Tecnologie e studi di fabbricazione - primo parziale

FUSIONE

La fusione è un processo semplice, consiste nel colare il metallo fuso in uno stampo e lasciarlo raffreddare. Un vantaggio della fusione è che è un sistema (quasi) complessity for free, cioè il costo del processo rimane (quasi) invariato a parità di volume e differenza di complessità geometrica del componente che vogliamo realizzare. Infatti, col metodo della fusione possiamo realizzare componenti estremamente complessi e oggetti estremamente grandi. Poiché i costi fissi sono bassi, è particolarmente conveniente per lotti piccoli e medi. Alcuni metodi possono essere usati anche per grandi lotti. Una limitazione è il peggioramento delle caratteristiche meccaniche del materiale, questo perché, fondendolo, il materiale perde il suo incrudimento e torna quindi alle sue caratteristiche base. Inoltre, ci sono anche altri problemi, di sicurezza, ambientali e di scorie. Quando si fa un processo di fusione è importante.

considerare come variano le caratteristiche strutturali del materiale al variare di tempo e temperatura. La temperatura è fondamentale per la dimensione dei grani che si formano, lasciando il materiale per un tempo maggiore a una temperatura più alta aumenta la dimensione dei grani, invece raffreddando più velocemente il materiale si crea una struttura a grani piccoli. Inoltre dobbiamo sempre considerare che non tutto il materiale solidifica alla stessa velocità, la zona più esterna, quindi a contatto con le superfici dello stampo, si raffredderà più velocemente e si formeranno quindi grani di dimensioni minori, invece la parte interna del materiale si raffredderà più lentamente. Si formano quindi delle strutture un po' diverse. Inoltre a seconda delle percentuali di elementi di lega si creano strutture cristalline diverse. Il processo di fusione, e quindi poi di solidificazione del materiale, porta alla formazione di

Alcune strutture cristalline chiamate dendriti si formano perché il materiale inizia a solidificarsi a partire dal punto di contatto con lo stampo e va verso l'interno, assumendo una forma simile a un albero di Natale. Queste strutture sono molto fragili e spesso si formano all'inizio della solidificazione, per poi rompersi e unirsi al resto del materiale, formando grani più piccoli. Questo avviene perché durante la solidificazione il materiale non è immobile, ma si creano flussi di materiale caldo. La quantità di dendriti che si formano dipende anche dalla presenza di elementi nel materiale. Ad esempio, nelle ghise con una percentuale di carbonio maggiore rispetto agli acciai, si formano dendriti più grandi e resistenti. Ci sono anche altri fattori che influenzano la formazione delle dendriti, come il tipo di stampo utilizzato e la velocità di raffreddamento.

Tempo

di un materiale influisce sul suo tempo di solidificazione. Materiali con temperature di fusione più basse solidificano più rapidamente rispetto a quelli con temperature di fusione più alte. Il tempo di solidificazione è un parametro importante da considerare durante i processi di fusione e solidificazione dei materiali. Una corretta gestione del tempo di solidificazione può influire sulla qualità del prodotto finale. Per determinare il tempo di solidificazione, si utilizza il modulo termico del materiale moltiplicato per una costante specifica del materiale stesso. Spesso vengono eseguite prove standard per valutare il tempo di solidificazione di un materiale. Una delle prove più comuni è la prova di fluidità, che consiste nel versare il materiale fuso lungo un percorso, ad esempio a spirale, e osservare fino a che punto il materiale si solidifica. La fluidità del materiale è un fattore importante durante il processo di fusione. Non tutti i materiali sono adatti per questo processo. I materiali più adatti sono quelli che, allo stato liquido, sono più fluidi e meno viscosi. Ad esempio, l'acciaio è troppo viscoso e non può essere utilizzato per geometrie complesse. Al contrario, il bronzo e l'alluminio sono materiali molto adatti per la fusione. Inoltre, la temperatura di fusione di un materiale influisce sul suo tempo di solidificazione. Materiali con temperature di fusione più basse solidificano più rapidamente rispetto a quelli con temperature di fusione più alte.

è importante, perché maggiore è la temperatura di fusione emaggiore sarà l’energia che serve per fonderlo e quindi anche la spesa.

Nel processo di fusione si usa il sopra riscaldamento del materiale, cioè si porta il materiale a una temperatura più alta della temperatura di fusione, in modo che non inizi a solidificarsi appena colato nello stampo, in modo che possa riempire tutto lo stampo prima di iniziare a solidificarsi. Solitamente si usa una temperatura di 100-150° sopra la temperatura di fusione.

Cono di ritiro

Un fattore importante da considerare è il ritiro termico, cioè quando il materiale passa dallo stato liquido a solido si contrae il volume. Poiché il materiale non solidifica tutto allo stesso momento, ma gli strati più esterni solidificano prima, si forma quindi un cono di ritiro, dovuto al ritiro termico, cioè un'area dove manca il materiale.

