Il processo di conversione di materie prime come minerali e leghe in prodotti metallici utili è noto come processo di lavorazione dei metalli. Esistono diversi processi di lavorazione dei metalli, come la fusione, la forgiatura, la metallurgia delle polveri e la lavorazione CNC.
Questi processi rientrano nella categoria dei processi di produzione di metalli sfusi, che possono essere utilizzati per ottenere i componenti metallici desiderati. Ogni metodo offre vantaggi unici a seconda di fattori quali il tipo di materiale, la forma desiderata, la precisione e la scala di produzione. Con l'aiuto di questi metodi, possiamo produrre da semplici lamiere metalliche a componenti metallici complessi per vari settori come quello aerospaziale, automobilistico o ingegneristico.
Contenuti
Casting
Il processo di fusione dei metalli è considerato uno dei metodi più antichi per la produzione di componenti metallici. In questa tecnica, prima di tutto, viene progettato uno stampo in base al componente desiderato. Successivamente, il metallo fuso viene colato nello stampo, che si solidifica raffreddandosi. I componenti vengono estratti dallo stampo durante il raffreddamento e vengono quindi sottoposti a ulteriori trattamenti di finitura per ottenere le proprietà desiderate.
Fusione di sabbia
In questo processo di fusione, vengono utilizzati stampi realizzati in sabbia in cui il metallo fuso viene colato per trasformarlo nel componente desiderato. Questo tipo di fusione è considerato universale per la produzione di grandi motori, statue e altre opere d'arte.
Casting di investimento
Questo tipo di fusione è anche noto come fusione a cera persa. Con questa tecnica, viene creato uno stampo in cera, che viene poi rivestito con ceramica. Dopo la solidificazione della ceramica, la cera viene fusa e viene creato uno stampo per i componenti desiderati, in cui viene colato il metallo fuso. Questo tipo di fusione è considerato un metodo di alta precisione e accuratezza per i componenti, come nella produzione di pale di turbine nel settore della produzione di energia.
| Vantaggi della fusione | Limitazioni del casting |
|---|---|
| Versatilità in forme e design complessi | Porosità del gas dovuta ai gas intrappolati |
| Conveniente per grandi produzioni | Può presentare difetti di restringimento dovuti a una scarsa alimentazione del materiale |
| Compatibile con molti materiali (metalli, plastica, ceramica) | Difetti del materiale dello stampo dovuti a erosione o pressione |
| Elevata resistenza e affidabilità meccanica | Difetti di colata come chiusure a freddo e colate irregolari |
| Precisione e spreco minimo con materiale riutilizzabile | Difetti metallurgici come strappi caldi |
Forgiatura
La forgiatura è un processo in cui un metallo viene rinforzato e modellato nei componenti desiderati applicando una compressione tramite presse idrauliche o meccaniche. È ampiamente utilizzata in vari settori, come quello aerospaziale, petrolifero e del gas, per la produzione di componenti come valvole ad alta pressione, alberi motore, giunti sferici, ingranaggi e camme.
In base alla temperatura a cui il metallo viene forgiato, è stato suddiviso in due tipologie:
Forgiatura a caldo
In questo caso, il metallo o le sue leghe vengono riscaldati a una temperatura da 0.3 a 0.4 volte superiore a quella di fusione, per poi applicare delle forze fino a ottenere il componente desiderato. Ad esempio, 7000 leghe di alluminio vengono forgiate a 400-440 °C, mentre 2000 leghe di alluminio vengono forgiate a 425-460 °C. Questo tipo di forgiatura richiede meno forza e i metalli possono essere compressi facilmente a caldo. Tuttavia, potrebbe non garantire la finitura desiderata; pertanto, richiede un processo di finitura aggiuntivo. È ampiamente utilizzato per la produzione di componenti nell'industria aerospaziale.
Forgiatura a freddo
La forgiatura del metallo a temperatura ambiente è definita forgiatura a freddo poiché il metallo non viene riscaldato a temperature elevate. Richiede maggiore forza per ottenere la forma desiderata. La forgiatura a freddo offre un'elevata precisione dimensionale, ma i componenti possono presentare cricche a causa della scarsa elasticità.
| Vantaggi della forgiatura | Limitazioni della forgiatura |
|---|---|
| Produce parti con proprietà meccaniche superiori e elevata resistenza | Potrebbe richiedere un trattamento termico costoso per ottenere proprietà ottimali |
| Elimina i vuoti interni e la porosità, migliorando l'affidabilità | Le geometrie complesse sono difficili da realizzare |
| Scarti minimi grazie alla formatura quasi netta | I costi iniziali di attrezzaggio e stampo possono essere elevati |
Metallurgia delle polveri (PM)
. processo di metallurgia delle polveri La PM è riconosciuta come un metodo di produzione ecologico che utilizza polveri metalliche come materie prime, forma i pezzi tramite compattazione in stampo e poi li sinterizza per ottenere i componenti finali. In questo processo, la polvere metallica viene prima compattata nella forma quasi netta del componente desiderato e poi sinterizzata. I componenti ottenuti tramite PM possiedono eccezionali proprietà meccaniche. Questa tecnica viene utilizzata per produrre componenti per diversi settori che richiedono elevata precisione e grande resistenza meccanica, come l'automotive e l'ingegneria.
