Che cos’è il getto? Una guida completa ai processi di produzione

Definizione della fusione: il processo di produzione

Il termine “casting” presenta un’ambiguità funzionale. In genere, si riferisce alla selezione degli attori per una produzione. Nel campo della tecnologia, indica lo streaming multimediale. Ma nella produzione industriale, che ha avuto un impatto profondo sulla civiltà, il casting è un processo industriale fondamentale e indiscusso.

Il presente articolo si concentrerà esclusivamente sul metodo di fusione industriale. La definizione accademica della fusione industriale la descrive come un metodo per modellare i materiali nella forma desiderata, passando dallo stato liquido a quello solido e funzionale. Tratteremo i concetti fondamentali, illustreremo le principali metodologie e identificheremo i fattori essenziali che influenzano la qualità del prodotto finale. Il presente articolo è rivolto a ingegneri, progettisti e responsabili degli acquisti che necessitano di una spiegazione chiara dei processi coinvolti nella realizzazione dei componenti.

Il processo di fusione in 5 fasi

Il processo di fusione dei metalli comporta la trasformazione e la lavorazione della materia in diversi stati. La materia viene riscaldata fino a raggiungere lo stato liquido, quindi viene versata in uno stampo appositamente realizzato per accoglierla, dando così origine a vari oggetti metallici. Questo metodo combina principi di fisica, metallurgia e ingegneria.

L'intera metodologia può essere sintetizzata in cinque fasi fondamentali:

1. Realizzazione di stampi: Per realizzare uno stampo, si parte da un modello, ovvero una copia della figura che si intende ottenere. Lo stampo viene creato utilizzando l'impronta dello spazio negativo del pezzo finale, denominata cavità dello stampo. La progettazione dello stampo richiede grande attenzione e prevede un sistema di colata, ovvero una rete di canali che convoglia il materiale fuso nella cavità.
2. Fusione e colata: La lega di fusione selezionata viene riscaldata in un forno fino a una temperatura ben superiore al suo punto di fusione, in modo da trasformarla in metallo fuso. Il metallo fuso viene quindi versato nel sistema di colata dello stampo.
3. Solidificazione: Man mano che la cavità dello stampo si riempie di metallo liquido, il metallo inizia a raffreddarsi. Il calore del metallo inizia a trasferirsi al materiale dello stampo e attraverso le pareti dello stesso. Il metallo si raffredda e passa dallo stato liquido a quello solido, solidificandosi e assumendo la forma dello stampo.
4. Rimozione della muffa (Shakeout): Una volta che il metallo si è completamente solidificato — un processo che può richiedere da pochi minuti a diversi giorni a seconda delle dimensioni e del materiale — lo stampo può finalmente essere rimosso. Nel caso degli stampi a consumo (in particolare quelli in sabbia), rimuovere lo stampo significa romperlo. Con gli stampi permanenti, invece, è sufficiente aprire lo stampo ed estrarre il pezzo.
5. Finitura e post-elaborazione: La sezione raffreddata viene definita "getto finale" o "pezzo fuso" e viene estratta dallo stampo. Il sistema di colata, che a questo punto è anch'esso metallo solido, viene rimosso. Il pezzo può quindi essere pulito e sottoposto a ulteriori lavorazioni per migliorarne la finitura superficiale mediante rettifica o levigatura. Spesso viene applicato un trattamento termico per migliorare le caratteristiche meccaniche o fisiche del pezzo.

Questa sequenza fondamentale costituisce la base di tutti i metodi di fusione, dalle antiche sculture in bronzo ai componenti aerospaziali ad alta tecnologia.

Confronto tra i principali metodi di fusione: quale fa al caso tuo?

Ogni progetto presenta requisiti e aspettative specifici in termini di complessità, dimensioni, materiali e costi. Ciò, a sua volta, porta allo sviluppo di metodi di fusione in stampo sempre più innovativi e specializzati. È necessario comprendere ciascuna delle tecniche principali a livello elementare per poter prendere decisioni relative all’approvvigionamento dei componenti.

