Il processo di pressofusione si divide in due tipologie principali: pressofusione a camera fredda e pressofusione a camera calda. La differenza consiste nel fatto che nel processo a camera fredda il metallo liquido, nella giusta quantità, viene versato ad ogni ciclo in una camera esterna al crogiolo in cui si trova il metallo fuso, mentre nel processo a camera calda la camera di pressione è immersa nel crogiolo in cui si trova il metallo fuso. In questo articolo parleremo del processo a camera calda, che da oltre settant’anni è il processo praticato dalla Bruschi per la produzione di parti in lega di zinco. I principali vantaggi del processo a camera calda consistono in:

• Rapidità del processo produttivo, a seguito della relativamente bassa temperatura di fusione;
• Maggiore durata degli stampi e delle attrezzature;
• Quasi totale assenza di lavorazioni meccaniche successive.

Gli elementi principali del processo di pressofusione a camera calda sono:

• la pressa, con le relative periferiche (robot, centralina termica, attrezzature per l’eliminazione delle materozze);
• lo stampo.

La pressa e i suoi componenti

La pressa si compone principalmente di due parti: il gruppo iniezione e il gruppo chiusura. Sul gruppo chiusura viene installato lo stampo nel quale sono incise le sagome (cavità) da riempire per ottenere i prodotti pressofusi.

Il gruppo iniezione

Il gruppo iniezione è composto dal forno (1) nel quale è inserito il crogiolo (2), dal sifone (3) e dal cilindro di iniezione (5). Nel crogiolo (2), abitualmente riscaldato elettricamente, si trova il metallo liquido (nel nostro caso, trattandosi di leghe di zinco, a 400°C) nel quale è immersa la camera di pressione (8), da qui la definizione “a camera calda”.  La camera di pressione viene riempita per gravità attraverso i fori di rabbocco. Un pistone (4) verticale azionato dal cilindro di iniezione (5) spinge il metallo liquido verso il basso. Il metallo liquido, attraverso un condotto chiamato “collo d’oca” (7), viene così indirizzato verso l’ugello (6) che, essendo in appoggio sullo stampo consente al flusso del metallo di raggiungere le cavità, dette anche impronte, da riempire.

La pressione di circa 30 Mpa (300 bar) applicata sul metallo garantisce il rapido riempimento delle cavità. Infatti il tempo di riempimento delle cavità è uno dei fattori più importanti di cui tenere conto poiché per la buona riuscita del getto è necessario che il metallo non solidifichi fino al completo riempimento della cavità. Si parla infatti di millesimi di secondo e di conseguenza di velocità molto alte nelle zone di ingresso colata, fino a 60 mt/sec.

Il gruppo chiusura

Il gruppo chiusura provvede a tenere serrato lo stampo al momento dell’iniezione tramite un sistema a ginocchiere (4) azionato da un cilindro oleodinamico (2). Si compone di un piano fisso (7) in prossimità del gruppo iniezione e di un piano mobile (5) scorrevole su 4 colonne guida (6). Nella parte posteriore della piastra mobile è fissato il cilindro di estrazione (3) collegato all’elemento mobile dello stampo chiamato “Tavolino di estrazione”.

Lo stampo

Lo stampo si compone di due parti separate del piano di chiusura principale ognuna delle quali contiene parte delle cavità da riempire. La parte fissa (1) ancorata al piano fisso della pressa, e la parte mobile (2), ancorata al piano mobile della pressa. Nelle due metà stampo sono ricavate le cavità (4) da riempire (il negativo del prodotto da ottenere). Nello stampo avviene infatti la fase di raffreddamento e solidificazione. È la fase in cui in pochi secondi il prodotto prende la forma definitiva. Il riempimento avviene attraverso un ingresso sottile circa 0,4 mm che consente di evitare eccessivo testimone sul prodotto. Nel tavolino di estrazione (3) sono fissati i perni estrattori, così chiamati perché, azionati dal cilindro di estrazione, esercitano una spinta sui prodotti solidificati per estrarli dalle cavità dello stampo.

Le apparecchiature periferiche

Al termine della fase di estrazione entrano in gioco le apparecchiature periferiche. L’intero grappolo (o stampata) viene prelevato dal robot (in Bruschi tutte le macchine sono dotate di robot antropomorfi ABB) ed un sistema di fotocellule o telecamere ne controlla la completezza. Il robot deposita poi il grappolo alla fase successiva di eliminazione della materozza e dei canali di colata (alimentazione). Vi sono diverse possibili soluzioni per l’eliminazione delle “materozze”: presse di tranciatura, apparecchiature specifiche per l’utilizzo della movimentazione del robot che simula l’azione umana, o automazioni dedicate.