Pressa e sinterizzazione
Questa è la tecnica di metallurgia delle polveri più comune e convenzionale. In questo caso, le polveri metalliche vengono compattate in uno stampo ad alta pressione e poi sinterizzate in un forno ad atmosfera controllata. È ampiamente utilizzata per la produzione di ingranaggi, cuscinetti e componenti strutturali con dimensioni uniformi.
Stampaggio a iniezione di metallo (MIM)
In processo di stampaggio ad iniezione di metallo, polveri metalliche fini vengono miscelate con un legante per formare una materia prima; questa materia prima viene quindi iniettata in uno stampo e, dopo la formatura, il legante viene rimosso e, infine, il pezzo viene sinterizzato. Questo metodo è ideale per la produzione di componenti piccoli, complessi e ad alta precisione, come quelli utilizzati nei dispositivi medici e nell'elettronica.
Vantaggi e limiti della metallurgia delle polveri
Vantaggi del PM
La metallurgia delle polveri offre un'elevata efficienza dei materiali con sprechi minimi e permette di produrre forme complesse e precise senza necessità di lavorazioni meccaniche. È ideale per produzioni ad alto volume con qualità costante.
Limitazioni del PM
- Le polveri metalliche grezze possono essere costose
- Limitato a componenti relativamente piccoli e di resistenza moderata
- Elevati costi iniziali di attrezzaggio e stampo
Lavorazione CNC
La lavorazione CNC (Computer Numerical Control) è un processo di produzione altamente preciso e automatizzato. In questo processo, un software pre-programmato controlla il movimento di utensili e macchinari per il taglio, la foratura o la fresatura. È ampiamente utilizzato per la produzione di componenti complessi con tolleranze ristrette in metallo. Questo processo è ampiamente utilizzato nei settori aerospaziale, automobilistico, elettronico, medico e della difesa.
Ecco alcuni tipi di lavorazioni CNC:
Fresatura CNC
fresatura CNC In genere, utilizza utensili da taglio rotanti multi-punta per rimuovere materiale da un pezzo fermo. È ideale per creare fessure, fori, tasche e contorni 3D.
tornitura CNC
In questo processo, il pezzo in lavorazione viene ruotato ad alta velocità mentre un utensile da taglio fisso si muove linearmente per rimuovere il materiale. È considerato ideale per alberi, boccole, parti filettate e componenti con simmetria rotazionale.
Foratura CNC
La foratura CNC utilizza punte rotanti per creare fori precisi in un pezzo. Viene utilizzata per la produzione di fori ad alta velocità e precisione in metalli e materie plastiche.
Rettifica CNC
Per ottenere finiture superficiali di alta qualità, la rettifica CNC prevede l'utilizzo di una mola abrasiva rotante. È comunemente utilizzata per la finitura di parti metalliche temprate e per ottenere tolleranze dimensionali ridotte.
CNC EDM (lavorazione a scarica elettrica)
Questo processo utilizza scintille elettriche per erodere il materiale da pezzi conduttivi. Una delle caratteristiche più notevoli di questo processo è l'assenza di contatto fisico tra l'utensile e il pezzo. Si divide ulteriormente in due tipologie, l'elettroerosione a filo e l'elettroerosione a tuffo. Questo processo è considerato eccellente per metalli duri e geometrie interne complesse, come stampi e pale di turbine.
| Vantaggi della lavorazione CNC | Svantaggi della lavorazione CNC |
|---|---|
| Offre elevata precisione dimensionale e ripetibilità | Richiede operatori e programmatori qualificati per prestazioni ottimali |
| Il funzionamento automatizzato riduce l'errore umano e consente una produzione 24 ore su 7, XNUMX giorni su XNUMX | L'elevato investimento iniziale in macchinari e costi di avviamento |
| Funziona con un'ampia gamma di materiali ed è adatto a varie applicazioni | Non conveniente per parti semplici o di volume molto basso |
| Necessità minima di finitura o post-elaborazione in molti casi | L'usura e la manutenzione degli utensili possono aumentare i costi operativi a lungo termine |
metal Stamping
Lo stampaggio prevede il posizionamento di una lamiera tra due stampi e l'applicazione di una forza per modellare il materiale nella forma desiderata. Include diverse operazioni, tra cui:
-
blanking – ritagliare una forma piatta dal foglio.
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Curvatura – formando angoli o curve.
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Punzonatura – creando fori o ritagli.
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disegno – trasformando un foglio piatto in una forma tridimensionale.
Lo stampaggio è comunemente utilizzato nella produzione su larga scala di componenti automobilistici, elettrodomestici ed elettronica, grazie alla sua elevata velocità, precisione e convenienza.