Per questo motivo bisogna dimensionare lo stampo in

modo da avere effettivamente le misure che volevamo, quindi dovremo realizzare degli stampi più grandi, a seconda del materiale usato.

Superficie

La superficie che risulta dopo un processo di fusione non è perfetta, ma ci sono varie imperfezioni, e alcuni superficie andranno quindi levigate e lavorate. Andranno quindi aggiunti degli ulteriori spessori di materiale in più per le superfici che andranno lavorate.

Processi di fusione

I processi di fusione possono essere fatti con forma transitoria e forma permanente. Quelli con forma permanente consistono in uno stampo che viene riusato per tutti i componenti da produrre con la stessa forma, hanno infatti costi fissi più alti, ma costi variabili bassi, sono infatti adatti per grandi lotti. I processi con forma transitoria consistono nell'utilizzo di uno stampo che deve essere rifatto per ogni componente, hanno quindi costi fissi più bassi ma costi variabili alti, sono infatti adatti per piccoli lotti.

esempio di forma transitoria è la fusione con lo stampo in sabbia. Fusione in sabbia è il processo in forma transitoria più usato. Lo stampo viene preparato sulla base di un modello dell'oggetto che vogliamo realizzare con l'aggiunta di alcuni pezzi che servono per svolgere il processo, fra questi i canali di colata, all'interno dei quali viene fatto colare il materiale all'interno dello stampo. Per evitare il cono di ritiro si utilizzano le materozze, sono degli elementi all'interno delle quali si forma il cono di ritiro in modo che non si formi nel componente. Per la fusione in sabbia si utilizza una sabbia specifica, ottenuta dalla macinazione delle pietre, in modo che abbiano delle particelle spigolose, che si incastrano fra loro. La sabbia si trova all'interno di un contenitore (stampo) di metallo. Modello: oggetto che si mette nella sabbia in modo da darle la forma che vogliamo, dovrà avere delle dimensioni maggiori rispetto a

quelle che vogliamo per il ritiro termico e per le successive lavorazioni che subirà il pezzo. Una caratteristica che deve avere il modello è che deve essere facilmente estraibile dallo stampo insabbia, senza rovinarlo, deformarlo e portare via la sabbia. Per questo si inseriscono degli angoli disformo per tutte le superfici ortogonali alla superficie della sabbia.

Il modello per la fusione in sabbia è solitamente fatto in materiali economici semplici da lavorare, come il legno. Spesso il legno viene verniciato, in modo che abbia una buona finitura superficiale. O in altri casi si usano modelli di metallo.

Piastra modello: piastra con sopra il modello.

Caratteristiche che deve avere lo stampo: resistenza all'usura, permeabilità (per fare uscire i gas, che altrimenti formerebbero bolle), stabilità termica, riusabilità della sabbia.

Solitamente si utilizza sabbia di silicio (SiO2), oppure anche miscugli di sabbie diverse.

All'interno dello

Stampo spesso inseriamo delle anime per creare delle cavità all'interno del componente. Vengono inserite all'interno dello stampo dopo aver tolto il modello.

Portata d'anima: posto lasciato dal modello per poter inserire l'anima, le anime sono fatte con le sabbie migliori, perché sono quelli esposti a maggior calore.

L'anima può anche essere armata con un tondino di ferro, in modo da rinforzarla. Le anime spesso sono fatte in sabbia rivestita da resina termoindurente.

Quando un componente è molto grande occorre avere più canali di colata, per riempire le stampo più velocemente, prima che il materiale inizi a solidificarsi. Serve quindi anche un sistema di distribuzione del materiale fuso.

Cono di ritiro: Il cono di ritiro si formerà principalmente nella parte che raffredda per ultima. Questo perché nelle zone che hanno già iniziato a solidificarsi, inizia già ad avvenire il ritiro termico, e quindi...

averela superficie minore possibile. Per questo dovrebbero avere quindi forma sferica, poiché è complicata darealizzare, solitamente hanno una forma cilindrica (comunque vicina alla forma sferica).

Inoltre è importante calcolare se il volume della materozza è sufficiente ad alimentare il volume chemanca per il ritiro termico.

Le condizioni sono quindi:

• modulo termico più alto, in modo che sia l’ultima parte a solidificarsi.
• volume sufficientemente grande.

Il volume del cono di ritiro si calcola come volume del pezzo per ritiro termico (2%).

Poiché il cono di ritiro non ha una forma regolare, per proteggere il componente, non possiamosvuotare completamente la materozza, ma ne possiamo sfruttare solo il 14% (per quelle cilindriche).

Quindi c’è un volume massimo di protezione che la materozza può offrire.

Formule:

Un ultimo fattore da considerare per la progettazione delle materozze è che non tutte le zone devonoessere protette,

alcune zone, quelle che solidificano per prime, non hanno bisogno della protezione, come le parti di estremità. Questo, in