Pressofusione di zinco: quali prospettive?

La pressofusione moderna è molto diversa da quella di qualche decennio fa. Le attività e le soluzioni che una volta erano affidate alla maestria ed alla abilità dell’operatore sono oggi demandate a sistemi avanzati di controllo del processo gestibili direttamente a bordo macchina ed in remoto. Il progresso tecnologico mette oggi a disposizione macchine dotate di sistemi sofisticati per il controllo dei parametri principali del processo di pressofusione (pressioni, temperature, velocità del metallo e degli azionamenti, tempi di compressione e raffreddamento). L’evoluzione delle macchine di pressofusione va infatti di pari passo con i sistemi avanzati di progettazione. La definizione delle strutture ottimali del prodotto tramite analisi ad elementi finiti porta alla creazione di sagome sempre più complesse e con tolleranze sempre più ristrette che non possono essere realizzate senza l’utilizzo di apparecchiature all’avanguardia.

È perciò indispensabile l’approccio scientifico nella progettazione e pianificazione del processo così come nella soluzione dei problemi produttivi e di qualità sia strutturale sia estetica. Bruschi si è perciò dotata da tempo del programma di simulazione che consente una approfondita analisi di riempimento ed una verifica dei cicli produttivi per la corretta individuazione dei punti di iniezione e l’eliminazione di possibili aree a bassa qualità del pressofuso. Già dagli anni ’80 Bruschi ha costruito e sviluppato il proprio sistema di stampaggio sottovuoto (ad oggi ancora non comune per la pressofusione delle leghe di zinco). Lo stampaggio sotto vuoto consente di ottenere fusioni prive di soffiature per garantire il rispetto dei requisiti sia di resistenza meccanica sia di esigenza estetica.

Le possibilità attuali della pressofusione delle leghe di zinco sono spesso poco conosciute, l’applicazione di adeguate procedure di progettazione e controllo del processo, unite al grado di raffinazione delle leghe, consentono al giorno d’oggi di ottenere risultati inaspettati sia in termini di qualità prodotto che in termini di riduzione dei costi produttivi. Le approfondite analisi delle fasi di solidificazione e raffreddamento danno la possibilità di ottenere un alto grado di precisione nei pezzi ad elevato contenuto tecnico: le attuali conoscenze e possibilità di controllo del processo consentono infatti di ottenere prodotti con precisioni superiori rispetto a quelle abitualmente conosciute e riportate negli attuali standard di riferimento.

Il corretto bilancio termico dello stampo può essere analizzato a fondo con gli strumenti di simulazione e questo dà la possibilità di individuare e correggere le problematiche legate alla produzione di oggetti a spessore molto sottile per ridurre i problemi di peso e di ingombro, ma garantendo la necessaria resistenza del prodotto. Infine, lo studio dei flussi e la conseguente corretta definizione dei canali di alimentazione, nonché dei punti di iniezione e di deflusso, sono indispensabili per il raggiungimento della qualità superficiale necessaria per i prodotti verniciati o trattati galvanicamente. Nella quasi totalità dei prodotti per ogni settore, sia per motivi di protezione, sia per motivi estetici, è previsto un adeguato trattamento superficiale.  Pertanto la comprensione delle criticità dei trattamenti superficiali e l’individuazione di adeguate soluzioni si rendono indispensabili per garantire un processo stabile ed affidabile anche nelle fasi a valle della pressofusione.

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Fase preliminare

Prima di cominciare la progettazione di uno stampo, è necessario accertarsi della producibilità del pezzo tramite stampaggio a pressofusione. In questa fase sono due i punti da tenere in considerazione: la fattibilità del processo da un punto di vista dimensionale e geometrico:

• Le dimensioni del componente da realizzare e il numero di figure che dovremmo ottenere ad ogni stampata permettono di calcolare il volume dell’intero getto e l’area di spinta. Questi due dati si rendono indispensabili nello studio di fattibilità del processo.
• La geometria del componente da realizzare deve prevedere la modellazione di una linea di divisione stampo per la quale le inclinazioni delle superfici siano orientate secondo la direzione di estrazione (sformo delle figura). Inoltre, le tolleranze geometriche delle quote, indicate nel modello 2D o dal cliente, possono essere più o meno difficili da realizzare a causa del fenomeno del ritiro per raffreddamento del getto (precisione realizzativa tecnologica). Quote con tolleranze identiche possono essere più o meno critiche a seconda del loro valore nominale: maggiore è il valore nominale di una quota e maggiore sarà la difficoltà a raggiungere quel valore sul getto a causa del ritiro. Questa viene definita “precisione realizzativa” ed è caratteristica di ogni processo tecnologico.

