Tecnologia meccanica

SQUEEZE CASTING

In tale processo la colata avviene in gravità ma subito dopo viene applicata un’elevata pressione che permane

durante l solidificazione. È un processo particolarmente adatto alle leghe che presentano una tendenza alla

formazione di porosità. La pressione contrasta le cavità da ritiro e migliora le tolleranze.

METAL INJECTION MOULDING (MIM)

Il processo consiste in: preparazione di una miscela di polvere metallica e di un polimero termoplastico,

iniezione della miscela all’interno di uno stampo (tecnologia simile allo stampaggio materie plastiche),

riscaldamento pezzo in forno per far defluire il legante polimerico e sinterizzazione del pezzo. Si ottiene un

risultato con quantità di vuoti limitata, buona resistenza meccanica e buona finitura superficiale. 23

Pressofusione

Nella pressofusione lo stampo è costituito da due semi-gusci metallici all’interno dei quali viene iniettato il

metallo liquido in pressione. Quindi, la forma è permanente e la colata avviene sotto pressione. Lo stampo

viene realizzato in acciaio e i materiali che vengono colati presentano temperatura di fusione più bassa di

quella dell’acciaio (quindi non i materiali ferrosi, tra cui la ghisa).

Il processo è fortemente automatizzato: si hanno elevati volumi di produzione.

La pressa

Lo stampo

Lo stampo è costituito da una parte fissa (dalla parte del sistema di iniezione, presenta il sistema di adduzione)

e da una parte mobile (dalla parte del sistema di chiusura, presenta il sistema di eiezione); in particolare, si

hanno due porta stampi, in acciaio da costruzione, poco costoso, medio prestazionale e facilmente lavorabile,

e gli stampi veri e propri che contengono le impronte, in acciaio alto legato, molto costoso, resistente alla

fatica e al creep. L’elevato costo degli stampi fa si che la pressocolata sia attuabile solo per grandi volumi di

produzione in cui è possibile avere ripartizioni contenute dei costi fissi sulle unità vendute.

Si fa in modo che all’apertura dello stampo il pezzo rimanga sempre solidale con la parte mobile dello stampo

sfruttando il ritiro del materiale (il ritiro fa sì che la superficie convessa si restringa, staccando il pezzo dallo

stampo femmina e pezzo serrandolo ai maschi della parte mobile).

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Lo stampo è inoltre raffreddato da un circuito di climatizzazione interno ad olio tramite un sistema di fori

piccoli e lunghi. Questo consente di abbassare ancor di più il tempo ciclo. All’avviamento, questo circuito è

anche in grado di portare in temperatura lo stampo.

Tra il pezzo e lo stampo viene deposto un distaccante, una nebbia di olio, affinché il pezzo non lasci frammenti

sullo stampo, frammenti che renderebbero scarti tutti i pezzi successivi.

Per il serraggio delle metà-stampo si usa una pressa a ginocchiera per avere moltiplicazione della forza e

impedire quindi che l’elevata pressione esercitata dal fluido le apra; quest’ultimo è infatti iniettato a 1000 bar.

La forza necessaria a chiudere le due metà stampo definisce la taglia della macchina.

Se il pezzo lo consente, possono essere presenti più di un’impronta nello stampo, o anche impronte di pezzi

differenti.

Per la gestione dei sottosquadri si utilizzano tasselli o spine mobili, cioè delle parti di stampo che si muovono

trasversalmente alla direzione di apertura dello stampo per liberare il sottosquadro. Il movimento trasversale

viene ottenuto o tramite degli attuatori pneumatici (che vanno sincronizzati con la corsa dei pistoni della

pressa) o con delle spine che, in fase di apertura dello stampo, grazie ad una guida inclinata, si filano.

Esistono due tipologie di pressa:

- A camera calda: la macchina ingloba il forno di mantenimento. il pistone che è dentro nel liquido ne

inetta una quantità determinata negli stampi. Tuttavia, il pistone, dovendo rimanere a contatto col

metallo fuso per molto tempo, deve essere dotato di elevata resistenza alle alte temperature e la

temperatura del fuso deve essere controllata. È detta anche inietto-colata e si usa infatti

prevalentemente con lo zinco. 25

L'utilizzo dello zinco è giustificato dal fatto che il processo di inietto-colata è molto efficiente:

produttività molto elevata e miglior controllo della temperatura della lega (tempi di colata

perfettamente automatizzati).

Il funzionamento è come quello di un motore 2 tempi: il pistone salendo crea depressione e richiama

liquido, poi scendendo lo comprime, chiude il canale che lo porta al serbatoio e lo inietta nello

stampo.

- A camera fredda: la camera è aperta superiormente; si versa metallo liquido che poi viene iniettato

dal pistone nello stampo. La temperatura media di funzionamento di ogni singolo organo è più bassa

e compatibile con la lavorazione di quel materiale. Si tengono separate le funzioni di mantenimento

del liquido e iniezione. La capacità produttiva è decisamente inferiore al caso della pressa a camera

calda ma si richiede meno resistenza termica agli organi.

Le pressioni

- Pressione di iniezione: regolata in modo tale da avere un buon compromesso tra rapido riempimento

dello stampo per contenere il tempo ciclo (pressione elevata) ed evitare mancato riempimento, non

avere difetti generati dall’eccessiva velocità di flusso del metallo liquido (come le gocce fredde), e non

usurare eccessivamente lo stampo (entrambi pressione bassa).

