La riduzione dei costi nella pressofusione è un’attività che deve essere eseguita senza inficiare la qualità e la funzionalità del componente prodotto. Tutte le attività volte ad aumentare la produttività, diminuire gli scarti e semplificare i processi produttivi sono strategie di riduzione dei costi, così come lo sono le scelte fatte a livello di materiali e di lavorazioni.

Strategie di riduzione dei costi nella pressofusione di zinco

La riduzione dei costi nella pressofusione di zinco può essere attuata a diversi livelli. Lo zinco, infatti, è un metallo versatile che, se lavorato con le giuste tecnologie, permette di risparmiare sia in termini assoluti, riducendo il tempo, l’energia e la quantità di materia prima utilizzati nei processi produttivi, sia relativamente ad altri metalli.

Nella produzione di pressofusi è quindi possibile attuare una riduzione di costi:

• Scegliendo lo zinco al posto di altri metalli o di altre leghe metalliche
• Ottimizzando il processo produttivo
• Progettando processi e componenti assieme al cliente attraverso metodologie di co-design

Vantaggi dello zinco: qualità e caratteristiche chimico-fisiche, temperatura di fusione, economia circolare

Le leghe di zinco comunemente usate nel processo di pressofusione hanno proprietà che le rendono competitive rispetto ad altri metalli. Queste proprietà, di natura chimico-fisica, permettono di ottenere una riduzione dei costi relativa sia ai processi di produzione sia alle fasi successive, come ad esempio quelle di smaltimento e di riciclo. Analizziamole più nel dettaglio.

Qualità e caratteristiche chimico-fisiche

Nel processo di pressofusione sono impiegate diverse leghe di zinco, le più comuni sono Zamak 2, 3 e 5. Queste leghe, per la realizzazione dei diversi prodotti, sono scelte in funzione delle loro proprietà chimico-fisiche. Infatti, a seconda delle percentuali e dei valori relativi dei metalli che contengono assumono diverse caratteristiche che le rendono più o meno adatte alla realizzazione di determinate tipologie di componenti. Se, per esempio, il componente da realizzare è un componente di sicurezza si privilegia la lega in grado di offrire maggiori resistenza ad usura, corrosione e pressione, sopportazione del carico di snervamento e stabilità dimensionale. Nel caso di componenti tecnici, invece, per i quali è spesso importante ottenere dettagli e sottili nervature, la Zamak da preferire sarà quella più fluida, in grado di riversarsi nello stampo con la maggiore uniformità possibile. In questo modo sarà infatti possibile ottenere spessori sottili, determinanti per garantire la funzionalità dei prodotti. Per i prodotti estetici, infine, sono preferibili le qualità di Zamak in grado di assicurare la migliore qualità superficiale e la migliore resa se sottoposte a lavorazioni successive e finiture. È quindi importante conoscere le caratteristiche fisico-chimiche delle diverse leghe di zinco per poter scegliere quella più appropriata alla realizzazione di uno specifico componente. Solo così, infatti, sarà possibile fare una scelta vincente e ottenere, con percentuali di scarto ridotte, pressofusi di qualità e che necessitano di un numero ridotto di finiture e lavorazioni ulteriori.

Per scoprire di più sulle diverse leghe di zinco e su come sfruttare al meglio le loro diverse caratteristiche puoi leggere gli articoli Le migliori leghe di zinco per la pressofusione a camera calda e Composizione della Zamak per pressofusione.

Se invece desideri approfondire i vantaggi dello zinco rispetto ad altri metalli leggi  L’importanza della pressofusione nel settore automobilistico  e Vernici, placcature e altri tipi di rivestimenti superficiali.

Temperatura di fusione

Una proprietà chimico fisica con un grande impatto in termini di riduzione dei costi è il basso punto di fusione della Zamak che ne rende possibile la pressofusione in camera calda. A differenza dell’alluminio, che ha un punto di fusione molto più elevato e che è pressofuso in camera fredda, la zama consente un risparmio energetico dato dalla diversa tecnologia di fusione impiegata. Il vantaggio dato dalla pressofusione in camera calda è ulteriore ed è relativo al tempo: la pressofusione in camera calda è un processo più veloce della pressofusione in camera fredda e ciò consente di aumentare la produttività. Un altro elemento di risparmio, sempre correlato alla temperatura di fusione, è costituito dal fatto che lo stampo, sottoposto a minori temperature, incorre in una minore usura ed ha quindi una vita più lunga, con benefiche ripercussioni soprattutto nel caso della produzione di grandi volumi.

Economia circolare

In questo breve passaggio sulle qualità della zama rispetto ad altri metalli merita di essere ricordata un’ultima proprietà: la riciclabilità. Lo zinco infatti si inscrive nei processi di economia circolare e va quindi incontro alle recenti tendenze di sostenibilità ambientale. La riciclabilità dello zinco non si traduce solo in un vantaggio per il consumatore finale, che può riciclare i propri prodotti ed elettrodomestici, ma è anche un importante fattore di riduzione dei costi per il produttore di pressofusi. Lo zinco infatti, se gli accordi con il cliente lo consentono, può essere rifuso e, in percentuali controllate, reintrodotto nel processo produttivo, con evidenti conseguenze di riduzione dei materiali di scarto e di ottimizzazione dei processi produttivi.

Se desideri leggere di più sulla possibilità di riciclare la zama clicca qui se quello che cerchi è invece un approfondimento sull’economia circolare dello zinco ti consigliamo di leggere l’articolo Pressofusione ed economia circolare: il ruolo dello zinco.

Ottimizzazione del processo produttivo

Non sono solo le proprietà dello zinco come materiale ad essere importanti ai fini della riduzione dei costi nella pressofusione. Anche il processo produttivo con cui il metallo viene lavorato è molto importante. Infatti le tecniche di pressofusione e i macchinari, per essere efficienti, devono essere aggiornati allo sviluppo tecnologico: sono quindi necessarie ricerca e innovazione costanti.

Per un’overview generale su queste tematiche si consiglia di leggere Come migliorare il processo produttivo per l’industria della pressofusione.

Automazione e tempo ciclo

Un importante passo in direzione di riduzione dei costi è, ad esempio, l’introduzione di automazione nei processi produttivi. L’automazione rende infatti il sistema più efficiente diminuendo la percentuale di scarti e consentendo agli operatori a bordo macchina di dedicarsi ad attività a maggior valore aggiunto.

L’acquisizione di automazione è poi strettamente correlata alla capacità di aggiornare ed implementare il parco macchine. Grazie all’acquisto di nuove macchine, infatti, attività prima manuali diventano meccaniche facendo sì che lead time, tempo ciclo e percentuale di scarto diminuiscano a fronte di un aumento di produttività. Il tempo ciclo, in particolare, è molto importante in relazione alle strategie di riduzione dei costi, diminuire il tempo ciclo vuol dire infatti incrementare l’OEE, l’indice di rendimento produttivo dello stabilimento, e di conseguenza la produzione. Nel settore specifico della pressofusione in camera calda, inoltre, la diminuzione del tempo di ciclo rappresenta un’ulteriore opportunità di risparmio perché, in un tempo ciclo ridotto, aumenta la potenza termica che il materiale fuso apporta allo stampo con una diminuzione dei fronti freddi e dei difetti correlati.