Per queste ragioni può essere utile accordarsi con il proprio cliente per lavorare al progetto con una logica di co-design, in modo da poter trovare un comune accordo sulle modifiche da applicare alle tolleranze critiche, alla geometria del componente e alla posizione delle linee di chiusura stampo.

Una volta valutata la producibilità del pezzo, è possibile passare alla progettazione dello stampo per pressofusione vera e propria. Come è logico supporre, la progettazione dello stampo parte dalla conoscenza e dalla definizione del pezzo che dovrà essere stampato.

Per entrare in profondità nell’analisi e nel dettaglio delle diverse fasi progettuali è necessario riconsiderare i dati ricavati precedentemente riguardo al peso (o volume) del pezzo, alla sua area di proiezione in direzione dell’apertura stampo, e al numero di cavità previste.

Numero di impronte

Il numero di cavità dipende dall’ipotesi dei ritmi produttivi, ovvero da quanti pezzi sarà necessario produrre e dal loro orientamento: si potrà quindi decidere di avere uno stampo a impronta singola o multi-impronta.

Nel caso di uno stampo per pressofusione a multi-impronta, è necessario tenere a mente l’aumento del grado di complessità delle fasi di riempimento ed estrazione, la disposizione delle figure ed il fatto che maggiori sono le dimensioni del pressofuso e più difficile risulta la gestione del processo produttivo e del prodotto. Basti pensare che, anche solo dal punto di vista logistico, l’aumento del numero di impronte è direttamente proporzionale al flusso di materiale da movimentare.

L’area di proiezione

L’area di proiezione identifica la superficie fittizia che è possibile ricavare dalla proiezione della cavità sul piano ortogonale alla direzione di apertura dello stampo, e ricopre un ruolo fondamentale in fase di progettazione: da essa dipende infatti la forza generata dal metallo sulle pareti dello stampo. In base alla dimensione della forma e al suo orientamento, interverranno forze minori o maggiori in fase di riempimento. Una forza eccessiva potrebbe portare ad una fuoriuscita del materiale, e quindi alla formazione di bave lungo il profilo. Se le forze sono troppo elevate rispetto alla capacità di chiusura della pressa è possibile superare il limite stampaggio con conseguente impossibilità di produrre con quello stampo.

Per evitare che ciò accada, si procede solitamente ad un calcolo della forza massima generata dal metallo durante il riempimento. La forza massima deve quindi essere uguale al prodotto dell’area di proiezione per la pressione specifica massima producibile dalla macchina, moltiplicata per un opportuno il coefficiente di sicurezza.

Questo coefficiente considera la spinta dinamica del metallo. La sua funzione è principalmente quella di offrire un ampio margine per contenere il cosiddetto colpo di ariete, ovvero il momento di massima pressione alla fine del processo di riempimento. La pressa scarica infatti a fine processo sia una forza statica che una forza dinamica, causando un picco di pressione che deve essere assorbito dalla forza di chiusura della macchina.

La forza di chiusura stampo espressa dalla pressa dipende dal modello di pressa che si andrà ad utilizzare e dal diametro del suo pistone.

La spinta del metallo e quindi l’area di proiezione è uno dei principali vincoli da considerare durante la progettazione di uno stampo per pressofusione.

Volume e forma dello stampo

Come già accennato, lo spazio volumetrico del pezzo è fondamentale per la progettazione degli stampi per pressofusione. Oltre al volume complessivo è necessario tenere bene a mente che componenti massivi e di grandi dimensioni subiranno anche un ritiro maggiore, dovuto all’incremento del coefficiente di ritiro in funzione di tempi di raffreddamento più laschi, e che quindi le cavità dello stampo dovranno essere dimensionate di conseguenza.

