Tecnologia meccanica - pag. 91-107

Lezione del 25/10/12

Riassumendo

Abbiamo visto le tecniche di colata con stampo a perdere e modello permanente: in pratica abbia-

mo visto la cosiddetta “colata in verde” (come

in figura, solo che al posto del verde c’è il gri-

gio “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

maggior resistenza, un’altra variante che ab-

biamo 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 va-

riare la propria direzione di 90° dall’orizzontale alla verticale, tecnica caratterizzata da una pro-

duttività 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 in-

vece 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:

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 contem-

poraneamente viene applicato il vuoto all’interno dello stampo. In alternativa si può applicare una

sovra pressione 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 sovra pressione fa salire il metallo ma dobbiamo in qualche modo rendere permeabile il

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materiale dello stampo. Per quanto riguarda la lezione di oggi, l’obiettivo è vedere le seguenti tec-

niche:

 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 va-

porizzazione 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 van-

taggio. Perciò il fatto di avere un modello a perdere, amplia la gamma di geometrie disponibili, an-

che 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 rea-

lizzare 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 rappre-

sentino 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.

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 da già un’idea del

fatto che questa tecnica si usi soprattutto per realizzare prodotti di piccole dimensioni, perciò men-

tre 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

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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.

In che materiale è realizzato il 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:

Analizziamo il procedimento per ogni figura:

a) ci sono due semistampi per la produzione del modello, ci versiamo dentro la cera fusa o

il polistirene e aspettiamo che solidifichi; 87

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 po-

listirene è un termoplastico, una plastica che rammollisce all’aumentare della tempera-

tura 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 essicca-

re 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 model-

lo, perciò la parte centrale della nostra struttura ad albero è cava e consente la fuoriusci-

ta del materiale del modello (cera o polistirene).

h) A questo punto abbiamo una conchiglia con un’accettabile capacità di resistenza mec-

canica, vuota all’interno perché abbiamo fatto uscire il materiale del modello. Possia-

mo versare il metallo fuso e dopo solidificazione rompiamo il tutto. Ovviamente il ma-

teriale 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.

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 ro-

bot, 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 inizia-

to 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 riem-

pimento: il vuoto è sempre un aspetto che migliora la qualità del prodotto, per cui quando si può lo

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

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Il nome in inglese è lost-foam e tradotto in italiano significherebbe “schiuma persa”, ma è preferibi-

le 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 stam-

po. 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 conchi-

glia va buttata.