Per approfondire gli apporti dell’automazione al processo produttivo leggi L’importanza dell’automazione per migliorare il processo produttivo; per scoprire di più sul tempo ciclo e sulla sua ottimizzazione si consiglia invece di leggere l’articolo Riduzione dei costi tramite l’ottimizzazione del tempo ciclo.

Simulazione

Un’ulteriore strategia per ottimizzare il processo produttivo è quella di ricorrere a software di simulazione che consentano di prevedere quanto avverrà durante il processo di pressofusione. La simulazione è un utile strumento per prevenire problemi, errori e difetti durante lo stampaggio dei pressofusi ed è, inoltre, un fondamentale ausilio in fase di progettazione, prototipazione e test.

Puoi trovare un approfondimento sui vantaggi apportati dalla simulazione nella pressofusione di zinco cliccando qui.

Certificazioni qualitative

Una garanzia dell’ottimizzazione del processo produttivo e della conseguente riduzione dei costi è l’ottenimento di certificazioni di qualità. Smeta 4 Pillars, ad esempio, è una certificazione di standard qualitativi, gestione ambientale, integrità aziendale, salute e sicurezza con importanti ripercussioni a livello di riduzione dei costi. Smeta 4 Pillars infatti, attraverso la condivisione di approcci standardizzati, migliora e uniforma il processo produttivo proteggendo la brand reputation e garantendo una filiera etica.

Co-design

Il co-design consiste in una serie di attività che hanno come obiettivo l’aumento del valore del prodotto e il suo miglioramento in termini di qualità ed efficienza. Spesso queste attività non si traducono in un aumento dei costi di produzione ma, al contrario, risultano in una diminuzione di prezzo. Già in fase di progettazione, infatti, attraverso il co-design, è possibile concordare con il cliente riduzioni di peso, eliminazione di lavorazioni secondarie, ottimizzazioni dello stampo e una serie di altre azioni che si traducono direttamente in una notevole riduzione dei costi. Ottenere un disegno già ottimizzato per la mass production permette così al cliente di avere un prodotto finale in linea con le attese e con meno rischi e scarti. Come ulteriore garanzia di riduzione dei costi in fase di co-design è possibile fare analisi di valore VA/VE  ed ottimizzare il DFM. Le analisi di valore VA/VE sono un sistema di risoluzione dei problemi che permette di identificare efficacemente i costi superflui rendendone possibile una riduzione mentre il DEF, Design for Manufacturability, è uno studio di fattibilità in cui si valuta il design di un prodotto e in cui si propongono adattamenti, trattamenti particolari e modifiche strutturali che rendono possibile ottimizzarne la produzione.

Per una trattazione di più ampio respiro sul co-design si suggerisce di leggere l’articolo Design del prodotto per la pressofusione.

I metodi per realizzare riduzione dei costi nella pressofusione di zinco ed ottimizzare processi e prodotti non si esauriscono qui. Dalla lettura di questo articolo dovrebbero però essere emersi quelli che sono solo alcuni, ma evidenti, vantaggi.

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In linea con il principio della lesson learned, gli ingegneri Bruschi hanno analizzato le performance di produzione del pressofuso e definito nuovi parametri basandosi sulle conoscenze apprese negli anni al fine di ottenere un componente che soddisfasse gli standard qualitativi richiesti. Inoltre, è stato possibile apportare accurate modifiche grazie all’impiego di tecnologie avanzate, quali software di simulazione, che hanno permesso di progettare soluzioni al fine di ridurre i difetti di pressofusione.

Fattori che determinano la qualità superficiale di un pressofuso

La qualità superficiale di un componente prodotto con la tecnologia della pressofusione può infatti essere determinata da molteplici fattori, quali termoregolazione dello stampo e temperatura del materiale iniettato nella cavità, ma dipende principalmente dalla modalità di riempimento del canale di alimentazione. La progettazione di un canale adeguato, che consenta un riempimento simmetrico delle cavità dello stampo, costituisce quindi un requisito fondamentale per evitare la formazione di difetti di pressofusione sul componente. Un canale di alimentazione asimmetrico o non convergente può, invece, determinare intrappolamenti d’aria nel pressofuso, nonché aree caratterizzate da evidenti marezzature causate da un riempimento disomogeneo.

Case study

Il componente oggetto del seguente case study è un componente della cerniera di una porta. Dopo anni di produzione del pezzo, utilizzando il primo stampo, a seguito dell’usura dello stesso sono emersi difetti di pressofusione sulla superficie del componente, quali marezzature, mancati riempimenti e porosità d’aria. A seguito dell’analisi dei parametri e della geometria dello stampo, gli ingegneri Bruschi hanno allora identificato l’errata modalità di riempimento delle cavità come causa principale dei difetti. Per risolvere questo problema si è quindi deciso di progettare e realizzare un nuovo stampo. Al fine di ridurre i difetti di pressofusione sono perciò state apportate modifiche in fase di progettazione, effettuando un appropriato redesign dello stampo, più specificatamente del canale di alimentazione.

Fase 1 – Simulazione

La prima fase del progetto di riprogettazione dello stampo ha riguardato la simulazione di riempimento delle cavità con il software di simulazione termofluidodinamica Magmasoft, che ha permesso di prevedere con buona approssimazione il comportamento del fluido durante la fase di riempimento. Magmasoft consente infatti di analizzare diversi parametri, quali temperatura del metallo in tutte le fasi del riempimento, pressione dell’aria nella cavità, velocità del fluido e presenza di zone interessate da intrappolamenti d’aria. Per ulteriori informazioni sulla simulazione, clicca sui post qui sotto:

• Simulazione per pressofusione: conservazione dello stampo e ottimizzazione dei parametri 
• Simulazione per pressofusione: studio della porosità da ritiro
• Simulazione per pressofusione: studio per la riduzione degli scarti

Dalla simulazione sono emerse tre principali problematiche:

• riempimento asimmetrico
• canale di alimentazione non convergente
• disomogeneità di temperatura del materiale

Per definire al meglio le azioni correttive da attuare è stato necessario analizzare la geometria del prodotto: il componente presenta infatti una sezione superiore massiccia e una sezione inferiore più sottile. La sagoma del prodotto ha richiesto, di conseguenza, una particolare attenzione durante la progettazione del canale di alimentazione, poiché per ottenere un riempimento simmetrico e omogeneo delle cavità è risultato necessario l’inserimento di elementi che agevolassero la dinamica del fluido di riempimento.

Fase 2 – Redesign sezione superiore

A seguito della simulazione il riempimento della sezione superiore è risultato asimmetrico, causando così intrappolamenti d’aria nel pressofuso, con conseguente formazione di bolle d’aria sulla superficie del componente. La causa dell’asimmetria del riempimento è stata attribuita alle diverse velocità con cui il fluido iniziava a riempire la cavità. Infatti, la zama entrava dal punto di iniezione con un’elevata energia cinetica e proseguiva il suo percorso seguendo la geometria delle cavità, che la portava a riempire maggiormente e più velocemente determinati volumi, raggiungendo invece solo in un secondo momento quelle sezioni che non si trovavano nel verso del flusso principale.

