Il peso delle componenti gioca un ruolo importante nella produzione di qualunque prodotto – basti pensare al risparmio in termini di costi di spedizione –  ma è nel settore automobilistico che si rivela determinante. Il peso delle automobili cala di anno in anno, nonostante l’aumento dei comfort a bordo: il peso medio di una berlina al giorno d’oggi è circa 1300 chilogrammi, contro gli oltre 2000 chili dei modelli di 30 anni fa. L’utilizzo di componenti più leggere permette infatti forti riduzioni del peso e quindi del consumo, oltre ad avere ripercussioni sul funzionamento di determinate parti, come ad esempio le portiere o i tettucci apribili.

Per questo è sempre più importante riuscire a progettare delle componenti che siano sì più leggere, ma comunque funzionali. In quest’ambito la collaborazione tra fornitore e produttore è fondamentale: questo processo collaborativo già nella fase di progettazione viene detto co-design. Il co-design permette di applicare le conoscenze tecniche del fornitore già in fase di progettazione, tramite studi preliminari e l’applicazione di tecniche consolidate per il miglioramento strutturale.

Vantaggi dell’alleggerimento mirato

Durante la fase di progettazione è spesso possibile individuare dei punti in cui lo spessore elevato causerebbe un inutile aumento del costo di produzione del pezzo: per questo è necessario procedere ad un’ottimizzazione delle forme attraverso l’uso di software di simulazione, che permette in alcuni casi una riduzione della massa fino al 30-40%.

Il metodo più efficace ed utilizzato per l’alleggerimento mirato è uno studio del prodotto e l’applicazione di nervature strategiche di rinforzo. Queste nervature dovranno essere progettate mantenendo le giuste proporzioni per evitare di sovraccaricare i punti di giunzione, in modo da resistere a sollecitazioni elevate e, attraverso l’uso di angoli arrotondati, assecondare le posizioni delle linee di sformatura permettendo così di creare pareti più sottili.

Oltre alla riduzione di peso, i vantaggi insiti nell’uso di pareti più sottili sono molteplici:

• Riduzione di porosità e depressioni:
  Nei pressofusi le pareti spesse tendono ad esser soggette ad una maggiore porosità, a causa della riduzione di volume data dal raffreddamento del materiale, che genera tensioni molecolari durante la fase di trasformazione conducendo il fluido verso la parte già solidificata, causando porosità interne caratteristiche per la loro forma irregolare e frastagliata;
• Scambio termico migliorato:
  Una maggiore area superficiale permette di ottenere raffreddamenti più rapidi e uno scambio termico più efficiente;
• Aumento della resistenza:
  In alcuni casi un cambio strutturale finalizzato ad un alleggerimento può anche portare ad un aumento della resistenza, grazie ad una più equa distribuzione delle forze;
• Riduzione dei costi di produzione;

Studio dell’alleggerimento tramite co-design: l’analisi FEM

Strumento fondamentale nella progettazione degli alleggerimenti strutturali è un software di analisi FEM (Finite Element Method), che permette di calcolare il comportamento strutturale di un sistema. In particolare, questo tipo di analisi viene utilizzata per simulare la resistenza di un oggetto posto sotto sforzo da un determinato carico in un determinato punto. Come per altre simulazioni, sarà necessario formare una mesh che identificherà i nodi, ovvero i punti di connessione, e gli elementi di carico  e fissaggio.

Nel posizionare i nodi sulla struttura bisogna assicurarsi che il loro numero sia sufficiente a descrivere la geometria del pezzo e che siano posti in corrispondenza di punti in cui sono applicati carichi concentrati o masse nodali. Inoltre è possibile collocare dei nodi in punti di cui si vogliono conoscere gli spostamenti e le sollecitazioni interne. Infine, è bene accertarsi che la mesh sia sufficientemente fitta per cogliere le variazioni di sforzo o di spostamento nelle regioni importanti ai fini dell’analisi.

Sarà quindi possibile simulare diversi tipi di forze:

• Forza rotante
• Forza di pressione
• Forza di carico
• Forza di trazione

In una situazione di co-design è quindi fondamentale che il cliente fornisca tutti i dettagli riguardanti l’uso del componente richiesto, soprattutto in termini di sforzi a cui esso viene sottoposto, temperature estreme o altre condizioni eccezionali di cui tenere conto. Attraverso questo procedimento si otterrà una mappatura delle zone sotto sforzo per ogni punto, permettendo quindi di identificare le aree di criticità, siano esse eccessivamente spesse o, al contrario, a rischio rottura.

