Colata a iniezione – Principio di funzionamento, processo e altro ancora

Come la colata in sabbia, la microfusione è uno dei processi di fusione più antichi, praticati già nelle civiltà antiche. Risalente al 3700 a.C. nella regione del Levante per la realizzazione di gioielli, ornamenti e idoli, questa tecnica di fusione è stata utilizzata anche dalle civiltà di Harappa, Mesopotamia, Azteca, Maya e Benin, e ritrovata nelle tombe dei sovrani egizi.

I principi fondamentali della microfusione sono rimasti invariati nel corso di migliaia di anni. Tuttavia, l’aggiunta di tecnologie di supporto come il CAD/CAM, la produzione additiva e le capacità di monitoraggio in tempo reale ha migliorato in modo significativo la qualità finale dei pezzi, la consistenza e l’economicità di questo processo industriale.

In questo articolo, esploreremo il funzionamento dei moderni processi di microfusione, con i loro vantaggi, svantaggi e casi d’uso.

Che cos’è la microfusione?

La microfusione, talvolta nota anche come colata di precisione oppure fusione a cera persaè una delle tecniche di formatura dei metalli più diffuse. Il termine ‘investimento’ deriva dal significato arcaico di ‘investire’, che si riferisce a rivestire o circondare un oggetto con uno strato di materiale.

In questo processo, un modello di cera viene racchiuso in materiale refrattario a formare uno stampo a conchiglia in ceramica. Il modello è leggermente più grande nelle dimensioni rispetto al prodotto finale, per adattarsi alla contrazione quando il materiale si raffredda.

Dal momento che lo stampo a conchiglia ha una superficie dura, la microfusione offre finiture superficiali più lisce rispetto alla colata in sabbia. Il processo può funzionare con la maggior parte dei metalli. Alcuni metalli popolari che sono altamente compatibili con la microfusione sono il bronzo, il magnesio, le leghe di acciaio inossidabile, il vetro, l’acciaio al carbonio, l’ottone, l’alluminio e le leghe di alluminio.

Processo di microfusione

Il processo di microfusione è più complesso rispetto al processo di colata in sabbia, molto diffuso, e comporta quindi un maggior numero di fasi. La colata per investimento prevede 8 fasi, che sono le seguenti:

1. Creazione del modello master
2. Creazione della matrice master
3. Creazione del modello in cera
4. Creazione dello stampo a conchiglia
5. Rimozione della cera
6. Colata di metallo fuso e successivo raffreddamento
7. Rimozione della colata dallo stampo a conchiglia
8. Operazioni di post-lavorazione

Vediamo più da vicino cosa succede in ciascuna delle fasi:

1. Creazione del modello master

Il modello master è un duplicato esatto del prodotto richiesto. Può essere realizzato in legno, metallo, plastica, argilla, cera o altre leghe speciali. Nel corso degli anni, i produttori sono passati alla stampa di modelli master in 3D grazie alla loro compatibilità con il CAD/CAM e alla migliore precisione dimensionale.

2. Creazione dello stampo master

Il modello master viene utilizzato per creare uno stampo master. La tecnica di creazione dello stampo master dipende dal materiale del modello master. Per esempio, se il modello master è in acciaio, può essere messo nell’alluminio fuso, poiché l’alluminio fonde a 660°C (1.220°F), mentre l’acciaio fonde a circa 1500°C (2.732°F). Pertanto, l’alluminio fuso non dissolverà l’acciaio. Al momento della solidificazione, si creerà uno stampo master a base di alluminio.

Stampi master stampati in 3D sono sempre più utilizzati perché offrono una alternativa economica agli stampi in metallo quando sono necessarie solo poche fusioni.

3. Creazione del modello in cera

Esistono diversi modi per produrre modelli in cera da stampi master. Un metodo prevede di riempire la matrice con una piccola quantità di cera e di agitarla finché non ricopre uniformemente la superficie interna della matrice e si solidifica. Questo processo viene ripetuto fino a raggiungere lo spessore desiderato, ottenendo un modello di cera cavo.

