Tecnologia delle costruzioni aeronautiche, TCA2, Daniele Fanteria

Fonderia

La fonderia consiste nell’immettere un metallo fuso in una cavità. Dopo il raffreddamento del metallo si ottiene un pezzo che ricopia al positivo la forma della cavità. I principali materiali usati nella fonderia sono acciaio, ghisa, bronzo, ottone, leghe di alluminio e leghe di titanio. Un metallo da fonderia deve avere una temperatura di fusione relativamente bassa, non superiore a 1500-1600°C, e deve possedere una buona fluidità allo stato fuso in modo da riempire correttamente la forma.

Problemi nella fonderia

Un primo problema nella fonderia riguarda le deformazioni di origine termica. Tutti i metalli infatti subiscono una brusca variazione di volume durante la transizione liquido-solido e questa può essere causa di difetti nei getti (getto è il pezzo ottenuto per fonderia). Raggiunto lo stato solido, il volume del getto continua a diminuire durante il raffreddamento fino a temperatura ambiente, e questo può causare ulteriori difetti.

La variazione di volume può essere compensata alimentando il getto con del metallo fuso. Ciò viene realizzato predisponendo un opportuno volume di materiale, detto “materozza”, dimensionato in modo da raffreddare per ultimo e quindi poter alimentare il getto con metallo fuso. Quindi la funzione della materozza è quella di spostare il baricentro termico della fusione, zona nella quale si completa la solidificazione, dal getto alla materozza stessa. Viene poi eliminata insieme al canale di colata.

Il raffreddamento non può avvenire in modo uniforme e i gradienti di temperatura sono la causa di tensioni residue nei getti la cui entità può essere tale da produrre criccature nel getto (autotensioni).

Tecniche di fusione

Il modo più antico di creazione della forma nella quale immettere il metallo fuso è quella di creare la forma nella terra (fusione in terra). Per poter realizzare la forma serve però un “modello”, un pezzo che è simile al pezzo che si vuole costruire. Simile perché considerando che il metallo subisce un ritiro non trascurabile durante il raffreddamento, il modello deve essere più grande. Oltretutto un pezzo fuso non è quasi mai finito, viene sempre lavorato alle macchine utensili per ottenere precise quote e tolleranze. Questo si traduce con un sovrametallo (previsto nel disegno del modello) per consentire tali lavorazioni. Infine, deve essere dotato di angoli di spoglia per essere estratto senza danneggiare la cavità formata.

Per l’allestimento della forma si usano staffe, contenitori senza fondo dotati di fori per essere correttamente riferiti. Deve essere previsto un canale di colata per riempire la forma, che inizia con un bacino per rallentare la caduta del metallo fuso (per evitare di danneggiare la forma). Un filtro posto alla fine trattiene la scoria che ha peso specifico minore del metallo. Si è già detto che lo scopo della materozza era quello di spostare il baricentro termico dal getto alla materozza stessa in modo da inglobare i difetti in essa. Deve raffreddare per ultima, deve quindi essere sufficientemente grande o essere coibentata o cieca (per diminuire la dispersione termica).

Questo si può ottenere anche con elementi metallici, detti anelli di raffreddamento, che favoriscono un raffreddamento di tipo direzionale. Per verificare la direzionalità di un getto, possono essere d’aiuto i “cerchi di Heuvers”: i cerchi inscritti nel disegno del getto devono avere diametro crescente verso la materozza.

Tipologie di formatura

La terra da fonderia è formata da sabbia di quarzo (ca. 90%) impastata con argilla (ca. 10%) con piccole quantità d’acqua per aumentare la coesione e la plasticità. Forme di grande dimensione vengono poi essiccate in forno (formatura a secco), mentre forme di piccola dimensione possono essere usate direttamente (formatura a verde).

Nella formatura in sabbia-cemento si usa un materiale costituito dal 90% di sabbia di quarzo e dal 10% di cemento, impastato con una piccola quantità di acqua. In questo modo si ottiene una forma molto compatta e resistente alla spinta del metallo.