Il primo problema da risolvere ha dunque riguardato l’entrata asimmetrica della zama nel gate: al fine di simmetrizzare l’entrata del metallo nella cavità, è stato aggiunto uno smorzatore alla fine del canale principale. Con la nuova configurazione il flusso, prima di dividersi, riempie lo smorzatore perdendo energia cinetica e prosegue il suo percorso verso la cavità con una velocità più uniforme.

Il secondo problema, sempre relativo alla parte superiore del pressofuso, era invece inerente alla divergenza del canale di alimentazione in alcune sezioni, che determinava l’insorgenza di turbolenze. Di conseguenza l’attività di redesign è stata effettuata procedendo con la progettazione di un canale convergente, il quale ha contribuito a canalizzare maggiormente il materiale e ad agevolare il riempimento delle cavità riducendo il distacco di vena fluida.

Fase 3 – Redesign sezione inferiore

La sezione inferiore del componente è invece differente dalla parte superiore. Si tratta di una parte più sottile e che quindi, con lo stampo iniziale, veniva riempita da materiale avente basse temperature, determinando così la formazione di marezzature e mancanze di materiale.

Osservando la geometria del componente risultava infatti evidente la difficoltà di riempimento omogeneo di tutte le cavità e in particolar modo della cavità inferiore: precedentemente la zama riempiva in primo luogo l’intera sezione superiore del pressofuso, che è caratterizzata da una dimensione considerevole, per raggiungere solo in un secondo momento la sezione inferiore. Il materiale arrivava quindi a riempire la sezione inferiore a una temperatura troppo bassa, tale cioè da non garantire un adeguato livello di finitura superficiale.

Per la risoluzione di questa problematica si è ricorsi alla progettazione di un’alimentazione dedicata, attraverso l’inserimento di due canali ausiliari. I canali sono stati inseriti nella parte inferiore del pezzo al fine di ottenere un riempimento più omogeneo, mantenendo la temperatura del materiale più stabile in tutto il pressofuso. Anche i due canali ausiliari, così come il canale principale di alimentazione, sono stati progettati in modo da ottenere un flusso simmetrico: a tal fine sono stati introdotti due ulteriori smorzatori all’inizio dei due canali ausiliari.

Canale ausiliario con smorzatore

Inoltre, considerata la particolare geometria del prodotto, al fine di agevolare ulteriormente il riempimento in tutta la cavità, è stato progettato un profilo dell’attacco di colata parzialmente tangenziale in grado di indirizzare il materiale in zone critiche in termini di uniformità di riempimento. Le difficoltà che altrimenti si potrebbero incontrare, considerato che la sezione inferiore del pezzo presenta dei maschi che andranno a realizzare dei fori, i quali rendono il riempimento ulteriormente difficoltoso, sarebbero potenziali ostacoli al raggiungimento della qualità richiesta poiché costituiscono rallentamenti per il flusso della zama. Questo tipo di profilo, con attacco di colata parzialmente tangenziale, determina allora una migliore distribuzione della zama, facilitandone l’ingresso e il raggiungimento delle aree più critiche.

Risultati ottenuti

A seguito delle modifiche apportate gli ingegneri hanno eseguito la simulazione del riempimento delle cavità con il software Magmasoft e ne hanno avuto eccellenti risultati: le criticità precedentemente riscontrate hanno infatti registrato una notevole riduzione. Nello specifico, attraverso la riprogettazione del canale di alimentazione si è ottenuta una maggiore uniformità di riempimento, che di conseguenza ha determinato una riduzione dei difetti di pressofusione sulla superficie del prodotto.

Il presente case study conferma pertanto l’importanza del saper attingere dalle esperienze pregresse per la risoluzione di nuove problematiche, integrando know-how e tecnologia al fine di raggiungere risultati sempre più performanti. La riprogettazione dello stampo e l’utilizzo di Magmasoft hanno consentito di testare soluzioni diverse prima di procedere con l’effettivo stampaggio del prodotto, ottenendo così notevoli benefici in termini di qualità, tempistiche e costi.

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Il termine design del prodotto definisce il processo di progettazione di un prodotto caratterizzato da specifiche caratteristiche estetiche e funzionali, che deve essere conforme al processo di produzione in serie. Il design del prodotto è dunque un processo che necessita di essere sviluppato considerando i diversi aspetti che caratterizzano un componente e, di conseguenza, se realizzato con la tecnologia della pressofusione, richiede l’integrazione di diverse attività, quali servizio di co-design, compilazione di un DFM, progettazione dello stampo, simulazione e analisi delle lavorazioni successive.

Il design del prodotto è un’attività strettamente correlata alla progettazione del processo produttivo: i due concetti si influenzano a vicenda, infatti il prodotto deve essere conforme alla produzione di massa e il processo produttivo deve al contempo tenere in considerazione le specificità del prodotto. Il design del prodotto è un processo complesso e sfaccettato, che non concerne solamente prodotto e produzione, ma anche scelta dei materiali, caratteristiche estetiche e funzionali, lavorazioni meccaniche, trattamenti superficiali e qualità richiesta dal cliente.

Servizio di co-design

Allo scopo di ottenere un risultato equilibrato in termini di estetica, funzionalità e fattibilità, il design del prodotto è spesso sviluppato da un’azienda manifatturiera insieme al cliente che ha ordinato il prodotto. La cooperazione tra fornitore e cliente viene definita servizio di co-design: una collaborazione che promuove la condivisione di informazioni e know-how, al fine di conseguire risultati soddisfacenti per entrambe le parti. Gli ingegneri e i tecnici procedono all’analisi delle caratteristiche fisiche e meccaniche del prodotto, così da trovare soluzioni per assicurare la funzionalità e la fattibilità produttiva, ottenendo di conseguenza un riscontro positivo da parte dei clienti.

Il servizio di co-design apporta benefici non solo in termini di ottimizzazione di processo e design, ma anche relativamente alla relazione tra cliente e fornitore: un continuo scambio di informazioni promuove incremento di fiducia e stima reciproca e permette, inoltre, di accrescere le conoscenze di entrambe le parti.

Per ulteriori informazioni relative al servizio di co-design, clicca sul post sotto:
• Vantaggi del co-design: alleggerimento mirato

DFM: studio di fattibilità del prodotto

Cliente e fornitore si scambiano informazioni relative al design del prodotto e al suo processo produttivo attraverso un documento denominato DFM: Design For Manufacturability, cioè uno studio di fattibilità del prodotto. Lo scopo di un DFM è, infatti, quello di presentare il prodotto in relazione al suo processo produttivo, per analizzare la fattibilità tecnica del progetto e suggerire soluzioni al fine di facilitare la produzione. Attraverso questo documento i tecnici possono stabilire se il design è conforme ai sistemi tecnologici del dipartimento di produzione e, successivamente, possono apportare modifiche a determinate caratteristiche del prodotto o delle fasi di produzione.
La scelta della pressofusione come metodo di produzione implica l’attuazione di specifiche analisi inerenti ad angoli di sformo, estrattori e punti di iniezione: il design del prodotto è, infatti, strettamente collegato alla progettazione dello stampo, e di conseguenza al processo produttivo. L’utilizzo di stampi risulta vantaggioso poiché consente la replicabilità del componente, ma allo stesso tempo richiede specifiche analisi tecniche che permettano di ottenere uno stampo adatto per il prodotto: il DFM contiene tutte le informazioni necessarie al raggiungimento di questo obiettivo.