Il secondo metodo prevede il riempimento completo dello stampo master con la cera. La cera può essere introdotta direttamente o tramite iniezione ad alta pressione nello stampo. Le alte pressioni consentono alla cera di riempire tutte le caratteristiche della cavità nel caso di componenti complessi. I modelli di cera così prodotti sono solidi.

In questa fase, si possono aggiungere delle anime per creare delle cavità interne nel modello in cera. I materiali comuni per le anime includono la cera solubile o la ceramica. La cera solubile viene rimossa nella fase 5, mentre i nuclei in ceramica vengono rimossi dopo l’indurimento del prodotto finale.

4. Creazione dello stampo a conchiglia

I modelli in cera non possono sopportare le alte temperature del metallo fuso. Per questo motivo, dai modelli in cera vengono creati stampi in ceramica per sopportare il calore del metallo fuso. Lo stampo in ceramica è formato da immergendo il modello in cera in un impasto di materiale refrattario e lasciandolo solidificare.

Il processo è essenzialmente lo stesso che ricoprire il gelato alla vaniglia con uno strato di cioccolato. Quando il gelato alla vaniglia freddo entra in contatto con il cioccolato fuso caldo, il cioccolato si attacca al gelato e si solidifica quasi immediatamente, creando un sottile guscio di cioccolato che ricopre il gelato.

Allo stesso modo, quando l’impasto di ceramica entra in contatto con il modello in cera, vi aderisce e si solidifica. Vengono effettuate diverse passate del modello di cera, iniziando con un impasto più fine e poi più grossolano per ottenere lo spessore desiderato dello stampo in ceramica. Lo stampo viene poi lasciato raffreddare.

5. Rimozione della cera

Una volta che l’impasto si è indurito, viene posto in un forno per rimuovere la cera e per l’ulteriore sinterizzazione dello stampo in ceramica. La sinterizzazione è il processo attraverso il quale gli oggetti vengono induriti attraverso la pressione e il calore, ma senza liquefarsi. Con l’aumento della temperatura, la sinterizzazione indurisce lo stampo, mentre la cera fusa viene recuperata per un uso futuro. Questa fase ci permette di ottenere uno stampo in ceramica solido per il processo di fusione vero e proprio.

6. Colata di metallo fuso e successivo raffreddamento

Dopo la fase di rimozione della cera, lo stampo viene raffreddato per essere testato. Se vengono rilevate crepe o altre imperfezioni, queste possono essere corrette utilizzando una fanghiglia di ceramica o un cemento speciale.

Una volta ottenuti i risultati dei test, lo stampo viene nuovamente riscaldato prima di versarvi il metallo liquido. Questo preriscaldamento assicura che il metallo fuso rimanga allo stato liquido. per un periodo più lungo, fino a riempire uniformemente lo stampo.

Per versare il metallo, lo stampo in ceramica viene capovolto e collocato in un contenitore pieno di sabbia. Il metallo fuso viene versato nello stampo per gravità o pressione esterna.

Riempimento assistito da vuoto può anche essere utilizzato. Ha un prezzo più elevato, ma offre un’efficienza delle risorse significativamente migliore rispetto al riempimento per gravità e a pressione.

Il vuoto trascina il metallo fuso nello stampo e, una volta che tutte le parti cruciali si sono solidificate, il vuoto viene rilasciato, consentendo al metallo fuso inutilizzato di fuoriuscire. Questo processo riduce al minimo la solidificazione del materiale nel canale di colata e nei portelli, con il risultato che fino al 95% di resa del materialerispetto al 15-50% del versamento per gravità.

Il materiale viene poi lasciato raffreddare e solidificare fino a quando non è abbastanza duro da resistere alla separazione dallo stampo a guscio in ceramica.

7. Rimozione della colata dallo stampo

La dismissione viene effettuata in genere martellando lo stampo per liberare la colata. Altri metodi per separare la colata di metallo dallo stampo includono l’idrogetto, la sabbiatura, la vibrazione e la dissoluzione chimica dello stampo. Il canale di colata, le guide e altri componenti del sistema di chiusura vengono poi separati e riciclati.