La formatura a guscio prevede un modello necessariamente realizzato in metallo, che viene riscaldato a 300 °C. Su di esso viene applicato un prodotto distaccante e depositato una miscela di sabbia di quarzo e polvere di resina termoindurente. Il calore fonde la resina che si lega con la sabbia, formando la prima metà del guscio. Si forma separatamente la seconda metà, si accoppiano i due semi-gusci e si effettua la colata. Il guscio è utilizzabile per una sola fusione.

Nella formatura con modello in polistirene espanso il modello è, appunto, un modello (a perdere) in polistirene espanso che crea la forma nella terra che successivamente sarà riempita dal metallo fuso (che ha il compito di bruciare il modello).

La formatura in conchiglia invece prevede la costruzione della conchiglia, una forma in acciaio resistente ad alta temperatura, nella quale viene introdotto il metallo fuso. Ovviamente la conchiglia ha una vita limitata a causa del compito gravoso a cui è sottoposta, ma che comunque può arrivare a 5000 fusioni in acciaio, e a 100.000 per fusioni in lega di alluminio. Con questa fusione si ottengono getti di elevata qualità e tolleranze strette. Le piccole produzioni aeronautiche non giustificano però l’elevato costo associato alla costruzione della conchiglia.

La qualità è anche dovuta alla elevata pressione alla quale si può immettere il metallo fuso, cosa non possibile nella fusione in terra. Esistono comunque tecniche di formatura in sabbia che sfruttano una leggera pressione del metallo fuso, generata con forze esterne o forza centrifuga (low pressure sand casting). Altre tecniche di miglioramento del getto prevedono l’utilizzo di leghe di elevata purezza (premium casting).

Fusione in cera persa

La fusione in cera persa è una delle tecniche (come quella in conchiglia) con la quale è possibile realizzare pezzi estremamente complessi. Si inizia costruendo un modello in cera del pezzo che si deve stampare, iniettando la cera fusa in uno stampo plastico, contando anche i canali di colata. Se il modello è piccolo può essere conveniente unire diversi elementi a formare dei grappoli (clusters), non necessariamente uguali. Si passa poi alla costruzione dello stampo ceramico: si immerge il grappolo in un impasto liquido ceramico (caolino), ricoprendolo poi con sabbia fine di quarzo; si lascia asciugare e si ripete fino a quando si ottiene una consistenza adeguata. Lo stampo viene liberato dalla cera riscaldandolo ad alta temperatura, e dopo che è completamente pulito si effettua la colata. Dopo il raffreddamento lo stampo viene rotto.

Squeeze casting

La “squeeze casting” è una tecnica di fonderia molto simile allo stampaggio. Il metallo fuso viene inserito in uno stampo e pressato con un controstampo. Così si ottengono getti molto compatti. Quanto detto si applica perfettamente alle leghe di alluminio, ma per il titanio e le sue leghe ci sono diversi problemi dovuti all’elevata reattività di quest’ultimo allo stato fuso. La fusione e la colata del titanio devono quindi avvenire sottovuoto. Il metallo viene fuso con arco elettrico o electron beam (trattati più approfonditamente nel capitolo “saldature”), tecniche che non riescono a sovrariscaldare il metallo, per cui il getto solidifica in poco tempo. Quindi lo stampo deve essere riempito rapidamente con l’ausilio di una forza centrifuga. Il titanio reagisce anche con i normali materiali da fonderia, quindi è necessario ricorrere a materiali particolari, e si preferisce comunque asportare lo strato superficiale con fresatura chimica. Dopo questa operazione il getto può essere compattato ad alta temperatura (HIP, hot isostatic pressing, o più comunemente ippatura). Questa operazione riesce a eliminare tutte le cavità interne.

Applicazioni nel campo aeronautico

In generale non esistono regole generali per stabilire quando la fonderia è convenientemente applicabile. Per componenti semplici la fonderia comporta un aumento dei costi e dei pesi rispetto alle altre tecnologie. Per componenti di media complessità e dimensioni si possono avere dei vantaggi, mentre per dei componenti di complessità medio/alta si può ottenere una riduzione dei costi. La fusione in terra è preferibile per pezzi di dimensioni medio/grandi, mentre quella in cera persa per pezzi di dimensioni medio/piccoli di elevata complessità.

