Da anni, almeno un buon decennio,

Transcript

1 Un nuovo processo Da brevissimo tempo è finalmente disponibile un processo diverso, che supera quei limiti e che - secondo l azienda proponente - permette di realizzare stampi davvero equivalenti a quelli ottenuti ad asportazione truciolo. Grazie a proprietà particolari, esso offre tutti i vantaggi dei sistemi di sinterizzazione laser di polveri ma senza averne gli inconvenienti. Vediamolo in breve. Si tratta del processo SLM (Selective Laser Melting) che si contrappone al già noto processo SLS (Selective Laser Sintering) : molto simile nel principio e nella procedura, il SLM non sinterizza i singoli granuli di polvere metallica bensì li porta a fusione completa determinandone l agglomerazione senza necessità di elementi bassofondenti generalmente presenti nel sistema SLS. Ciò fa sì che la polvere di pardi Riccardo Perego Selective Laser Melting Dalla polvere metallica allo stampo Un nuovo processo consente agli stampisti di realizzare stampi senza usare macchine ad asportazione di truciolo. Vediamolo insieme Da anni, almeno un buon decennio, i costruttori di macchine per sinterizzazione laser di polveri annunciano periodicamente agli stampisti la possibilità di realizzare parti di stampi (le parti stampanti) non più con processi ad asportazione di truciolo bensì mediante addizione ossia mediante sinterizzazione di polveri metalliche. A dire il vero, processi e macchine a quello scopo esistono e permettono realmente di ricavare elementi di stampi, prototipi e altri componenti tecnici funzionali con caratteristiche meccaniche relativamente buone. Non mancano neppure esempi di veri stampi da produzione realizzati con parti stampanti così ottenute. Questi stampi (che chiameremo impropriamente sinterizzati ) danno sì risultati validi ma con importanti limitazioni. Per esempio, la durezza del materiale sinterizzato deposto non raggiunge in nessun caso quella dei migliori acciai per utensili; lo stesso vale per la resistenza meccanica e per la densità. Per queste ragioni, gli stampi così ottenuti trovano impiego solo per materie plastiche o (sembra) per la formatura di lamiere bassoresistenti, ma, comunque, con limiti in fatto di durata utile. Ma, oltre alla resistenza all usura, vi è poi il gran problema della densità e della struttura superficiale: la superficie di questi stampi sinterizzati è inevitabilmente microporosa, può sì essere portata a buoni livelli di finitura ma non a quelle finiture speculari indispensabili per attrezzi destinati a produrre particolari di plastica con superfici davvero estetiche. Insomma, fino a ieri non vi erano veri sostituti equivalenti alla tradizionale tecnologia di fabbricazione stampi mediante lavorazione ad asportazione truciolo. Fig. 1 - Fase iniziale della creazione di un oggetto col processo SLM (Selective Laser Melting). Simile al processo SLS di sinterizzazione laser di polveri, ma completamente diverso in quanto a materiale utilizzato, il nuovo processo fornisce pezzi con proprietà fisiche e meccaniche molto più elevate e quasi identiche a quelle dei migliori acciai per utensili (per esempio l acciaio ) 42

2 tenza utilizzata per il processo possa essere purissima e, insieme alla finissima granulometria, fornisca un materiale deposto (con l aiuto del laser come mezzo di apporto termico) di gran lunga più compatto e omogeneo rispetto ai sinterizzati tradizionali. La sua densità arriva addirittura al 99,5% di quella del materiale base in lingotto. Ne derivano proprietà meccaniche equivalenti e anche strutture superficiali estremamente regolari e compatte, con microporosità praticamente insistente e - quindi - possibilità di ottenere sulla stessa superficie finiture superficiali speculari esattamente come sul metallo base. Il processo in sé e per sé è strettamente analogo alla sinterizzazione laser convenzionale: su un piano di lavoro viene steso uno strato di polvere metallica a bassa granulometria e di purezza praticamente assoluta (nessun additivo bassofondente e simili) con uno spessore di circa 30 micron. Un fascio laser di opportune caratteristiche viene guidato da un CNC sullo strato predetto e che, Fig. 2 - La macchina Concept Laser della Hoffman Innovation Group, per il nuovo processo: operativa presso l officina della Texer Design, vicino a Treviso, la macchina fornisce componenti di stampi e componenti meccanici in generale in esemplari unici o in piccolissima serie, con le citate altissime caratteristiche meccaniche con un alternanza controllata di accensioni e spegnimenti, determina la fusione di certe parti dello strato (corrispondenti ai pieni del futuro pezzo) lasciando invece intatta la polvere nelle zone corrispondenti alle parti cave del pezzo stesso. Completata l operazione sul primo strato di polvere, se ne deposita un secondo e si ripete il ciclo strato dopo strato, fino alla creazione del pezzo completo. Il processo è quindi davvero analogo a quello di sinterizzazione già noto e largamente sfruttato sia per resine sia per polveri metalliche (ma che fornisce, però, risultati metallurgicamente inferiori). Le caratteristiche fisiche e meccaniche dei pezzi ottenuti Il processo SLM è utilizzabile per vari tipi di acciai (vedere tabella in fig. 3). L assoluta purezza della polvere e la totale assenza di bassofondenti fa sì che i pezzi ottenuti siano costituiti esclusivamente dal metallo prescelto. La vera e propria fusione dei micro granuli di polvere determina una perfetta agglomerazione della massa, che risulta del tutto analoga a quella che si riscontra in lingotti ottenuti da fonderia ma con una totale assenza di scorie e con una purezza quasi assoluta. Questi Fig. 3 - Caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali oggi disponibili per il processo SLM MATERIALI Carico limite elastico (N/mm 2 ) Test di Trazione Test di Durezza (HRC) Conducibilità Termica (W/mK) Resistenza alla Trazione (N/mm 2 ) 20 C 350 C CL Materiale per la produzione di parti resistenti ad acidi e corrosione (acciaio inox) CL 50 non temprato ca CL 50 temprato ca Materiale per la produzione di parti con le caratteristiche simili all acciaio CL 60 non temprato ca CL 60 temprato ca Materiale per la produzione di componenti per stampi per la pressofusione di leghe leggere 43