Esistono sistemi che pochi istanti prima dell’iniezione nello stampo generano un vuoto spinto per

migliorare il riempimento della forma.

- Pressione di mantenimento: è la pressione che viene mantenuta durante la solidificazione, viene

regolata in modo tale da trovare il compromesso tra contrastare parzialmente il ritiro del materiale e

rimpicciolire la cavità da ritiro (pressione elevata) e evitare problemi di estrazione (pressione bassa).

Le temperature

- La temperatura di iniezione, cioè la temperatura del metallo durante l’ingresso nello stampo, viene

scelta in maniera tale da trovare la situazione di compromesso tra avere il completo riempimento

della figura prima dell’inizio della solidificazione (quindi varia in funzione della geometria,

temperatura elevata) e avere un tempo ciclo contenuto (temperatura bassa, più si scalda il liquido,

più tempo di vuole per raffreddare).

26 - Temperatura dello stampo, cioè la temperatura cui viene mantenuto lo stampo, deriva dal

compromesso tra avere il completo riempimento della figura prima dell’inizio della solidificazione

(temperatura elevata), avere un tempo ciclo contenuto (temperatura bassa) ed evitare lo shock

termico dello stampo (differenza di temperatura iniezione-stampo bassa). Quest’ultima in particolare

è fonte di sollecitazione termica per lo stampo, che si manifesta tramite fatica, e lo porta a criccarsi

con spaccature simili a quelle presenti nella terra secca.

Gli inserti

Se il pezzo lo richiede si possono inserire perni o elementi filettati destinati a rimanere annegati nel pezzo o

ad essere svitati dopo la solidificazione.

Progettazione stampo

A causa del costo degli stampi e della pressa, si vuole abbattere il tempo ciclo; è fondamentale quindi avere

una solidificazione e efficiente e il più rapida possibile. Per fare ciò i pezzi presentano spessori limitati e un

buon numero di nervature, la temperatura dello stampo è il più bassa possibile, i circuiti di raffreddamento

sono il più possibile vicini alle impronte.

Per evitare problemi di mis-run e cavità da ritiro, non potendo installare delle materozze come in fonderia, si

usano dei cilindretti, detti “fagioli” che si riempiono di fuso, solidificano dopo del pezzo e lo tengono

alimentato. I fagioli hanno anche la funzione omogeneizzare la temperatura e di accogliere il primo metallo,

che ha il difetto di essere più ricco di distaccante bruciato, essendo lui il primo oggetto che ne viene a contatto.

Gli stampi sono anche impermeabili ai gas. Nonostante non ci sia elevata produzione di gas come in fonderia,

è un aspetto che può non essere trascurabile. Sul piano di divisione degli stampi sono allora presenti le

cosiddette “tirate d’aria”, dei forellini del diametro di 1 o 2 decimi di millimetro attraverso i quali i gas possono

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uscire sotto la pressione del fuso. Una volta otturati dal fuso, si ha solidificazione istantanea, e per questo

motivo si trovano nel piano di divisione degli stampi, ovvero per poter essere rimosse col pezzo.

Difetti tipici

Mancato riempimento: vi è una prematura solidificazione del metallo prima che abbia riempito

completamente la forma. Si risolve aumentando la temperatura di colata, aumentando la temperatura dello

stampo, aumentando la pressione di iniezione o allargando la parete.

Porosità: la porosità è un problema secondario nella pressofusione. Viene risolta aumentando la pressione di

mantenimento o “degasando” la lega prima dell’iniezione.

Blistering: bolle sub-superficiali indentano le superfici nel tentativo di uscire all’apertura degli stampi.

Materiali e prodotti

Si colano solitamente leghe di alluminio, zinco, rame, magnesio, stagno e piombo. Assolutamente non i ferrosi

in quanto la loro temperatura di fusione è troppo vicina a quella degli stampi. Le geometrie possono essere

complesse e sono caratterizzate da spessori limitati e costanti e tante nervature per recuperare un po’ di

resistenza meccanica, la rugosità buona e le tolleranze dimensionali strette. Sono necessari elevati volumi di

produzione come già detto.

COLATA IN CONCHIGLIA

La fusione in conchiglia utilizza uno stampo in acciaio o ghisa (la conchiglia) all’interno del quale viene versato

direttamente il metallo liquido. Quindi, la forma è permanente e la colata è in gravità.

28 Le eventuali anime possono essere in terra di

fonderia (sx) o in metallo (dx). Esiste anche la

colata in conchiglia parziale, dove come

stampo si hanno sia parti metalliche che parti

in terra da fonderia. In questo modo le parti

di metallo fungono da "grossi raffreddatori",

raffreddando bruscamente il metallo fuso e

dando quindi zone del getto caratterizzate da

una maggior durezza (e anche fragilità).

La conchiglia è realizzata o in ghisa o in acciaio e deve resistere alla lega fusa. Come per la pressofusione, non

è possibile colare acciaio ma leghe con temperatura di fusione minore: leghe di rame, zinco, magnesio e

alluminio. In alcuni casi si riesce a colare la ghisa.

Per limitare lo shock termico la conchiglia viene riscaldata prima della colata. Si ottengono pezzi di piccole-

medie dimensioni.

Vantaggi: tolleranze geometriche strette (più ampie della pressofusione), buona finitura superficiale, ottima

riproducibilità. Limiti: pezzi medio-piccoli, pareti di spessore elevato (mag