L'industria della fabbricazione dei metalli avanza dalla formatura alla finitura

Considera gli strumenti di precisione che hai tra le mani o i componenti critici all'interno di un motore di un'auto. Come le materie prime si trasformano in prodotti finali con forme specifiche, caratteristiche di prestazione e proprietà superficiali? La fabbricazione di componenti metallici è un processo complesso che integra molteplici tecniche. Questo articolo esplora le intricate fasi della produzione di componenti metallici, dalla modellatura iniziale ai trattamenti superficiali avanzati, rivelando la scienza e la tecnologia sottostanti. Esamineremo vari processi di fabbricazione e discuteremo come selezionare la combinazione ottimale di tecniche per ottenere le migliori prestazioni e l'efficienza dei costi.

La fabbricazione di componenti metallici prevede tipicamente una serie di processi, ampiamente classificati come operazioni primarie e secondarie. Molte parti richiedono una combinazione di entrambi. Durante la produzione, i componenti non finiti sono indicati come "lavorazione in corso" (WIP), in attesa di ulteriore elaborazione.

• Processi Primari: Questi modellano i materiali in forme vicine alle dimensioni e alla geometria finali. Stabiliscono la struttura fondamentale e la distribuzione del materiale della parte.
• Processi Secondari: Questi modificano la superficie del WIP, le proprietà dei materiali o applicano rivestimenti. Quando i soli processi primari non possono soddisfare i requisiti di progettazione, vengono impiegate operazioni secondarie. Dopo la lavorazione primaria, il WIP diventa il "substrato". Ad esempio, in una parte realizzata in allumina sinterizzata con un rivestimento metallico, l'allumina funge da substrato. In una vite in acciaio zincato, l'acciaio è il substrato.

I processi primari costituiscono il nucleo della fabbricazione di componenti metallici, definendo la struttura di base della parte. Di seguito sono riportati i principali tipi di operazioni primarie:

Lo stampaggio e la fusione comportano l'iniezione di materiale fuso in uno stampo, consentendogli di solidificarsi, e quindi l'espulsione della parte sagomata. Questi metodi si applicano a metalli, polimeri e vetro. Per le materie plastiche, le tecniche comuni includono lo stampaggio a iniezione e lo stampaggio a soffiaggio; per i metalli, la pressofusione, la fusione in sabbia e la fusione a cera persa sono prevalenti.

• Stampaggio a Iniezione di Plastica: I granuli termoplastici entrano in una tramoggia e alimentano una macchina a iniezione. Una vite rotante trasporta il materiale in avanti mentre l'attrito e le zone di riscaldamento lo fondono. Una volta che si accumula una quantità sufficiente di plastica fusa, la vite la inietta nella cavità dello stampo. Dopo il raffreddamento, lo stampo si apre e la parte viene espulsa.
• Pressofusione: Il metallo fuso viene forzato in una cavità dello stampo. Alla solidificazione, lo stampo si apre e la parte viene espulsa.

Tutti i processi di stampaggio e fusione richiedono il controllo della composizione del materiale e della temperatura di fusione. Anche variabili aggiuntive come la pressione di iniezione, la temperatura dello stampo, i tempi di espulsione e la lubrificazione dello stampo possono essere critiche.

Questo processo compatta polvere di metallo o ceramica in uno stampo sotto pressione, quindi la sinterizza in un forno ad alta temperatura per fondere le particelle in una parte solida. La pressatura a caldo e la pressatura isostatica a caldo combinano compattazione e sinterizzazione.

Le parti sinterizzate ideali presentano una porosità controllata, progettata attraverso i parametri di compattazione e sinterizzazione per ottenere le proprietà desiderate.

Questi processi modellano metalli o polimeri solidi tramite deformazione meccanica. I materiali di partenza includono lamiere, tubi, barre o grezzi, a volte riscaldati per facilitare la formatura. Le parti metalliche possono essere stampate, trafilate, forgiate o estruse; i polimeri sono modellati tramite stampaggio a compressione o termoformatura.

• Stampaggio a Compressione: Le parti in plastica si formano da polvere, granuli o preforme. Quando lo stampo si chiude, la compressione genera taglio, mentre le metà dello stampo riscaldate ammorbidiscono il materiale per riempire le cavità. Il calore e la pressione continui curano la plastica.