Inoltre, è necessario considerare una serie di variabili che andranno ad influire sulla dimensione finale dello stampo. Tra queste ricordiamo le dimensioni degli attacchi di colata, il tipo di chiusura stampo, la dimensione dei canali e delle uscite e la presenza di masse di scarico.

• Il tipo di chiusura stampo più semplice è quello apri-chiudi, per il quale la linea di chiusura pezzo è una sola e la più semplice possibile. Questo sistema funziona per pezzi dalle geometrie semplici, che possono essere svincolate dallo stampo semplicemente grazie al movimento di allontanamento dei piani macchina e all’estrazione, ma non può essere applicato per strutture con forme sottosquadra o con geometrie particolari, che necessitano invece di movimenti trasversali o inclinati rispetto alla direzione di apertura. In questi casi lo stampo dovrà tenere conto delle necessarie dimensioni dei carrelli e dei loro movimenti.

• • La dimensione dei canali di iniezione è dipendente dalla posizione degli attacchi di colata, da quella del pezzo e dal numero di cavità. La loro forma deve rispettare delle esigenze di fluidodinamica: ad esempio, essa è caratterizzata da una sezione decrescente nella direzione di moto del metallo fuso, per facilitarne l’adesione alle pareti dello stampo. Questo restringimento progressivo permette di ottenere un flusso in accelerazione e di sfavorire il distacco di strato limite dalle pareti del canale. La velocità aumenta fino all’ingresso del metallo nella cavità del pezzo, creando un effetto di nebulizzazione del metallo. Lo strato limite più uniforme evita la formazione di turbolenze che potrebbero provocare dei ristagni di materiale o di aria e, talvolta, anche l’erosione dello stampo.

• • Le masse di scarico sono simili a pozzetti posizionati in punti strategici dello stampo e svolgono due funzioni principali: la prima è di raccogliere il primo fronte di metallo, che è solitamente più freddo del resto del flusso. In questo modo si evita la formazione di giunture fredde e altri difetti qualitativi del pressofuso, migliorandone la compattezza e la qualità superficiale. La seconda funzione riguarda invece la temperatura lo stampo: raccogliendo il materiale fuso si generano delle sorgenti di calore che incrementano la temperatura dello stampo nelle zone di maggiore criticità qualitativa e riducono il transitorio termico.

• • Un altro elemento che influisce sulla dimensione dello stampo è la posizione dei canali del sistema di evacuazione dell’aria. Questi canali dalla geometria particolare, detti sfiati, permettono all’aria di fuoriuscire dallo stampo, riducendo quindi intrappolamenti di aria nel metallo.

Una volta definite posizioni e dimensioni di tutti questi elementi dello stampo per pressofusione, è possibile passare alla fase successiva.

Simulazione tramite modelli semi-empirici

Completato il design iniziale dello stampo, è possibile procedere ad una simulazione del riempimento pezzo tramite l’utilizzo di modelli semi-empirici.

Queste simulazioni servono per calcolare la modalità ideale di riempimento dello stampo: a seconda della funzione del pezzo che si dovrà stampare, infatti, il sistema di riempimento può variare. Nelle componenti che avranno una funzione strutturale sono da prediligere aspetti come la resistenza meccanica e la compattezza, mentre per le componenti puramente estetiche sarà necessario assicurarsi la migliore finitura superficiale possibile, evitando quindi ogni porosità superficiale e anche intrappolamenti di aria che potrebbero fuoriuscire durante i trattamenti successivi, danneggiando lo strato di trattamento superficiale.

Variando il tempo di riempimento è possibile variare queste caratteristiche: più il riempimento sarà veloce, maggiore sarà la qualità superficiale; al contrario, maggiore sarà il tempo e la pressione, maggiore sarà la robustezza del pezzo.

Terminate queste analisi sarà possibile individuare preventivamente eventuali problemi nella fase di stampaggio e quindi re-intervenire sul design dello stampo prima di produrlo.

Riassumendo, il design di uno stampo per pressofusione parte da una verifica della producibilità del pezzo, passa per il calcolo delle forze di spinta del metallo e, successivamente, per il posizionamento dei canali di riempimento, sfiato e dei necessari carrelli e movimenti. Il design e l’ottimizzazione delle cavità quali canali di iniezione, sfiati e fagioli può essere realizzato con l’aiuto di un software di simulazione per valutare il sistema di riempimento ideale ed evidenziare eventuali problematiche. Una volta concluse queste fasi, è possibile passare alla produzione dello stampo progettato.

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