Fusione in sabbia: rapporto costo-efficacia e pezzi di grandi dimensioni

La fusione in sabbia vanta una lunga tradizione ed è una tecnica molto versatile. Si utilizzano stampi realizzati con una miscela di sabbia silicea e argilla mescolata con acqua (nota come “sabbia verde”) oppure con sabbia da fusione legata chimicamente. Gli stampi sono monouso; vengono distrutti dopo ogni fusione.

• Procedura: La cavità dello stampo si forma quando un modello viene impresso nella sabbia da fusione.
• Ideale per: Componenti di grandi dimensioni, come i blocchi motore nell’industria automobilistica, componenti con sezioni trasversali spesse e produzione in piccole serie grazie ai bassi costi di attrezzaggio.
• Limiti: La finitura è ruvida e, rispetto ad altri metodi, la precisione dimensionale è scarsa.

Pressofusione: produzione ad alto volume ed efficienza

La pressofusione è una tecnica efficiente che consiste nell'iniettare metallo fuso ad alta pressione in stampi prefabbricati in acciaio temprato. Questa tecnica è paragonabile a quella dello stampaggio a iniezione, sebbene la pressofusione riguardi prevalentemente i metalli. Lo stampo è permanente e riutilizzabile, il che consente tempi di ciclo estremamente rapidi.

• Procedura: Il metallo viene iniettato ad alta velocità nello stampo. La pressofusione per gravità è un processo affine che sfrutta la forza di gravità anziché l'alta pressione.
• Ideale per: Produzione in serie di componenti metallici caratterizzati da una buona precisione dimensionale e da una finitura superficiale liscia. È una tecnica comunemente utilizzata per elettrodomestici, componenti automobilistici e involucri di apparecchiature elettroniche. In genere è limitata alle leghe non ferrose a basso punto di fusione, come l’alluminio, lo zinco e il magnesio.
• Limiti: Dato che lo stampo è così costoso, non è conveniente per una produzione in piccoli volumi.

Fusione a cera persa: complessità e alta precisione

La fusione a cera persa, comunemente nota come fusione a cera persa o fusione a cera, consente di realizzare modelli complessi e pezzi caratterizzati da dettagli e precisione notevoli.

• Procedura: Si realizza un modello o una forma in cera del pezzo. Questo viene racchiuso in una pasta ceramica che si indurisce formando un guscio. La cera viene quindi fusa (metodo a cera persa), lasciando una cavità dello stampo perfetta e senza giunture. Il metallo fuso viene colato nello stampo in ceramica.
• Ideale per: Ideale per forme complesse e impegnative, nonché per componenti che richiedono una finitura superficiale eccellente direttamente dallo stampo. Ciò è fondamentale per la produzione di articoli quali pale di turbina, impianti medici e componenti automobilistici di una certa categoria.

La fusione centrifuga è un metodo esemplare in cui si utilizzano uno stampo rotante e la forza centrifuga per realizzare componenti cilindrici come i tubi. La fusione in gesso utilizza uno stampo in gesso per realizzare componenti non ferrosi complessi e altamente dettagliati, come i pezzi fusi decorativi. La fusione a schiuma persa, molto simile alla fusione a cera persa, impiega un modello in schiuma che sublima quando viene versato il metallo fuso. Ciascun metodo è stato ideato per rispondere a diverse esigenze ingegneristiche. Vale la pena sottolineare che la fusione è un processo completamente diverso rispetto a tecniche quali la lavorazione della lamiera, che comporta la formatura, il taglio e la piegatura di lamiere metalliche allo stato solido, a differenza del processo di fusione.

Risolvere i “punti critici della produzione” con la fusione di precisione

I metodi di fusione descritti in precedenza presentano diversi compromessi. La pressofusione è veloce, ma comporta costi elevati di avviamento e presenta limitazioni in termini di materiali. La fusione in sabbia è economica, ma manca di precisione e accuratezza. Il ‘punto critico’ comune a diversi settori, in particolare quello aerospaziale, medico, automobilistico e della difesa, è l’esigenza simultanea di forme complesse, finiture superficiali di alta qualità e tolleranze precise.