8. Operazioni di post-elaborazione

Il processo di microfusione in genere non richiede una lavorazione successiva. Tuttavia, se i risultati non sono quelli attesi, la fusione può richiedere operazioni di finitura superficiale prima dell’uso. In genere, la rettifica superficiale con macchine utensili è adeguata per lucidare e rifinire eventuali difetti superficiali. Tuttavia, a seconda della situazione, possono essere necessari altri processi di finitura, come la lavorazione manuale, la saldatura e la raddrizzatura idraulica.

Vantaggi della microfusione

Il processo di microfusione offre i seguenti vantaggi:

• Eccellente precisione dimensionale, anche per componenti complessi
• Finitura superficiale più liscia
• Funziona con un’ampia gamma di metalli
• I pezzi vengono creati come un’unica fusione senza linee di separazione
• Compatibile con la produzione di bassi e alti volumi
• Minimo spreco di risorse
• Le parti possono essere combinate, eliminando la necessità di operazioni di assemblaggio a valle
• Gli angoli di 90 gradi possono essere fusi senza preoccuparsi della tolleranza di ritiro
• Più rispettoso dell’ambiente rispetto ad altri processi di fabbricazione dei metalli

Limitazioni della microfusione

Il processo di microfusione presenta anche alcune limitazioni:

• Un numero molto elevato di variabili che possono influenzare la qualità dei pezzi. A elevato livello di controllo del processo è essenziale per produrre pezzi di buona qualità
• C’è un limite superiore alle dimensioni dei getti di rivestimento, che è inferiore a quello di alcuni altri processi di fusione, come la colata in sabbia.
• La fusione di oggetti con cavità interne può essere più impegnativa rispetto ad altri processi di fusione.
• Cicli di produzione e tempi di consegna più lunghi
• Le tecniche di microfusione sono più costose rispetto ad altri processi, soprattutto quando la quantità è bassa e il processo di produzione prevede l’utilizzo di utensili permanenti.

Applicazioni della microfusione

L’industria utilizza la microfusione per produrre i seguenti prodotti:

• Rotori di turbocompressori e pale di turbine
• Componenti di armi da fuoco come grilletti, martelli e ricevitori
• Parti del sistema di generazione di energia e di raffreddamento, come pompe, valvole e componenti del combustore
• Gioielli intricati con componenti delicati e tolleranze strette
• Parti automobilistiche, tra cui componenti del motore, componenti della trasmissione, freni, maniglie delle porte, ingranaggi, alloggiamenti, staffe, aste e altro ancora.

Quando scegliere la microfusione

Dopo aver appreso il processo di microfusione, riassumiamo le nostre conoscenze notando i cinque scenari in cui la microfusione offre il miglior ROI:

Gamma di dimensioni medie – La microfusione dà risultati migliori quando il peso del prodotto è compreso tra un pochi grammi fino a 1.000 kg. I pezzi di peso superiore a 1.000 kg sono più adatti al processo di fusione in sabbia.

Geometria estremamente complessa – La microfusione può creare forme estremamente complicate, come le pale delle turbine, le apparecchiature mediche, le corone e gli intarsi dentali, le apparecchiature per la generazione di energia, i componenti aerospaziali e altro ancora.

Alto numero di pezzi – La microfusione non è conveniente quando è necessario produrre un numero ridotto di pezzi, in quanto il processo diventa più costoso. Tuttavia, quando la quantità di pezzi aumenta oltre una certa soglia, il costo per pezzo può scendere al di sotto di quello di altri metodi, compresa la colata in sabbia.

Necessità di una finitura superficiale elevata – La microfusione utilizza uno stampo duro con una superficie molto fine, consentendo al processo di ottenere una finitura superficiale eccezionale.

Necessità di un’elevata precisione dimensionale – È possibile fondere forme nette o quasi nette attraverso la microfusione. Anche la necessità di post-elaborazione è minima con questo processo.

Partecipa al forum per Progettisti!

La tua esperienza è fondamentale per la comunità. Unisciti a noi e contribuisci con le tue conoscenze!

Condividi, impara e cresci con i migliori professionisti del settore.