Per conoscere nel dettaglio la struttura di un DFM, ecco un post sull’argomento:
• Design del prodotto per pressofusione: ottimizzare il DFM

Progettazione dello stampo

Considerando la pressofusione come metodo di produzione, il primo aspetto da esaminare è la progettazione dello stampo: l’elemento centrale del processo di pressofusione. Cliente e fornitore collaborano per sviluppare un sistema che sia adeguato sia per il componente che per lo stampo, considerando le caratteristiche estetiche e funzionali del prodotto, ma anche le proprietà meccaniche dello stampo: deve essere resistente, solido e funzionale al processo di produzione.
Innanzitutto è necessario verificare la producibilità del prodotto con il metodo della pressofusione, analizzando le dimensioni e la geometria del componente. Una volta che la geometria e le caratteristiche tecniche sono state definite, il processo di progettazione dello stampo può iniziare: questa fase prevede l’analisi delle specifiche tecniche del prodotto, del numero di cavità, dell’area di proiezione, del volume e della forma dello stampo. I due elementi principali che costituiscono la progettazione dello stampo sono il design del sistema di alimentazione a camera calda e la simulazione: la modalità di alimentazione rappresenta infatti l’elemento centrale della progettazione dello stampo, mentre la simulazione costituisce un utile strumento per definire i parametri più appropriati da applicare prima che il componente venga prodotto.

Progettazione del sistema di alimentazione a camera calda

Nella realizzazione dello stampo un elemento centrale da considerare è la progettazione del sistema di alimentazione a camera calda. Infatti, il metodo di alimentazione influenza l’ottimizzazione della produzione e le caratteristiche del prodotto. Il diffusore e il canale di colata sono i due elementi principali che compongono il sistema di alimentazione: la definizione della loro configurazione e dimensione risulta fondamentale per l’output finale del processo di pressofusione, poiché la scelta di diverse forme conduce a diversi risultati e può inoltre determinare una riduzione di potenziali difetti sul pressofuso.

Per informazioni dettagliate sul sistema di alimentazione a camera calda, di seguito un post sull’argomento:
• Ottimizzazione del processo di pressofusione: sistema di alimentazione

Simulazione

Come precedentemente menzionato, la simulazione costituisce un valido strumento per il design del prodotto e dello stampo: con software di simulazione, come programmi CAD e software 3D, gli ingegneri esaminano le proprietà tecniche del prodotto e definiscono i migliori parametri da applicare. Questi dispositivi rappresentano un supporto fondamentale per l’analisi di caratteristiche fisiche, dal punto di vista strutturale e della resistenza, e consentono agli ingegneri di identificare preventivamente potenziali criticità sul pressofuso, riducendo così eventuali problemi che potrebbero emergere a posteriori. Infatti, già nelle prime fasi del riempimento dello stampo potrebbero verificarsi errori che comprometterebbero la produzione del pezzo, ad esempio una solidificazione del metallo troppo rapida: la simulazione aiuta a evitare queste problematiche fin dal principio.

Per ulteriori informazioni sulla simulazione, ecco una serie di case studies:
• Simulazione per pressofusione: conservazione dello stampo e ottimizzazione dei parametri
• Simulazione per pressofusione: studio della porosità da ritiro
• Simulazione per pressofusione: studio per la riduzione degli scarti
• I vantaggi della simulazione HPDC nella pressofusione

Lavorazioni successive allo stampaggio

Il design del prodotto riguarda anche l’analisi di lavorazioni successive che devono essere effettuate a seguito della fase di stampaggio. Infatti, durante la progettazione di un prodotto è importante considerare eventuali lavorazioni successive a cui il pezzo dovrà sottoporsi: le operazioni successive allo stampaggio possono essere lavorazioni meccaniche, trattamenti superficiali, operazioni di assemblaggio o processi di automazione. Prestare attenzione a queste lavorazioni già nella fase di design del prodotto consente di effettuare specifiche azioni e impostare determinati parametri al fine di ottenere un risultato senza difetti. Di seguito alcuni esempi di lavorazioni successive.

Lavorazioni meccaniche

Tra le più diffuse lavorazioni meccaniche figurano filettatura e alesatura: se un componente necessita di essere filettato, già nella fase di progettazione dello stampo dovranno essere definiti specifici parametri per agevolare quest’operazione.

Trattamenti superficiali

Se un prodotto è soggetto a trattamenti superficiali, come verniciatura o cromatura, è importante prevedere in anticipo potenziali difetti che potrebbero manifestarsi dopo il trattamento. Ad esempio, alcuni trattamenti superficiali vengono effettuati a temperature molto alte che possono potenzialmente determinare la formazione di inclusioni d’aria nel componente: durante la fase di design dello stampo sarà quindi necessario prevedere l’evacuazione d’aria.

Assemblaggio

Relativamente all’assemblaggio, è opportuno definire specifiche tolleranze che siano funzionali a questa lavorazione. Per esempio, se il pezzo deve essere inserito in un altro componente, come un perno e un foro, è necessario prevedere la giusta interferenza tra i due.

Automazione

L’automazione rappresenta un fattore comune a tutte le lavorazioni successive: le operazioni automatiche per i trattamenti successivi allo stampaggio garantiscono un’adeguata produttività e costi ridotti.

Vantaggi design del prodotto

Il design del prodotto è una fase indispensabile nella produzione di un componente poiché consente di identificare i processi e le caratteristiche maggiormente performanti, allo scopo di produrre eccellenti risultati in termini di estetica, funzionalità e conformità al processo di produzione. Sviluppare un processo di design del prodotto ben strutturato è perciò fondamentale per ottenere importanti benefici, quali riduzione dei costi di produzione, soddisfazione del cliente e produzione di componenti esteticamente accattivanti, funzionali e conformi alla produzione di massa.

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Come ottimizzare il processo produttivo

Il potenziamento del processo produttivo può essere sviluppato attraverso un piano d’azione ben definito, che tenga in considerazione la complessità di elementi che caratterizza il dipartimento di produzione. La produzione è infatti composta non solo da macchinari, ma anche da design di prodotto, tecnologie, operatori e attività di pianificazione, per citare alcuni dei componenti più importanti di questo articolato sistema. Per ottimizzare il processo produttivo risulta quindi necessario assumere una visione d’insieme di tutti questi elementi e delle loro variabili, allo scopo di implementare una strategia che sia funzionale su molteplici aspetti.