L'approccio tradizionale alla fusione spesso non soddisfa i requisiti richiesti, il che porta alla produzione di pezzi complessi che possono richiedere numerose operazioni di lavorazione secondaria affinché raggiungano le specifiche finali, con conseguenti costi elevati e tempi di lavorazione prolungati. È proprio in questo contesto che la fusione di precisione, e in particolare la fusione a cera persa con sol di silice, offre una soluzione chiara.

Nel processo di fusione a cera persa, il sol di silice funge da legante stabile e di alta qualità utilizzato nella produzione del guscio ceramico. Questo processo rappresenta la forma più avanzata di fusione a cera persa.

• Il valore aggiunto: la fusione a cera persa con sol di silice consente di ottenere pezzi “quasi finiti”, a differenza di altri metodi che producono componenti “grezzi”. Ciò significa che il pezzo esce dallo stampo con una finitura liscia e dimensioni precise, che richiedono una lavorazione successiva minima o addirittura nulla.
• Il vantaggio: questo processo non è limitato dai vincoli propri di altri metodi. È in grado di gestire geometrie complesse e cavità interne che non possono essere ricavate mediante lavorazione meccanica. Inoltre, è compatibile con un’ampia gamma di materiali diversi, tra cui leghe ad alte prestazioni quali l’acciaio inossidabile e l’acciaio per utensili ad alto tenore di carbonio.

Bessercast (https://www.bessercast.com/) sfrutta questa specifica tecnologia per la fusione a cera persa con sol di silice. I componenti fusi che produciamo risolvono alcuni punti critici nella produzione dei componenti dei nostri clienti. Il valore aggiunto per i nostri clienti risiede nel risparmio di tempo nelle operazioni secondarie, nella riduzione degli scarti di materiale derivanti dal processo di produzione e nella possibilità di realizzare geometrie complesse che non potrebbero essere prodotte con i metodi tradizionali. Si evitano così le operazioni di lavorazione secondaria. Inoltre, si migliora la sostenibilità ambientale riducendo gli scarti e il consumo energetico associati alla lavorazione secondaria.

Guida alla scelta dei materiali per la fusione: dalla ghisa all’acciaio inossidabile

La funzionalità di un componente è determinata dal materiale con cui è realizzato. Il processo di fusione consente di lavorare con numerosi materiali. Questa flessibilità permette di personalizzare determinate caratteristiche di un componente. I materiali possono essere scelti in base alle diverse proprietà meccaniche (resistenza, durezza) e fisiche (densità, conduttività).

• Metalli ferrosi: Si tratta di leghe a base di ferro, ampiamente utilizzate in diversi settori industriali.
  • Ghisa sferoidale: Noto per la sua robustezza, durata e elevata resistenza alla corrosione, è ideale per tubi, raccordi e componenti automobilistici.
  • Acciaio inossidabile: Una famiglia di leghe apprezzate per la loro eccezionale resistenza alla corrosione e per l'aspetto estetico. Sono fondamentali nelle applicazioni mediche, navali e nel settore della trasformazione alimentare.
  • Acciai al carbonio e legati: I cavalli di battaglia dell'industria, che offrono un'ampia gamma di resistenza e tenacità.
• Metalli non ferrosi: Questi materiali non contengono quantità significative di ferro.
  • Leghe di alluminio: Leggero, conduttivo e resistente alla corrosione. Ampiamente utilizzato nell’industria automobilistica per la riduzione del peso, nonché nei settori dell’elettronica e dell’aerospaziale.
  • Bronzo e ottone: Le leghe di rame sono utilizzate per le loro proprietà uniche, tra cui la conduttività, il basso attrito (per i cuscinetti) e l'aspetto estetico, particolarmente apprezzato negli oggetti decorativi.
  • Titanio Leghe: Utilizzati in applicazioni ad alte prestazioni (come le pale delle turbine aerospaziali) per il loro eccezionale rapporto resistenza/peso e le prestazioni alle alte temperature.