Lavorazioni per deformazione plastica

Le lavorazioni per deformazione plastica sfruttano la capacità dei metalli di sopportare deformazioni permanenti con un aumento delle proprietà meccaniche. Alcuni procedimenti vengono effettuati ad alta temperatura, poiché in tutti i metalli si osserva, all’aumentare della temperatura, una diminuzione della tensione di snervamento (minore forza necessaria a produrre la deformazione) e un aumento dell’allungamento a rottura (maggiore deformazione prima della rottura).

Laminazione

La laminazione è un processo con il quale è possibile ridurre lo spessore di un materiale obbligandolo a passare attraverso 2 cilindri lisci, ad alta temperatura. Durante la laminazione deve verificarsi la condizione di trascinamento, senza la quale il processo non è possibile. Con riferimento alla figura, detta P la forza che i rulli scambiano con il laminato al momento dell’imbocco, la componente Psenα si oppone all’ingresso del massello. Però per la forza di attrito si ha una forza T=fP (f è la forza d’attrito) la cui componente Tcosα tende a far entrare il massello nel laminatoio. Quindi per avere trascinamento, “Tcosα>Psenα” cioè “f>tgα”. C’è cioè un massimo di riduzione di spessore ottenibile da una coppia di rulli. Per diminuzioni maggiori si opera attraverso treni di “laminazione”, dove ci sono diverse coppie di rulli, e attraverso ognuna si ottiene una riduzione dello spessore di circa il 20%. I cilindri possono essere lisci per la produzione di lamiere o sagomati per la produzione di profilati. Le temperature di laminazione sono di 1200 °C per gli acciai e 450 °C per le leghe di alluminio.

Estrusione

L’estrusione è un processo nel quale il materiale viene spinto e obbligato a passare attraverso un foro che conferisce la forma al pezzo finale. La lavorazione è tipicamente effettuata ad alta temperatura. Esiste anche uno schema di “estrusione inversa”, dove la billetta non si muove rispetto al contenitore (è la filiera che gli viene spinta contro), quindi la forza necessaria è minore. Ovviamente la filiera è l’elemento più importante nel processo. È sottoposta a sollecitazioni e temperature elevate per cui è sempre costruita in acciaio ad alta resistenza. La lavorazione viene effettuata per elettroerosione (trattata più avanti).

Osservando una filiera in maggior dettaglio, questa presenta sempre un tratto conico d’imbocco seguito da un tratto cilindrico (calibratore) che ha la funzione di conferire la forma finale all’estruso (non dev’essere troppo corto per problemi di usura e nemmeno troppo lungo per limitare la forza necessaria per realizzare l’estrusione). Nel caso di elementi non simmetrici richiede particolari accorgimenti perché il materiale tende ad uscire maggiormente dove incontra meno resistenza, creando una curvatura nell’estruso come si vede nell’immagine con un profilo a “T”. La filiera può avere fori multipli per l’estrusione di più profili contemporaneamente (non necessariamente tutti uguali). La filiera può essere lubrificata per aumentare la qualità dell’estruso e per diminuire la forza necessaria all’estrusione.

Trafilatura

La trafilatura è un processo molto simile all’estrusione, ma in questo caso il materiale viene tirato, anziché spinto, attraverso un foro. La lavorazione è tipicamente effettuata a temperatura ambiente. Il più comune prodotto della trafilatura è il filo metallico a sezione circolare. Esiste un valore limite alla riduzione di sezione con un singolo passaggio, che è legato alla forza che il filo può sostenere senza rompersi. Dopo alcuni passaggi si ha incrudimento del materiale, con conseguente aumento della forza necessaria per la trafilatura e la possibile rottura del filo. A questo punto è necessario interrompere il processo e effettuare una ricottura.

