallico si chiama conchiglia), si cola il metallo, si fa raffreddare il tutto. È possibile, però, ricavare forme geometricamente meno complesse in quanto alla fine del processo lo stampo deve essere aperto (è formato da due parti) per estrarre il prodotto finito. Dopo pochi secondi, il metallo fuso viene tolto e dopo pochi secondi rimane il guscio del componente.

Slush casting

Si usa un recipiente per contenere la vena fluida all’interno del quale colo del materiale.

Presso-fusione ad alta pressione

Altro processo: presso-fusione ad alta pressione in camera calda o in camera fredda: sono i metodi più automatici in assoluto, garantiscono la massima produttività (si produce un pezzo in meno di un minuto) e si usano per produrre quantità importanti di componenti. Si usano però solo leghe basso fondenti. Nella fusione ad alta pressione ho un bacino di materiale fuso (alluminio a 680 gradi), in cui all’interno viene introdotto un sifone: il sifone fa sì che quando il pistone è in alto si riempia di metallo fuso e il materiale all’interno del sifone viene spinto all’interno dello stampo. Gli stampi sono estremamente costosi (arrivano a 150.000€). Sono stampi che producono almeno 100.000 pezzi prima di essere da buttare. Si riescono a creare oggetti con pareti molto sottili.

Varianti di presso-fusione

Esistono due varianti: a camera calda e a camera fredda. Nel primo caso la camera di iniezione è inserita all’interno del bagno di fusione, mentre nel secondo c’è un sistema di trasferimento che porta il materiale all’interno di una "siringa" che poi, attraverso il pistone, spinge il materiale stesso all’interno dello stampo. Camera calda è un sistema più produttivo, perché l’iniezione può avvenire con continuità. Però, la camera calda non va bene per l’alluminio, perché il ferro va in soluzione con l’alluminio e ne decreta l’infragilimento. La camera di trasferimento è fatta in acciaio. Per l’alluminio ho la necessità di usare metodi a camera fredda. Il problema di questi processi è che sono tutti porosi (chi più chi meno), perché l’aria fatica a uscire. Il grosso dell’aria va in soluzione all’interno del bagno e crea porosità. I metodi in depressione, invece, eliminano completamente il problema della porosità.

Altri processi di fusione

• Centrifugal casting, true centrifugal casting.

Dimensionamento dello stampo in sabbia

Le dimensioni dell’oggetto da realizzare devono essere aumentate di un 2% per quanto riguarda il modello. Il materiale non si fonde alla temperatura di fusione, ma a temperature un po’ più alte, per evitare che solidifichi troppo velocemente. Il problema è che non posso salire troppo con la temperatura, perché questo porta a costi molto elevati e soprattutto causa shock termico allo stampo e in particolare alla resina termo indurente che tiene insieme le anime (c’è il rischio che dopo un minuto tale resina vaporizzi). La solidificazione deve iniziare circa 40 secondi dopo l’inizio della colata, ossia deve iniziare quando ho finito di colare il metallo fuso nello stampo.

Stampo non permanente

È quello più utilizzato nei processi di fusione. Quasi tutte le leghe possono essere fuse in stampi in sabbia; è adatto sia a piccole produzioni che a grandi. La cavità dello stampo è ottenuta "schiacciando" la sabbia intorno a un modellino che riprende forme e dimensioni dell’oggetto da produrre (in genere di legno o metallo). È necessario che gli angoli del modellino siano smussati in modo da facilitare l’estrazione della colata (la colata rischierebbe di portarsi dietro eventuali spigoli dovuti ad angoli retti).

Anime e materozze

Le anime servono per definire la geometria interna e sono la parte più sollecitata durante la colata -> la sabbia che le forma deve essere di buona qualità. Possono essere supportate dai "supporti d’anima" fatti dello stesso materiale del metallo da colare (-> si fondono al passaggio del fluido). Le materozze sono delle zone che vengono aggiunte al cono di ritiro; componente per proteggerlo dal sono degli elementi sacrificabili che vengono messi nelle zone più calde del componente in modo che solidifichino per ultimi.

Dimensionamento delle materozze

Di solito le materozze hanno un modulo termico maggiore del 20% della zona del componente col modulo termico più alto (il m.t. dipende essenzialmente dallo spessore del materiale da solidificare). Le materozze hanno bisogno di due dimensionamenti: del modulo termico e del volume alimentabile. Alla fine del processo di fusione le materozze vengono asportate (-> asportazione di truciolo). Si posizionano abbastanza lontano dal componente per essere tagliate ed abbastanza vicine in maniera che siano l’ultima parte a solidificare (per fare questo, il baricentro termico del componente deve trovarsi all’interno della materozza).

Devono essere presenti sulla staffa modello. Dopo essere state tagliate, le materozze possono essere rifuse ed utilizzate in altre colate. Il modulo termico è il rapporto tra volume e superficie che scambia calore. Si usa per capire dove mettere la materozza. La materozza si dimensiona in maniera che abbia tutto il cono di ritiro al suo interno. Nel caso di materozze cilindriche, il volume di ritiro può essere il 15% della materozza; negli altri casi è il 20%. Il raggio di influenza della materozza è di circa 5 volte lo spessore del pezzo su cui è applicata.

Zone senza protezione

Ci sono, inoltre, zone che non hanno bisogno di essere protette perché sono le prime a solidificare.

Rifinitura dei componenti

Trimming: si taglia la parte che non serve, dove sono presenti i gate (collarini ristretti per facilitare la rimozione delle zone inutili). Per vibrazione si tolgono le anime. Si ripulisce la superficie attraverso air blasting. A volte si fa anche un trattamento termico e per ultimo si fa un processo di ispezione a raggi X. Per le fusioni che non sono con sabbia al verde non dobbiamo tenere conto dell’angolo di sformo, perché il modello non deve esser estratto. Devono comunque tenere conto del ritiro termico.

Altri tipi di fusione non permanente

• Shell molding: lo stampo consiste in un piccolo strato di sabbia tenuto insieme da un legante in resina. Lo stampino viene riscaldato e posto come coperchio di una scatola contenente la sabbia; il coperchio viene poi rigirato e la sabbia viene fatta aderire allo stampino, dal quale riprende la forma. A questo punto la sabbia viene staccata dallo stampino e a sua volta riscaldata, per poi essere usata per la colata. Si utilizza per processi medio-piccoli con buone finiture superficiali.
• Modellatura a vuoto: la sabbia è tenuta insieme da una pressione di vuoto (e non da reagenti chimici). Si usa per processi di piccole dimensioni.
• Modellatura in gesso: il materiale di modellatura è, appunto, il gesso. Permette di avere un’ottima rifinitura delle superfici, ma è adatta solo alla fusione di materiali non ferrosi.
• Modellatura a schiuma: usa uno stampino di sabbia posto intorno ad una forma fatta di schiuma di polistirolo che vaporizza quando il flusso viene inserito nello stampo. Il polistirolo si taglia molto bene. L’oggetto può avere una complessità qualsiasi. È un processo principalmente manuale, pensato per medie dimensioni in piccolissima serie.