Questo processo sottrattivo rimuove materiale da lamiere, blocchi o barre per rifinire parti fuse o stampate, ottenere tolleranze più strette o alterare l'estetica. Le tecniche includono la lavorazione meccanica, l'incisione chimica e la lavorazione a fascio laser, applicabili a metalli, polimeri e ceramiche.

• Lavorazione Meccanica: Comprende la rettifica, la fresatura e la foratura.
• Incisione Chimica: Crea dettagli fini su lamiere sottili o rimuove sezioni indesiderate.
• Lavorazione a Fascio Laser: Fora o taglia metalli, polimeri e ceramiche.

La laminazione assembla singoli strati di materiale in strutture multistrato, spesso per compositi. Gli strati vengono pressati insieme con o senza adesivi, a volte sotto calore.

I processi secondari modificano i WIP e rientrano in tre categorie:

• Modifica del Materiale: Altera le proprietà attraverso la sezione trasversale della parte.
• Modifica della Superficie: Cambia le caratteristiche della superficie.
• Deposizione di Rivestimenti: Applica o fa crescere rivestimenti sulle superfici.

Il trattamento termico altera la microstruttura del metallo per migliorare la resistenza, la duttilità o le proprietà magnetiche. I cicli controllati di riscaldamento e raffreddamento variano in base al materiale e ai risultati desiderati.

• Leghe di Acciaio: Riscaldate in forni o fornaci, quindi raffreddate a velocità che influenzano la microstruttura. Il raffreddamento lento avviene in aria; il raffreddamento rapido utilizza olio o tempra in acqua.
• Leghe di Alluminio, Rame e Nichel: Rinforzate tramite trattamento di soluzione (riscaldamento e raffreddamento rapido) seguito da indurimento per precipitazione (invecchiamento a temperature più basse).

Metodi chimici, meccanici o termici raffinano la composizione, la consistenza o la chimica della superficie per migliorare la resistenza all'usura, la durata a fatica, l'attrito o la capacità di adesione.

• Trattamento Termico Superficiale: Processi come l'induzione, il laser o l'indurimento a fiamma creano strati superficiali durevoli su un nucleo duttile.
• Processi Termochimici: Cementazione, nitrurazione o carbonitrurazione diffondono elementi nelle superfici per formare strati duri.
• Processi Meccanici: Pallinatura (migliora la resistenza a fatica), sabbiatura (pulisce/irruvidisce) o rettifica (rifinisce le superfici).
• Pulizia Chimica: Rimuove i contaminanti utilizzando acidi, alcali o solventi.

Strati sottili (da nanometri a micrometri) migliorano l'usura, la resistenza alla corrosione o l'estetica oltre le capacità del substrato. Esempi includono:

• Elettrodeposizione: Immergere le parti in soluzioni conduttive; la corrente deposita ioni metallici (ad esempio, rame, oro, nichel) sulle superfici.
• Rivestimenti di Conversione: Crescono tramite reazioni chimiche (ad esempio, fosfatazione sull'acciaio, cromatura sull'alluminio).
• Anodizzazione: Ossidazione elettrochimica di superfici di alluminio, magnesio o titanio.
• Verniciatura/Verniciatura a Polvere: Applica liquidi a base di polimeri o polveri secche, polimerizzate tramite riscaldamento.
• Deposizione Sotto Vuoto: Spruzza o evapora metalli (ad esempio, alluminio, titanio) in camere a vuoto.
• Spruzzatura Termica: Proietta goccioline fuse (metalli, ceramiche) sulle superfici tramite metodi a fiamma, arco o plasma.

Alcuni componenti subiscono più processi secondari. Ad esempio, la sabbiatura può precedere la verniciatura per pulire e irruvidire le superfici. I materiali di pre-rivestimento (ad esempio, zinco su lamiere di acciaio) prima della formatura possono ridurre i costi rispetto al rivestimento post-formatura.

Oltre alla modellatura di massa, le tecniche di deposizione, incisione o conversione chimica costruiscono strutture complesse, in particolare nell'elettronica (ad esempio, circuiti integrati, MEMS). Qui, i substrati forniscono supporto meccanico integrandosi nei progetti funzionali.