Di conseguenza, il primo step da compiere è la definizione degli strumenti e delle azioni di modifica che possono contribuire al miglioramento delle diverse fasi della produzione. In Bruschi il piano di potenziamento del processo produttivo è costituito da quattro elementi centrali:

• Automazione
• Simulazione
• Riduzione degli scarti
• Tempo ciclo

1. Automazione

L’introduzione in un sistema produttivo di macchine automatizzate dotate di tecnologie altamente innovative apporta rilevanti benefici in termini di lead time ridotto, abbattimento dei costi e conseguimento degli standard di qualità richiesti dai clienti. La sostituzione di lavorazioni manuali con sistemi automatizzati permette, infatti, di ottenere una maggiore velocità di processo, ottimizzando di conseguenza l’intero lead time. Inoltre, l’automazione comporta una probabilità di errore ridotta rispetto alla lavorazione di un pezzo da parte dell’operatore.

Questo si traduce in una significativa riduzione dei costi di produzione, che è ulteriormente incrementata grazie al risparmio di energia e materiali che l’automazione apporta. L’inserimento di macchine automatizzate nel dipartimento di produzione genera anche un ulteriore vantaggio, che permette di ottimizzare anche il controllo qualità. Infatti, gli operatori che precedentemente eseguivano operazioni manuali sul componente possono, grazie all’automazione, occuparsi di altre attività aventi un maggior valore aggiunto, come il controllo qualità.

Un progetto di ottimizzazione del processo produttivo di un particolare componente, prodotta per un cliente del settore dei piccoli elettrodomestici, ha ottenuto eccellenti risultati in termini di aumento della produttività e riduzione delle attività manuali svolte dagli operatori. Il progetto di ottimizzazione è stato sviluppato per risolvere una situazione di disallineamento di capacità produttiva e richieste del cliente. Attraverso l’introduzione di sistemi automatizzati è stato possibile ridurre questo gap, ottenendo un tempo ciclo ottimizzato. Queste modifiche al processo produttivo hanno apportato benefici significativi: l’aumento del 33% della capacità produttiva e la riduzione delle attività manuali svolte dagli operatori per una percentuale superiore al -95%.

2. Simulazione

La simulazione del processo di pressofusione rappresenta un altro elemento che può contribuire al raggiungimento di un processo produttivo più efficace: grazie infatti all’utilizzo di software di simulazione gli ingegneri possono prevedere le reazioni del materiale all’interno dello stampo. Questo processo è possibile grazie ad un’analisi termo-fluidodinamica dello stampo, nota come CFD simulation (Computational Fluid Dynamics), che permette di localizzare preventivamente potenziali difetti, come porosità, giunzioni fredde e presenza d’aria nel pressofuso.

La fase di simulazione si dimostra quindi particolarmente utile per ottenere una geometria dello stampo ottimizzata prima di iniziare con il processo di produzione. Durante questa fase è infatti possibile selezionare i migliori parametri da applicare per la forma dello stampo, in modo da evitare anticipatamente difetti sul pezzo e di conseguenza ridurre i costi di produzione e lavorazioni meccaniche aggiuntive.

Se desideri informazioni più dettagliate sulla simulazione, ecco altri post sull’argomento:

• I vantaggi della simulazione HPDC nella pressofusione
• Simulazione per pressofusione: qualità superficiale nel settore automobilistico
• Simulazione per pressofusione: conservazione dello stampo e ottimizzazione dei parametri
• Simulazione per pressofusione: studio della porosità da ritiro

3. Riduzione degli scarti

Una progressiva riduzione degli scarti di lavorazione può essere ottenuta attraverso un’accurata pianificazione dell’intero processo produttivo. Innanzitutto è necessaria un’analisi del prodotto e del processo che si concentri sulle cause dello scarto. Per identificare queste cause gli ingegneri devono servirsi di software di simulazione per prevedere tutte le fasi della produzione, dal design ai trattamenti di finitura. La simulazione si dimostra nuovamente uno strumento indispensabile per l’ottimizzazione dei processi produttivi di pressofusione di zinco, poiché permette di evitare difetti e di controllare proprietà tecniche prima di iniziare con la produzione del pezzo, generando così una consistente riduzione dei costi e del lead time. Una volta individuate le principali cause dello scarto si procede alla definizione delle possibili soluzioni da applicare, localizzando i passaggi di maggior rilevanza nel processo produttivo e monitorandoli costantemente.

Per ulteriori informazioni sulla riduzione degli scarti clicca sul post qui sotto:

• Simulazione per pressofusione: studio per la riduzione degli scarti

4. Tempo ciclo

L’espressione tempo ciclo definisce il periodo di tempo richiesto per sviluppare la produzione di un componente. Il tempo ciclo rappresenta una variabile centrale nella produzione di un componente perché un tempo ciclo ridotto si traduce in un ridotto lead time, cioè il periodo di tempo necessario per soddisfare la richiesta di un cliente in termini di offerta. Un lead time ottimizzato genera incremento nella soddisfazione del cliente, poiché permette al fornitore di rispettare le deadline e gli standard ricercati dal cliente. Di conseguenza, per garantire un servizio rapido ed efficiente tempo ciclo e lead time devono essere ottimizzati il più possibile. Il tempo ciclo può essere ridotto prestando attenzione a diversi aspetti del processo produttivo, in particolare alla fase di simulazione e ai sistemi tecnologici del dipartimento di produzione. Innanzitutto, come precedentemente illustrato, è importante simulare le fasi di produzione e definire i parametri più adeguati da applicare per il processo di produzione. In questo modo possibili difetti sul pressofuso possono essere evitati sin dall’inizio e, di conseguenza, sarà possibile eliminare ulteriori operazioni meccaniche. Un altro elemento centrale per la riduzione del tempo ciclo è il sistema tecnologico della fonderia, il cui livello di innovazione tecnologica può apportare notevoli riduzioni nei tempi di produzione. Infatti, macchinari automatizzati permettono di ottenere tempi ciclo più rapidi e operazioni più accurate, variabili che risultano discriminanti nel raggiungimento delle performance ricercate dai clienti. Inoltre, controlli periodici dei macchinari aiutano a comprendere come il tempo ciclo può essere ulteriormente migliorato.

Per informazioni dettagliate sul tempo ciclo clicca sul post qui sotto:

• Riduzione dei costi tramite l’ottimizzazione del tempo ciclo

Perché ottimizzare il processo produttivo è fondamentale per un business

L’ottimizzazione del processo produttivo è un elemento decisivo nella gestione di un business perché consente di ridurre i costi di produzione e di ottenere un processo produttivo più rapido. Al fine di conseguire questi benefici è quindi necessario introdurre nel proprio sistema di produzione tecnologie automatizzate e software di simulazione, e ottimizzare la riduzione degli scarti e il tempo ciclo. Con la definizione di un preciso piano di ottimizzazione il lead time potrà essere ridotto e di conseguenza si potrà assistere a un incremento della soddisfazione del cliente.
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Potete trovare una lista completa degli argomenti trattati nel nostro primo post sul tema, cliccando qui.

Qualità superficiale: un caso nel settore automobilistico

Protagoniste di questo studio sono le lamelle delle prese d’aria che controllano e dirigono il flusso dell’aria condizionata nell’abitacolo delle auto.