Tecniche per la riduzione del peso

A seguito dell’identificazione delle zone problematiche, il designer può procedere attraverso la simulazione alla modifica della struttura. Per ovviare alla perdita di resistenza causata dall’assottigliamento delle pareti, saranno necessari altri interventi di rinforzo strutturale: è possibile ad esempio modificare i raccordi attraverso un ispessimento mirato degli angoli soggetti a fragilità, modificare l’inclinazione delle pareti per ottimizzare la distribuzione delle forze, applicare una croce di rinforzo oppure una nervatura a T. Altre volte è la riduzione di peso stessa a contribuire all’incremento della robustezza del pezzo, poiché le concavità prodotte possono generare una migliore distribuzione delle forze.

L’alleggerimento passa anche attraverso la scelta del materiale, più specificamente della lega che si decide di utilizzare. Solitamente si prediligono composti con una bassa densità, come la ZAMA 8, che contiene l’8,4% di alluminio risultando quindi più leggera, più resistente ed elastica rispetto alla ZAMA 5 che rimane tuttavia la più utilizzata, grazie anche alla sua elevata tolleranza delle precisioni e flessibilità nel processo produttivo.

In conclusione, l’alleggerimento mirato studiato tramite un’attività di co-design può portare diversi vantaggi sia di tipo economico che funzionale ai produttori, vantaggi di cui beneficiano anche gli utenti finali, migliorando l’esperienza d’uso e riducendo talvolta i costi di spedizione o – nel caso delle automobili – di mantenimento.

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Il sistema di collegamento tra pistone e attacco di colata si compone di due elementi principali: il diffusore ed il canale di colata. La loro struttura e dimensione ha un impatto fondamentale sulla modalità di riempimento, poiché forme diverse possono garantire risultati differenti oltre a permettere di ridurre il rischio di difettosità nel pressofuso.

Posizione dei canali di colata

Per definire la posizione ideale dell’attacco di colata è necessario tenere conto del fatto che il metallo liquido deve percorrere una distanza il più breve possibile in modo da ridurre il rischio di raffreddamento precoce. Per questo motivo solitamente si cerca di dirigere il flusso seguendo la direzione del lato minore della cavità o di sfruttare la presenza di nervature e aperture per facilitare il riempimento dello stampo. In caso di molteplici attacchi di colata, è importante che la direzione dei flussi non sia convergente, poiché in quel caso si avrebbe una perdita di energia e la formazione di turbolenze e bolle d’aria: è quindi buona norma posizionare i canali di colata in modo da ottenere flussi paralleli o divergenti.

La posizione dei canali di colata è inoltre fondamentale per controllare la distribuzione della porosità da ritiro: per ottenere una porosità dispersa e omogenea l’attacco dovrà essere posizionato in corrispondenza delle parti più fini del getto, mentre per ottenere una riduzione della porosità in una zona massiva, l’attacco dovrà essere posizionato in prossimità dello spessore più elevato del pressofuso.

Inoltre, il flusso deve essere diretto verso quelle zone che hanno i maggiori requisiti dal punto di vista qualitativo: in particolare, per ottenere una buona qualità superficiale il flusso deve essere il più diretto possibile. Questi accorgimenti portano ad un maggiore controllo di fenomeni come la porosità da ritiro, permettendo l’ottimizzazione del processo di pressofusione.

Disegno e dimensione dei canali di colata

Un altro elemento importante da considerare per l’ottimizzazione del processo di pressofusione è la forma dei canali di colata. Solitamente la forma più utilizzata è quella trapezoidale, ma per alcune leghe con alta tolleranza, come ad esempio la Zama, si possono utilizzare anche canali a sezione circolare: questa forma permette una minore dissipazione energetica del flusso, mantenendone quindi anche il calore.