Produzione additiva (stampa 3D)
Nei processi di produzione additiva di metalli, i componenti vengono realizzati strato per strato con l'ausilio di modelli 3D digitali. Il processo inizia con la creazione di un progetto digitale tramite software CAD, che viene poi convertito in un formato leggibile dalla stampante 3D. La stampante deposita il materiale strato per strato e lo fonde, seguendo le istruzioni del modello, nel componente desiderato. È considerato ideale per la produzione di componenti leggeri e complessi come staffe, condotti e alloggiamenti.
Sinterizzazione laser diretta del metallo
In sinterizzazione laser diretta in metallo, un raggio laser ad alta potenza viene utilizzato per fondere le particelle metalliche strato per strato per ottenere i componenti desiderati. Viene utilizzato per produrre geometrie complesse e altamente dettagliate con eccellenti proprietà meccaniche.
Fusione del fascio di elettroni
In fusione del fascio di elettroniInvece di un laser, viene utilizzato un fascio di elettroni ad alta velocità per sinterizzare le particelle di polvere metallica. Poiché questo processo opera ad alte temperature, è particolarmente adatto per materiali ad alte prestazioni come il titanio e le leghe di cobalto-cromo.
Sinterizzazione laser selettiva (SLS)
ICon questo metodo, un materiale in polvere sinterizzato al laser viene utilizzato per formare parti solide. La SLS non richiede strutture di supporto; pertanto, è considerata ideale per prototipi funzionali e produzioni in piccoli volumi.
| Vantaggi della produzione additiva | Limitazioni della produzione additiva |
|---|---|
| Può produrre geometrie altamente complesse e personalizzate senza costi aggiuntivi | Limitato dal volume di costruzione e dall'orientamento delle parti |
| Accelera lo sviluppo del prodotto con cicli di iterazione rapidi | Non ideale per la produzione su larga scala o di massa |
| Spreco minimo poiché il materiale viene aggiunto solo dove necessario | Le scelte dei materiali sono più limitate rispetto ai metodi tradizionali |
Estrusione
L'estrusione è un processo di produzione di metalli che permette di produrre forme lunghe e continue con una sezione trasversale uniforme. In questa tecnica, un metallo viene forzato attraverso una matrice della forma desiderata ad alta pressione. Il materiale estruso assume la forma dell'apertura della matrice e viene quindi tagliato alla lunghezza richiesta. È noto per l'elevata velocità di produzione e la capacità di formare profili complessi in modo efficiente.
Il processo di produzione tramite estrusione dei metalli è suddiviso nelle seguenti tipologie:
Estrusione a caldo
In questo processo, il materiale viene riscaldato oltre la sua temperatura di ricristallizzazione prima di essere forzato attraverso lo stampo. È comunemente utilizzato per leghe di alluminio, rame e magnesio.
Estrusione a freddo
Il processo viene eseguito a temperatura ambiente o quasi. Questo metodo offre una migliore finitura superficiale, una maggiore precisione dimensionale e migliori proprietà meccaniche. Viene tipicamente utilizzato per acciaio, piombo, stagno e zinco.
L'estrusione offre numerosi vantaggi rispetto ad altri processi di lavorazione dei metalli. Eccone alcuni:
- Efficiente per la produzione in serie di componenti lunghi con sezioni trasversali uniformi
- Basso spreco di materiale e buon controllo delle tolleranze dimensionali
- Migliora la resistenza attraverso l'allineamento della struttura dei grani
Tuttavia, i componenti ottenuti tramite estrusione possono presentare una finitura grezza che richiede lavorazioni aggiuntive. Inoltre, se il processo non è ben controllato, può causare tensioni interne o difetti.
Ogni processo di fabbricazione dei metalli ha una sua nicchia. Per piccole quantità, la stampa 3D è un'opzione ideale in quanto non richiede stampi e supporta la prototipazione rapida diretta. Per produzioni su larga scala a costi contenuti, come gli ingranaggi delle pompe dell'olio, la metallurgia delle polveri è spesso una scelta adatta. Quando sono richiesti sia un'elevata complessità di forma che un elevato volume di produzione, come nel caso delle cerniere per cellulari con schermo pieghevole, lo stampaggio a iniezione di metalli offre vantaggi significativi.
La tabella seguente fornisce un confronto approfondito tra i diversi processi di produzione dei metalli.
| Attributo | PM | MIM | Forgiatura | Casting | lavorazione a macchina |
|---|---|---|---|---|---|
| Selezione dei materiali | Medio | Limitato | Medio | Limitato | Ampio |
| Complessità della forma | Medio | Alta | Basso | Medio | Alta |
| Tolleranza | Medio (±0.5%) | Alta | Medio | Medio | Alta |
| Finitura di superficie | Medio | Buono (1 µm Ra) | Buone | Medio | Buone |
| Costo | Basso | Medio | Medio | Basso | Alta |
| Fattibilità della produzione di massa | Alta | Alta | Medio | Alta | Basso |
| Spessore minimo della parete | 1 mm | 0.5 mm | 1 mm | 0.5 mm | 0.5 mm |
| Densità | 94% -99% | 100% | 100% | 100% |