Queste lamelle sono solitamente fatte di plastica, ma l’oggetto del nostro studio è la placca centrale, usata dal guidatore per dirigere l’aria verso gli altri condotti e per questo fatta in lega metallica.

Questo prodotto offre delle sfide soprattutto per la qualità superficiale, a causa della sua posizione esposta in piena vista all’interno dell’abitacolo, delle possibili criticità riscontrate dopo i trattamenti superficiali e il fatto che debba essere installata su auto di lusso.

Obiettivo e fasi della simulazione

L’analisi di simulazione si concentrerà quindi sulla progettazione di un flusso ottimale dall’alimentatore per evitare difetti come i segni di flusso e le bolle nel prodotto.

Nella prima fase del procedimento abbiamo studiato gli effetti di diverse configurazioni dei canali di alimentazione, una dopo l’altra, per identificare quelle con le caratteristiche migliori. In seguito abbiamo migliorato la forma dei canali, soprattutto in prossimità dell’ingresso dello stampo.

Gli obiettivi da raggiungere durante le varie fasi della simulazione erano:

• Riempimento costante dello stampo seguendo la direzione principale del flusso
• Diminuzione della probabilità di cavitazione per aumentare la velocità del flusso
• Riduzione del tempo di riempimento e mantenimento dell’alta temperatura della lega durante l’intera fase
• Mancanza di bolle d’aria nel prodotto

Risultati

Nello studio della qualità superficiale di un prodotto, il parametro principale di cui tenere conto è la temperatura. La temperatura deve rimanere il più alta e consistente possibile durante tutta la durata del riempimento, fino alla fine del processo, soprattutto per le parti visibili.

L’immagine rappresenta i risultati dell’analisi alla fine del ciclo di riempimento: la temperatura è sufficientemente alta e omogenea, con caratteristiche migliori nella superficie superiore, che richiede un livello di qualità maggiore dal momento che sarà visibile nell’abitacolo dell’auto.

Dall’analisi del campo di velocità è possibile osservare la direzione dell’alimentazione e il modulo della velocità all’ingresso dello stampo: un punto particolarmente critico poiché è spesso soggetto a fenomeni di cavitazione, causando l’usura dello stampo.

Guardando l’immagine, possiamo notare la regolarità del riempimento e che gli ultimi volumi riempiti sono quelli vicini ai pozzetti, permettendo alla lega a bassa temperatura, cioè quella arrivata prima nello stampo, di uscire.

Il campo della velocità, che dipende non solo dalla geometria dei canali di alimentazione, ma anche da condizioni di contorno al livello dell’entrata dello stampo, è stato ottenuto utilizzando parametri comuni per la pressofusione di questo tipo di prodotto. Lo schema della velocità è sufficientemente basso, anche in prossimità dell’attacco di colata. Questo ha un effetto positivo sulla produzione perché permette di utilizzare parametri di riempimento più alti senza il rischio di usura prematura dello stampo.

L’immagine seguente mostra invece che l’impatto dei canali di alimentazione è ben bilanciato: i due canali di alimentazione, identificati dai colori rosso e blu, riempiono lo stampo in maniera costante. Il corretto funzionamento dei canali piccoli sulla sinistra viene confermato: la presenza del colore arancione, per quanto scarsa, è necessaria per evitare i segni di flusso.

L’influenza dei canali di alimentazione (colorata in arancione) dovrebbe essere limitata, ma non a zero: la sua presenza è necessaria per evitare segni di flusso nella zona d’entrata.

Ed infine, il campo che mostra gli intrappolamenti d’aria indica una situazione favorevole: l’aria contenuta nel pressofuso non è un problema, poiché è uniformemente distribuita nell’intero volume e concentrata solo nei diffusori, garantendo il raggiungimento della qualità superficiale richiesta.

Tutte queste analisi confermano che il progetto e il sistema di riempimento sono ottimizzati per ottenere la migliore qualità estetica, garantendo una superficie omogenea che può essere sottoposta al trattamento richiesto e contribuire all’aumento del valore percepito degli interni dell’auto.

Per concludere, lo studio di simulazione ci ha permesso di assicurare la miglior qualità superficiale per le bocchette dell’aria condizionata, attraverso l’analisi di quattro fattori principali: la direzione del flusso principale, la sua velocità, il tempo e la temperatura di riempimento e l’assenza di intrappolamenti d’aria. Grazie all’analisi di questi fattori, è stato possibile ottimizzare il processo di pressofusione ridisegnando le forme dei canali di alimentazione e quindi di soddisfare i livelli di qualità estetica richiesta.

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Questo post è l’ultimo di una serie in cui spieghiamo l’importanza della simulazione nella pressofusione in camera calda usando dei casi di studio reali.

Potete trovare una lista completa degli argomenti trattati nel primo post sull’argomento, cliccando qui.

Manutenzione dello stampo: un caso del settore automobilistico

Il prodotto che analizzeremo in questo post è un gruppo di alloggiamento del bloccasterzo per l’industria automobilistica.

La parte più critica è stata la cover superiore dell’alloggiamento, che doveva contenere una carta elettronica. Inizialmente, la parte non era difettata, ma dopo alcune stampate sono comparsi dei chiari segni di erosione dello stampo. L’erosione lasciava infatti dei segni distintivi sulla superficie del componente: queste chiazze scure e irregolari erano un segno dell’usura.

Il deterioramento dello stampo era causato dall’alta velocità del flusso durante le fasi di riempitura e dalla particolare geometria del componente. Le conseguenze di una scarsa conservazione dello stampo possono essere piuttosto gravi, dato che possono causare malfunzionamenti del componente a causa delle irregolarità superficiali, oltre ad aumentare la necessità di riparazioni. Per risolvere il problema, si è ricorso ad una simulazione del processo di riempimento.

Obiettivo e fasi della simulazione

L’obiettivo della simulazione era di trovare opportunità di rallentamento del flusso o di eliminare l’erosione dallo stampo pre-esistente: per ottenere il risultato atteso, il nostro dipartimento di engineering ha svolto un’analisi di sistemi di alimentazione alternativi.

Il primo passo è stato identificare la causa dell’erosione: l’erosione era causata dalla formazione e dall’implosione non-stazionaria di bolle di lega contro la superficie dello stampo. A causa delle alte velocità del flusso attraverso canali stretti in prossimità del canale di alimentazione, la pressione crollava al di sotto del livello di vaporizzazione della lega, causandone l’evaporazione immediata.

Conseguentemente, la lega entra nello stampo con una sezione trasversale più ampia dell’attacco di colata, causando un’espansione che riduce la velocità del flusso. La pressione aumenta rapidamente, causando l’implosione delle bolle di vapore e l’erosione della superficie interna dello stampo.

Risultati

Il campo della velocità di riempimento rappresenta la velocità del flusso al momento dell’ingresso nel volume di controllo.

Dal momento che la cavitazione è un processo non-stazionario che avviene nella prima fase del riempimento, che è anche la fase a più alta instabilità, lo studio della velocità di riempimento fornisce le maggiori probabilità di identificare le aree critiche.