Tra i punti di criticità nella progettazione dei canali di canali di colata ci sono la presenza di spigoli vivi e discontinuità nelle deviazioni di flusso, che andrebbero evitati per impedire la formazione di turbolenze. Se si lavora con matrici composte è importante anche prestare attenzione ad errori di costruzione e montaggio, poiché si rischia di creare strozzamenti e scalini che comprometterebbero il passaggio del flusso. Questo tipo di errore può essere risolto in attrezzeria, permettendo un ripristino della funzionalità originale dello stampo.

Durante la progettazione bisogna tenere a mente il rapporto tra la sezione del canale e l’attacco di colata, ma non esiste una regola universale: la scelta dipende dal risultato che si vuole ottenere. Canali più piccoli permettono un risparmio energetico e di materiale, ma richiedono una maggiore potenza del sistema di iniezione e sono maggiormente soggetti a solidificazione precoce. I canali più grandi invece richiedono più materiale ed energia, ma hanno una maggiore efficienza idraulica e portano un maggior apporto termico allo stampo. Di conseguenza, richiedono un tempo di solidificazione maggiore che potrebbe impattare negativamente sui tempi ciclo. La scelta della dimensione dei canali avrà quindi un grande impatto sulla produzione, ed è un passo importante nell’ottimizzazione del processo di pressofusione.

Le sezioni dei canali dovranno inoltre essere decrescenti attraverso tutta la loro lunghezza, e questo vale anche in caso di biforcazioni: la sezione in entrata deve essere uguale o maggiore a quella in uscita. In caso di biforcazioni che portino il metallo a due attacchi di colata uguali tra loro in sezione, anche i rami uscenti dovranno essere uguali tra loro, con una somma minore o uguale al ramo di entrata.

Inoltre, è importante che il volume dei canali permetta che il materiale arrivi contemporaneamente a tutti gli attacchi di colata, ed è per questo che anche la loro lunghezza deve essere costante.

Per permettere al flusso di essere distribuito equamente in tutte le cavità, è necessario collegare il canale di colata all’attacco tramite l’uso di un diffusore.

Il diffusore

Il diffusore è quel raccordo necessario per passare dalla sezione quadra del canale di colata a quella sottile dell’attacco di colata. Esistono diversi tipi di diffusore ed ognuno ha vantaggi diversi, ma le funzioni principali rimangono due: rendere il passaggio tra canale e attacco più graduale, in modo da contrastare la tendenza del metallo a staccarsi dalle pareti, e indirizzare il flusso del metallo. Entrambe le funzioni sono fondamentali per l’ottimizzazione del processo di pressofusione, poiché, a seconda del modello di diffusore scelto, i risultati ottenuti possono essere molto differenti.

I modelli di diffusori più utilizzati sono quello a ventaglio e quello tangenziale:

• Il diffusore a ventaglio produce un flusso stretto con velocità maggiore al centro. Per questo motivo si adatta meglio ad attacchi corti e spessi, è ideale per angoli di apertura ridotti;
• Il diffusore tangenziale produce un flusso più allargato, con velocità maggiore agli estremi. Per questo è più adatto ad attacchi lunghi e sottili e permette di ottenere angoli di apertura elevati;

Indipendentemente dal modello di diffusore scelto, l’andamento della sezione deve decrescere linearmente dal canale verso l’attacco. Questo significa che non basta utilizzare un diffusore trapezoidale, ma sarà necessaria una curvatura della superficie della base o, in alternativa, dei fianchi.

Vantaggi e svantaggi del diffusore diritto

Con diffusore diritto si intende un diffusore con base trapezoidale diritta e fianchi curvi. Il principale vantaggio di questo tipo di diffusore è che l’angolo di apertura è pari alla semi apertura del diffusore, rendendo facile la smaterozzatura, mentre il principale svantaggio è la tendenza a far lavorare l’attacco a freddo. Inoltre nel riempimento effettuato utilizzando questo tipo di diffusore il fronte di avanzamento è più stretto e il metallo tende a staccarsi dalle pareti.

Vantaggi e svantaggi del diffusore curvo

Il diffusore curvo è un diffusore con fianchi diritti e base curva. È ideale in quei casi in cui è necessario alimentare maggiormente i lati, ma l’angolo di apertura è difficile da calcolare. Inoltre porta alla formazione di piccole parti che richiedono un intervento di smaterozzatura.  Il flusso generato da questo tipo di diffusore ha una velocità maggiore nel centro dell’attacco ed il metallo tende ad aderire alle pareti.