Stampaggio

Lo stampaggio è una tecnica di formatura che consiste nell’obbligare un metallo, riscaldato ad alta temperatura, a riempire la cavità presente in uno stampo (quasi sempre formato da stampo e controstampo) deformandosi plasticamente. In figura una rappresentazione schematica. I due semistampi vengono chiusi applicando una forza con una pressa idraulica o con un maglio. La compressione causa una espansione laterale e verticale del massello che permette il riempimento dello stampo. Il massello di partenza ha un volume più elevato del volume del pezzo da costruire perché durante lo stampaggio il materiale viene compattato e anche perché non è facile garantire il perfetto riempimento dello stampo. Il metallo in eccesso fuoriesce in un apposito vano, detto “canale di bava” che non solo serve per raccogliere il metallo in eccesso, ma anche quando il metallo molto caldo entra nel canale, che ha spessore di pochi millimetri, si raffredda impedendo parzialmente l’ulteriore scorrimento del metallo stesso nel canale. Così facendo, continuando la chiusura dello stampo il metallo tende a riempire le cavità ancora vuote e a compattare il pezzo.

L’aspetto più interessante dello stampaggio è quello di formare una struttura fibrosa nel materiale, fibre che non sono altro che i grani allungati durante la deformazione plastica. Si osserva nei forgiati una elevata resistenza nella direzione delle fibre. Questo aspetto può essere sfruttato cercando di far coincidere l’orientamento delle fibre con le direzioni di massima sollecitazione. Elementi molto sollecitati sono sempre ottenuti per stampaggio (per esempio i carrelli di atterraggio in campo aeronautico).

Tipi di stampaggio

• Formatura manuale, detta comunemente fucinatura. L’operatore, con uno o più attrezzi, costruisce il pezzo deformandolo progressivamente. La fucinatura può essere interessante per produzioni prototipali o per produrre preforme sbozzate da utilizzare successivamente per lo stampaggio.
• Stampaggio di sbozzatura, che produce pezzi sbozzati che saranno poi lavorati alle macchine utensili. Lo sbozzato viene ottenuto con un solo stampo (forti spessori e ampi raggi di raccordo necessari).
• Stampaggio convenzionale, generalmente ottenuto con almeno due stampi (il primo è sbozzatore). Con questa tecnica è possibile ottenere elementi più complessi e tolleranze più strette, con spessori anche minori.
• Stampaggio di precisione, ottenuto da più di 2 stampi. I raggi di raccordo e gli spessori possono diminuire e le tolleranze sono più strette.
• Stampaggio per estrusione, che serve per stampare elementi di forma tubolare aperti da almeno una parte (per esempio i contenitori in alluminio per pomate).
• Ricalcatura ed elettroricalcatura, che utilizza l’effetto Joule per riscaldare localmente un pezzo. Serve per ottenere pezzi sbozzati che saranno successivamente stampati.

In campo aeronautico lo stampaggio è prevalentemente usato per l’elevata resistenza meccanica dei pezzi stampati rispetto a quella degli stessi pezzi ottenuti con altre tecnologie. Se non fosse per questo motivo, difficilmente le piccole serie caratteristiche delle produzioni aeronautiche giustificherebbero una tale scelta.

Il primo aspetto importante di un elemento stampato è la linea di separazione dello stampo, che generalmente coincide con la massima proiezione del componente e può essere piana o irregolare. È preferibile posizionarla sulla massima periferia del pezzo perché è più facile espandere il metallo su un piano che non forzarlo ad entrare in una cavità. Nella scelta del piano di separazione è opportuno considerare le eventuali forze laterali che si generano a causa della non simmetria del pezzo da realizzare. Questo problema può essere ovviato inserendo delle guide, o prevedendo un diverso piano di separazione dello stampo.

Per poter estrarre un pezzo da uno stampo è necessario che il pezzo presenti opportuni angoli di spoglia, di circa 5°. I sottosquadri nello stampaggio sono possibili solo se consentono l’apertura degli stampi (anche per esempio in un solo semistampo se è possibile estrarre il pezzo in una certa direzione). I raggi di raccordo dipendono dal tipo di stampaggio, e devono essere tanto più grandi quanto maggiore è la distanza dal piano di separazione dello stampo. Raggi di raccordo troppo piccoli possono causare rotture negli stampi e problemi di saldatura fredda nel materiale.