Come si vede dall’immagine seguente, la nuova forma influenza positivamente l’espansione del flusso, limitando i gradienti di velocità entro la linea verde.

Parte interna dell’alloggio

L’area con la cavitazione maggiore è nel centro del campo, dove la linea verde demarca la separazione tra due aree di diversa velocità. Esattamente in quest’area, a causa del rallentamento del flusso e dell’aumento della pressione, le bolle di lega implodono e danneggiano lo stampo.

Con il nuovo diffusore la linea verde si è spostata, generando un allargamento nella diffusione del flusso. Questo ampiamento dovrebbe spostare l’area di cavitazione e ridurne il rischio grazie al minor gradiente di velocità nelle aree critiche dello stampo.

Parte esterna dell’alloggio

La linea verde si è spostata anche sul lato fisso dello stampo, aumentando la diffusione e diminuendo il gradiente di velocità trasversale.

Concludendo, l’uso della simulazione ha permesso di identificare le aree critiche in cui si formava la cavitazione e di progettare un flusso più ampio per spostarla, impedendo l’usura dello stampo e migliorando la conservazione dello stampo.

Passiamo ora al prossimo caso, che riguarda i piccoli elettrodomestici casalinghi e l’ottimizzazione dei parametri.

Ottimizzazione dei parametri: un caso nel settore casalinghi

L’oggetto di questo secondo studio è una maniglia cromata. Il prodotto è un componente per una macchinetta del caffè a cialde: in questo caso non c’era un problema da risolvere, ma era necessario individuare il metodo di riempimento più corretto per ottimizzare la produzione.

Per ottenere un alto livello di qualità estetica, lo stampo deve essere mantenuto a temperature molto elevate: le alte temperature infatti riducono il raffreddamento durante la fase di riempimento, riducendo i segni di flusso. Tuttavia, alte temperature implicano un tempo di raffreddamento più lungo: come conseguenza, il tempo ciclo si allunga a causa della solidificazione più lenta. Di conseguenza, è necessario stabilire l’intervallo di temperatura che permette di ottenere un alto livello qualitativo mantenendo il tempo ciclo il più basso possibile, per aumentare la produttività.

Una volta identificati, i parametri di regolazione della fusione possono essere impostati in modo tale da mantenere le temperature dello stampo nell’intervallo. Questi parametri sono la temperatura di ingresso e il tipo di fluido raffreddante.

Obiettivi e fasi della simulazione

L’obiettivo della simulazione è di stimare i cambiamenti nella qualità superficiale e del tempo ciclo al variare delle temperature dello stampo.

La temperatura dello stampo dipende da due fattori: la geometria del circuito di raffreddamento scelto in fase di progettazione e la temperatura e il tipo di fluido di raffreddamento che viene applicato nella fase di produzione.

Nella simulazione, è stata imposta una temperatura dello stampo omogenea in prossimità delle cavità. La qualità superficiale è stata determinata tramite il valore medio della temperatura della lega alla fine della fase di riempimento, mentre il ciclo produttivo è stato derivato dal tempo necessario al componente per solidificare e raffreddarsi fino a 340°C.

Le variazioni delle due quantità sono state calcolate tramite una serie di simulazioni a temperatura variabile.

Risultati

Il grafico seguente mostra chiaramente i risultati della serie di simulazioni. Tecnicamente, questa non è un’analisi di ottimizzazione poiché le due curve in crescita monotona non permettono di trovare un massimo o un minimo assoluto: può essere considerata come una ricerca di compromesso per definire l’intervallo di temperature ideali.

L’intervallo in cui la curva della qualità superficiale aumenta in modo significativo è tra i 180-228°C, mentre il tempo ciclo del prodotto si mantiene relativamente costante prima di aumentare esponenzialmente.

Per questo motivo abbiamo scelto di mantenere un margine di circa 10°C, all’estrema destra dell’intervallo (218°C < T < 228°C).

In questo caso, la simulazione del componente ha aiutato a determinare la temperatura ideale dello stampo per ottenere la qualità superficiale richiesta, definendo la scelta della temperatura in ingresso e la scelta del fluido di raffreddamento.

Attraverso questa serie di post abbiamo visto diverse applicazioni della simulazione per pressofusione: riduzione di scarti, ottimizzazione delle qualità estetistiche, miglioramento delle caratteristiche meccaniche, conservazione dello stampo migliorata e ottimizzazione dei parametri sono solo alcuni dei molti vantaggi offerti dall’uso di questa tecnologia.

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Caratteristiche meccaniche: uno studio nel settore costruzioni

Il prodotto che studieremo nel post di oggi è una cerniera per porte. Questo componente meccanico era progettato per essere sottoposto a sforzi di bassa-media intensità. A differenza di altri prodotti nel settore delle costruzioni, in questo progetto le caratteristiche estetiche non erano molto rilevanti, mentre le caratteristiche meccaniche e la resistenza all’usura erano fondamentali.

Obiettivo e fasi della simulazione

L’obiettivo della simulazione era di minimizzare i difetti che possono influenzare le caratteristiche meccaniche della cerniera della porta: la porosità e i fori. I requisiti per questo componente erano:

• assenza di cavità interne e bolle, causate da intrappolamenti di aria;
• riempimento corretto;
• nessun dettaglio mancante;
• bassa porosità da ritiro sia internamente che in prossimità del canale di alimentazione;

Grazie all’esperienza precedente nella produzione di pezzi simili, i nostri tecnici sapevano che la porosità è uno degli aspetti più critici per le cerniere delle porte: la presenza di buchi e cavità, causate dal ritiro del componente in prossimità del canale di alimentazione, potrebbe ridurre la resistenza e persino causare la rottura del componente sotto sforzo. Inoltre, un raffreddamento scorretto delle parti potrebbe causare picchi di calore sulla superficie dello stampo, portando alla formazione di cavità sulla superficie del componente.

L’analisi di simulazione si è concentrata quindi sulla fase di solidificazione, con l’obiettivo di trovare una configurazione che permetta un raffreddamento omogeneo delle parti, evitando così la formazione di aree più calde e prevenendo la porosità.

Risultati

Lo studio delle fasi di riempimento si è concentrato sull’analisi della distribuzione degli intrappolamenti di aria. Come si può vedere dall’immagine seguente, la quantità di aria è minima ed è equamente distribuita in piccole dosi attraverso l’intero componente.

La porosità è stata analizzata osservando il comportamento del pezzo durante la fase di solidificazione: il punto più critico è il canale di alimentazione, dove la lega solidifica e si contrae durante la fase di raffreddamento.

A differenza di altre parti simili prodotte in precedenza, per questa simulazione si è deciso di orientare il condotto di alimentazione parallelamente agli assi dei fori, e non perpendicolarmente. Inoltre, la sua configurazione geometrica è ottimizzata per evitare la creazione di punti caldi sulla superficie delle parti.

Come si può vedere dall’immagine, nella nuova configurazione la superficie vicina al canale di alimentazione solidifica molto più rapidamente, diminuendo di conseguenza il rischio di porosità da ritiro.