Anche in questo caso il tipo di diffusore scelto dipende dal risultato che si desidera ottenere, dalla potenza dei macchinari di iniezione e da altre condizioni di contorno. Permettendo un migliore controllo del flusso del metallo e riducendo il rischio di formazione di intrappolamenti di aria, il diffusore è uno strumento fondamentale per l’ottimizzazione del processo di pressofusione.

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In questo articolo vedremo i vantaggi comportati dall’uso di un software di simulazione HPDC (High Pressure Die Casting) nella produzione dei pressofusi.

Si tratta di un argomento molto discusso tra gli specialisti di settore: già nelle prime fasi del riempimento dello stampo, infatti, si possono verificare errori che possono compromettere la riuscita del pezzo, legati magari ad una troppo rapida solidificazione del metallo. Tutto questo può essere previsto ed evitato grazie alla simulazione CFD.

Le complessità del processo di fusione

Quando si considera il processo fusorio del metallo si parla di una simulazione termo-fluidodinamica bifase, poiché il processo di lavorazione del metallo si compone di fenomeni di tipo cinetico e dinamico, scambi termici e passaggio di fase da liquido a solido.  Inoltre, lo scambio termico è sia di tipo convettivo, dipendente cioè dai movimenti del flusso, che di tipo diffusivo, dato dalla differenza di temperatura del fluido e dello stampo.

Date queste problematiche la migliore soluzione è un software di simulazione.

Soprattutto nel caso della simulazione HPDC (pressofusione ad alta pressione) la complessità degli stampi e i parametri macchina aumentano il numero di variabili da considerare durante la simulazione. Inoltre, il processo produttivo è continuo e basato su cicli rapidi di riempimento ad alta pressione e raffreddamento. Queste caratteristiche, unite alle forme intricate e alla sottigliezza delle parti prodotte, aumentano notevolmente la complessità numerica della simulazione.

Con queste premesse risulta subito evidente come anche il processo di simulazione non possa essere semplice: le equazioni utilizzate nel processo sono risolvibili con un approccio analitico solo in casi molto semplici e limitati. Per questa ragione è necessario applicare un metodo di tipo numerico che implica un uso dispendioso delle risorse computazionali.  L’approccio numerico prevede una semplificazione delle equazioni e una gestione del dominio – ovvero lo spazio finito in cui si trova l’elemento di studio –  di tipo discreto.

Il dominio viene trasformato in quello che si definisce mesh, vale a dire una griglia di calcolo composta da celle di varie dimensioni. Per ognuna di queste celle vengono scritte le rispettive equazioni di equilibrio che comporranno il sistema globale e saranno risolte dal simulatore. Maggiore sarà il numero delle celle e minore la loro dimensione, maggiormente precisa sarà la simulazione.

Anche l’uso di determinati software gioca un ruolo fondamentale per ottenere i migliori risultati possibili: programmi come MagmaSoft, un software di simulazione CFD dedicato alla fonderia, utilizzano uno schema numerico di tipo LES (Large Eddy Simulation) che permette di calcolare senza approssimazione la turbolenza fino a vortici di medie e grandi dimensioni, permettendo così di ricostruire velocemente e con precisione il fenomeno studiato.

L’importanza degli studi preliminari per pressofusione

Chi studia il processo di pressocolata tramite strumenti di simulazione non può prescindere dal confronto con la realtà. Solo l’osservanza del processo reale permette di identificare le difettosità del fenomeno che possono quindi essere catalogate, diventando studiabili, riproducibili e quindi anche evitabili. Lo studio approfondito ed empirico del fenomeno reale è, inoltre, fondamentale per poter stabilire i valori delle condizioni al contorno. La loro individuazione, oltre che essere necessaria alla chiusura del sistema numerico, stabilisce l’aderenza del modello simulato con la realtà.