La scelta del metallo da fusione più adatto tra questa ampia varietà di metalli rappresenta una decisione ingegneristica fondamentale, che richiede di trovare il giusto equilibrio tra costi, prestazioni e il processo di produzione stesso.

Principali settori di applicazione della tecnologia di fusione

Non specializzata e ampiamente diffusa, la fusione svolge un ruolo essenziale nel settore manifatturiero e in numerosi altri settori industriali. Dai semplici componenti metallici ai componenti avanzati, complessi e di importanza critica, la fusione consente di realizzare innumerevoli prodotti in vari settori industriali.

Settore automobilistico

Tra i vari settori, l'industria automobilistica è una delle principali utilizzatrici di componenti fusi. L'industria automobilistica ricorre alla fusione per la produzione di componenti di grandi dimensioni (come la fusione in sabbia dell'acciaio e la pressofusione ad alta pressione dell'alluminio) destinati a blocchi motore, testate dei cilindri, alloggiamenti del cambio e snodi delle sospensioni.

Aerospaziale ed energia

Si tratta del settore più complesso e impegnativo in termini di progettazione, calore e sollecitazioni estreme, nonché di materiali specializzati. La fusione a cera persa viene utilizzata per realizzare le pale monocristalline delle turbine per motori a reazione e per la produzione di energia elettrica. Queste pale sono progettate per garantire l’aerodinamica e adempiere alla loro funzione.

Medicina e Precisione Strumenti

Rientrano in questo settore gli impianti medici (ginocchia, anche), gli strumenti chirurgici e i componenti per apparecchiature a raggi X, tutti realizzati mediante fusione di precisione. La resistenza alla corrosione, la riproduzione di dettagli minuti e l’uniformità delle forme geometriche complesse sono caratteristiche fondamentali per questi strumenti. Gli Stati Uniti sono un paese leader in questo settore manifatturiero ad alta tecnologia e nelle complesse tecnologie utilizzate in questo specifico ambito.

Come valutare le esigenze del proprio progetto di fusione

La scelta del metodo di fusione e del partner più adatti parte da una valutazione accurata delle esigenze tecniche e commerciali del proprio progetto. Un ingegnere progettista o un responsabile degli acquisti dovrebbe essere in grado di rispondere alle seguenti domande prima di contattare un fornitore:

1. Precisione e la complessità. Cosa sono le tolleranze critiche? Il pezzo presenta geometrie complesse, cavità interne o pareti sottili? Se è richiesta un’elevata precisione, ciò indica la necessità di ricorrere a un processo diverso dalla fusione in sabbia e suggerisce l’uso della pressofusione o della fusione a cera persa.
2. Volume e costo. Qual è il volume di produzione previsto? Si tratta di una produzione una tantum di prototipi o di una produzione in serie di milioni di unità? I volumi elevati giustificano gli elevati costi di attrezzaggio associati alla pressofusione. La fusione in sabbia e la fusione a cera persa offrono soluzioni più economiche per volumi da bassi a medi.
3. Materiali e prestazioni. Quali sono le proprietà fondamentali e imprescindibili del materiale? È richiesta una resistenza estrema, resistenza alla corrosione o leggerezza? La scelta del materiale (ad esempio, acciaio inossidabile o alluminio) potrebbe escludere immediatamente determinati metodi di fusione.
4. Finitura superficiale. La finitura superficiale è un requisito estetico o è fondamentale per il funzionamento (ad esempio, dal punto di vista della fluidodinamica)? La necessità di una finitura superficiale influirà sulla progettazione dello stampo e sulla scelta del processo.

Le risposte a queste domande ridurranno le possibilità da una dozzina a uno o due percorsi praticabili.

Conclusione

La fusione è un processo produttivo utilizzato per trasformare il materiale fuso in componenti metallici durevoli e funzionali. Esiste una tecnica adatta a ogni esigenza industriale, dalla robusta fusione in sabbia alla fusione a cera persa, che garantisce la massima precisione. Come illustrato in questa guida, la scelta del processo più appropriato è una decisione di fondamentale importanza, che influirà direttamente sul costo finale, sulle prestazioni e sulla qualità del vostro progetto.

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