L’area di congiunzione solidifica rapidamente (colorata in azzurro), contemporaneamente al resto della superficie del prodotto, riducendo il rischio di porosità superficiale. L’area più critica è quella subito sotto alla giunzione – cerchiata in rosso – dove il raffreddamento è molto più lento a causa della vicinanza del canale di alimentazione.

Ma come si può vedere dall’immagine indicata come “50% liquido” la criticità dovrebbe essere ormai risolta: l’area cerchiata è solida (colorata in azzurro) mentre il centro del componente è ancora liquido (in giallo).

L’immagine qui sopra raffigura la simulazione dello stampo: il volume vicino all’attacco di colata porta ad una solidificazione davvero lenta e alla formazione di porosità da ritiro come conseguenza diretta. Invece, il ri-posizionamento della giunzione ha ridotto il problema della porosità grazie ad un raffreddamento più rapido del metallo fuso.

Il risultato della simulazione è stato confermato dopo l’utilizzo dello stampo: il problema della porosità da ritiro, tipica di questo tipo di prodotti, è stato completamente eliminato.

Riassumendo, l’esperienza ottenuta trattando con casi simili ha permesso a Bruschi di identificare le criticità già dalla fase di design dello stampo e di studiare una soluzione attraverso l’uso della simulazione. L’obiettivo era di migliorare la resistenza del componente riducendo la porosità da ritiro: questo rende il componente più resistente all’usura e evita le rotture sotto sforzo. Lo studio di simulazione della fase di solidificazione ha confermato che posizionare il condotto di alimentazione parallelo agli assi dei fori aumenta la velocità di raffreddamento, riducendo così il rischio di porosità.

Ancora una volta, la buona riuscita di questo studio dimostra l’importanza della simulazione nella pressofusione: l’uso di nuove tecnologie può aiutare ad ottenere differenze competitive sul mercato anche in un settore millenario come quello della lavorazione dei metalli.

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Nel post di oggi, dopo una breve introduzione, analizzeremo un caso del settore delle automazioni riguardante la formazione di bolle e di problemi di intrappolamenti di aria che sono stati risolti grazie all’uso di un software di simulazione.

Durante il processo di pressofusione delle leghe di zinco, l’elemento che più influisce sul risultato finale è il canale dell’alimentazione, che porta la lega nello stampo. Una corretta alimentazione dello stampo ha un’importanza cruciale per la qualità, la forza e la superficie del prodotto, e può anche allungare la vita dello stampo.

Una simulazione dell’alimentazione, del riempimento e della fase di solidificazione offre un vero vantaggio: aiuta infatti a prevedere i possibili difetti causati da flussi liquidi non uniformi, da gradienti di temperatura troppo elevati, aumenti della velocità locale e altri problemi. Con i software di simulazione è possibile ottimizzare l’intera produzione, con effetti positivi sulla durata della vita dello stampo e sul prodotto finale, in termini di estetica e efficienza. Queste simulazioni si svolgono utilizzando software specifici, come Magmasoft.

Magmasoft è un pacchetto software innovativo sviluppato appositamente per la simulazione per pressofusione. Permette di simulare il riempimento dello stampo e la solidificazione del pressofuso, calcolando il flusso delle leghe, la loro temperatura e la presenza di gas o porosità nel prodotto finito.

Grazie a queste simulazioni, è possibile identificare la configurazione migliore per gli alimentatori e per ottenere i migliori risultati per precisione e affidabilità, riducendo i rischi al minimo e risparmiando tempo e risorse.

In questa serie, analizzeremo dei casi in cui l’analisi tramite simulazione ha contribuito a migliorare la produzione corrente e ad evitare errori di progettazione che avrebbero influito il prodotto finto, creando sprechi di materiale, tempo e risorse.

Nel dettaglio, presenteremo 5 diversi casi in cui l’uso di un software di simulazione ha influenzato le decisioni nella scelta delle tecniche per la produzione dei pressofusi. Ecco una lista degli argomenti che andremo a trattare in ogni post:

1. Riduzione degli scarti
2. Qualità estetiche
3. Caratteristiche meccaniche
4. Manutenzione e ciclo vitale dello stampo
5. Ottimizzazione dei parametri

Ora presenteremo il primo caso, relativo alla riduzione degli scarti per un prodotto utilizzato nel settore delle automazioni industriali e della gestione energetica.

RIDUZIONE DEGLI SCARTI: UN CASO DAL SETTORE DELL’AUTOMAZIONE

Questo studio riguarda un supporto per un interruttore di emergenza. Data la sua funzione, il prodotto è visibile ma non necessità di alte qualità estetiche. Tuttavia, il prodotto veniva sottoposto a verniciatura: questo processo portava alla luce dei difetti superficiali.

Lo stampo di questo prodotto è stato utilizzato per diversi anni, generando sempre una percentuale di scarti del 5% causata dalla formazione di bolle durante la verniciatura. L’origine di questo fenomeno è la presenza di aria nella lega, che viene spinta verso l’esterno dalle alte temperature raggiunte durante il processo di verniciatura e rimane intrappolata tra la superficie del pressofuso e lo strato di vernice.

Obiettivi e fasi della simulazione

In questo studio di simulazione ci si è concentrati sull’evitare bolle nelle fasi di post-produzione. L’obiettivo della simulazione era di ridurre la quantità di scarti causati dagli intrappolamenti di aria. Abbiamo esaminato il comportamento del flusso durante le fasi di riempimento per accertare le cause di questo fenomeno. In seguito, abbiamo studiato metodi di alimentazione alternativi.

Risultati della analisi

L’analisi mostra aree di reflusso e incapsulamento dell’aria in prossimità dei bordi, dove erano state identificate le bolle. Questa turbolenza è causata dalla velocità del flusso e dalle caratteristiche geometriche del componente.

Nell’immagine seguente, potete vedere il risultato di un’analisi numerica della configurazione attuale dello stampo:

Una volta che la causa del problema è stata identificata, è stato possibile cercare una soluzione che potesse ridurre la velocità del flusso.

SOLUZIONE

La soluzione rappresentata nell’immagine prevede un sistema di alimentazione alternativo, dove il canale di colata è ruotato di 45° attorno all’asse del prodotto.

I risultati della modifica sono illustrati di seguito.

Paragone tra le due configurazioni:

Attraverso l’uso di una simulazione, l’area di reflusso è stata completamente eliminata e il flusso di riempimento risulta più uniforme.

Dopo la simulazione, lo stampo è stato modificato e i risultati hanno confermato la validità dello studio: la quantità di prodotti rifiutati a causa delle bolle è stata ridotta quasi del 95%.

Riassumendo, grazie all’uso della simulazione per pressofusione è stato possibile identificare chiaramente le aree problematiche in cui si formavano gli intrappolamenti di aria. La rotazione del condotto di alimentazione ha permesso di regolare la velocità del flusso senza modificare la forma del componente, prevenendo il reflusso nelle aree identificate precedentemente. Dopo le modifiche al sistema di alimentazione, la percentuale di scarti causata dalle bolle è stata ridotta significativamente.

Questo è solo uno dei tanti esempi in cui l’uso di una simulazione per pressofusione può aiutare a migliorare la produzione.

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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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