I difetti studiabili e prevenibili attraverso l’uso di una simulazione includono:

• Porosità;
• Giunzioni fredde (Temperature troppo basse durante il riempimento);
• Presenza di aria nel pressofuso;
• Inclusioni metalliche date dalla presenza di corpi estranei nel materiale fuso;
• Problemi di cavitazione o di erosione dello stampo;

Ognuna di queste possibili problematiche è legata a campi fisici del sistema individuabili in simulazione, quali velocità, pressione e temperatura: la porosità ad esempio è causata dalla distribuzione del materiale nello stampo ed è legata quindi alla velocità di immissione, alla pressione dell’aria nello stampo e alla distribuzione della temperatura durante la solidificazione. Attraverso l’uso di una simulazione HPDC è quindi possibile prevedere la formazione di sacche di vuoto che intaccherebbero la solidità e l’estetica del prodotto.

Un altro caso in cui la simulazione si rivela particolarmente efficace è nel prevedere i possibili danni causati allo stampo dalla cavitazione: si rischia infatti che lo stampo subisca un’erosione maggiore in presenza di variazioni di pressione. Per questo è necessario studiare approfonditamente la geometria del corpo, disegnando canali con forme e posizioni strategiche.

Simulazione HPDC: confronto con la realtà

Lo specialista dovrà quindi cercare le cause delle anomalie nei campi fisici del fluido, valutando caso per caso e affiancando ai dati matematici forniti dalla simulazione il valore aggiunto della sua esperienza pratica. Confrontare le aspettative date dalla simulazione con i risultati effettivi offre due vantaggi principali:

• da un lato, permette di aumentare la comprensione del fenomeno fisico che genera difettosità e di avvicinare chi lo studia a una risoluzione caso per caso, poiché difficilmente il percorso risolutivo sarà univoco;
• aumentare la capacità interpretativa dei risultati numerici per meglio capire quali campi o combinazioni di campi permettono di individuare i valori critici per lo sviluppo della difettosità;

Maggiore sarà l’esperienza accumulata dal tecnico specialista, migliori saranno quindi i risultati.

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Design del prodotto

Quando si parla di design del prodotto si pensa immediatamente alla componente estetica, ma essa è solo la parte visibile del complesso processo di design. L’aspetto è infatti inscindibile dalla funzione e dal sistema produttivo scelto, che determinano le regole a cui il designer dovrà sottostare. Il design evolve nel tempo e nella forma andando incontro quindi al gusto estetico dell’epoca, ma è anche vincolato da limiti imposti dal materiale scelto e dallo stato della tecnologia produttiva.

Il gusto estetico o la funzione dell’oggetto sono infatti intrinsecamente legati ai limiti imposti dal sistema produttivo e quindi, in quest’ottica, il metodo di lavorazione si rivela determinante.

La scelta di utilizzare come metodo produttivo la fusione in stampo impone di tenere conto di alcune esigenze, come gli angoli di sformatura, linee di chiusura e punti di estrazione. I vantaggi offerti dall’uso di stampi includono la riproducibilità del pezzo. Allo stesso tempo, a conseguenza di problemi nella fase di raffreddamento si potrebbe avere una riduzione di alcune caratteristiche meccaniche come la robustezza del pezzo, rendendo necessario intervenire tramite una diversa distribuzione del materiale o l’utilizzo di nervature strategiche.

Il processo di design del prodotto per pressofusione è quindi inscindibilmente legato al processo produttivo, rendendo necessario un rapporto tra cliente e fornitore che in questa fase si materializza con un DFM.

Struttura di un DFM

Un documento DFM funge da ponte comunicativo tra il cliente, i designer e i tecnici dell’azienda produttrice. Scopo di questo documento è presentare il prodotto in relazione con la sua produzione e riproducibilità nel tempo. Si tratta infatti di uno studio di fattibilità, ovvero il reparto tecnico dovrà valutare se il design si adatta alla tecnologie a disposizione dell’azienda e la disponibilità di un accordo economico.

Dopo l’analisi possono essere suggerite delle modifiche legate alla funzione produttiva o a migliorie strutturali per aumentare la resistenza del prodotto, senza però intaccare l’aspetto estetico o la funzionalità del prodotto richiesto. Queste richieste vengono incluse nel DMF, che si compone solitamente di questi punti:

• Aree critiche: la sezione in cui vengono evidenziati i punti che necessitano di trattamenti particolari o di modifiche strutturali;
• Area di Deformazione: a causa dell’uso dello stampo, è necessario tenere conto delle forze applicate nel momento dell’estrazione dallo stampo;
• Incongruenze o richiesta di precisazioni riguardo ai disegni;
• Tolleranze;
• Pianificazione delle posizioni degli estrattori;

La documentazione viene quindi trasmessa ai diversi uffici competenti al fine di trovare un accordo che soddisfi sia i requisiti tecnici che quelli estetico-funzionali.

L’utilizzo di uno stampo impone infatti una necessaria discriminazione tra le scelte estetiche e quelle strutturali, ma non sempre le prime dipendono dalle seconde. Ne sono un esempio i segni lasciati dal processo di estrazione, che si presentano come dei piccoli cerchi di uguali dimensioni e vengono solitamente posti sulla superficie interna o in altre posizioni non visibili. Lo stesso si può dire per i segni di iniezione, come l’attacco di colata.

Altre volte è invece l’aspetto tecnico a prevalere, come nel caso degli angoli di sformatura che non possono risultare inferiori a 1°, imponendo quindi cambiamenti al modello o il ricorso ad altri tipi di lavorazione. Un altro esempio sono le nervature di rinforzo, utilizzate per incrementare la resistenza del pezzo a stampa e ridurre il rischio di avvallamenti strutturali, che avrebbero ripercussioni sul piano estetico, ad esempio nelle strutture a cuspide.

O ancora, è possibile alterare il design originale per migliorare la funzionalità del prodotto, ad esempio creando concavità per ridurre o ottimizzare il bilanciamento del peso. La riduzione della massa può portare non solo ad un alleggerimento, ma, grazie alle modifiche della geometria strutturale, anche ad un aumento della resistenza alla sollecitazione meccanica.

Come ottimizzare e velocizzare il processo di stesura di un DFM

Lo sviluppo tecnologico ha rivoluzionato completamente il mondo del design, a partire dalla progettazione: se un tempo era necessario un modellista che fosse in grado, attraverso l’uso delle resine, di trasmutare l’idea dalla bidimensionalità della carta alla tridimensionalità del plastico, ora il procedimento è stato reso più semplice dai programmi di progettazione CAD, dai software di simulazione e da una serie di programmi dedicati per affrontare le più differenti tematiche relative al design del prodotto per pressofusione e mass production. Ad esempio è infatti possibile valutare in breve tempo la producibilità dell’oggetto, per poi consultarsi rapidamente riguarda alle modifiche e sottolineare dubbi o criticità emerse dai disegni.

Per ottimizzare e velocizzare questo processo il fonditore può offrire ai proprio clienti un servizio di co-design, nella fase di creazione del prodotto, che possa allineare già dalle primissime fasi di elaborazione del progetto design del prodotto per pressofusione e mass production. Questa fase è antecedente alla stesura e analisi del DFM ed è composta da una serie di attività che hanno come obiettivo quello di aumentare il valore del prodotto e nel contempo ridurne i costi, sia dal lato del prodotto che dal lato del processo di produzione.

Il co-design è quindi la collaborazione tra il cliente e il die caster in un momento importante nella fase di progettazione del prodotto. Infatti, in questa fase, lo scambio di informazioni e di esperienze consente al fornitore di evidenziare i punti critici richiesti dal cliente, quali quelli estetici, funzionali e strutturali per agire direttamente sui disegni in concerto con il cliente.

Riduzione del peso, nessuna lavorazione secondaria, consulenza diretta per le finiture, l’ottimizzazione dello stampo, riduzione di componenti e di costi per l’assemblaggio sono solo alcuni dei vantaggi in un ciclo produttivo che prevede la progettazione, la fusione, le operazioni di lavorazione e l’assemblaggio. Benefici che permettono di risparmiare tempo, materiale e di evitare costi aggiuntivi.

Nel caso quindi di una stratta collaborazione tra il cliente e il fonditore in termini di co-design nella fase di design del prodotto per pressofusione, la fase di stesura e analisi del DFM sarà più veloce ed ottimizzata. Un disegno già ottimizzato per la produzione, già adattato ai processi di mass production, fornirà al cliente un prodotto finale in linea con le sue attese, con meno rischi e meno scarti.

A seguire un breve schema del processo con l’aggiunta della fase di co-design.

Vantaggi del co-design

Processo convenzionale

Processo co-design

I vantaggi offerti dal co-design sono numerosi: potete trovare più informazioni al riguardo nella sezione dedicata del nostro blog.

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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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