3 Fig. 4 - Esempio di tassello per stampo a iniezione: le numerose e strette cave (larghezza di solo 2 mm) sono generate con errori di soltanto ± 5/100 di mm sulla larghezza Fig. 5 - La fase progredita della lavorazione di figura 1: il pezzo prende forma due fattori spiegano la sostanziale differenza tra SLM ed SLS: un pezzo ottenuto col primo processo ha proprietà meccaniche e fisiche praticamente uguali a quelle del metallo della polvere di partenza. La Casa tedesca che ha messo a punto il nuovo processo offre oggi una serie di polveri formulate in modo da permettere la realizzazione di componenti meccanici davvero altoresistenti. Vediamo le caratteristiche meccaniche e fisiche di alcuni dei materiali oggi disponibili: la tabella di figura 3 riepiloga quelle di tre tipi di materiali per questo processo. Come si vede, per esempio la polvere CL50 fornisce pezzi finali con limite elastico di ben 100 kg/mm 2 e resistenza a trazione addirittura fino a 140 kg/mm 2. Poiché i pezzi così ottenuti sono altamente omogenei, è possibile trattarli termicamente, in particolare temprarli. In tal caso con la stessa polvere CL50 si ottengono pezzi che - dopo tempra - arrivano a un limite elastico addirittura di 150 kg/mm 2 e resistenza a rottura di 180 kg/mm 2. Quest ultimo materiale è oggi il più utilizzato per gli stampi per iniezione di materie plastiche. A queste straordinarie proprietà del tutto precluse ai pezzi ottenuti col tradizionale processo SLS si aggiunge il gran vantaggio di una densità pari a circa il 99,5% di quella dell acciaio base (quello dal quale è stata ricavata la polvere). I pezzi così ottenuti possono quindi essere portati a finiture superficiali eccellenti, fino alla vera specularità (figura 6). Notevole la precisione dimensionale e geometrica ottenibile sul pezzi generati: anche nelle condizioni più difficili per esempio nella generazione di strette cave (figura 4) si ottengono precisioni sorprendenti (errori contenuti entro ± 5/100 di mm). Le geometrie dei pezzi sono riprodotte con deviazioni anche inferiori. Questo processo, unito alle possibilità dei moderni software di progettazione e di simulazione, offre quindi possibilità davvero straordinarie per la realizzazione veloce e pressoché automatica di pezzi od oggetti di ogni grado di complessità. Siamo quindi in presenza di una decisa svolta nel campo della realizzazione additiva di elementi meccanici funzionali, svolta che si preannuncia di enorme interesse in particolare per gli stampisti che hanno ora, finalmente, la possibilità di ottenere per quella via inser- Fig. 6 - L altissima densità dei pezzi ottenuti col processo SLM permette la lucidatura superficiale a specchio: qui un esempio 44

4 Fig. 8 - Esempio delle quasi incredibili possibilità del processo SLM: un inserto per stampo plastica con un fitto reticolo di canali di raffreddamento, che non sarebbero in alcun modo realizzabili in questa conformazione con la foratura meccanica. Ne deriva un raffreddamento più rapido e la riduzione del tempociclo con corrispondente aumento della produttività ti porta-cavità delle forme più complicate con limitati sovrametalli rispetto al finito (normalmente 3/10 di millimetro); la finitura avviene sì ad asportazione di truciolo ma dato il minimo sovrametallo residuo prende tempi davvero minimi. Importante è poi la possibilità (di speciale interesse per gli stampi plastica) di integrare nei tasselli anche i canali di raffreddamento che potranno essere sagomati secondo le esigenze e senza i limiti imposti dalla foratura meccanica. Il far aderire strettamente i canali di raffreddamento alla forma della cavità migliora fortemente l evacuazione del calore. Si può così ridurre il tempo-ciclo (che è condizionato proprio dal tempo di raffreddamento), e aumentare in proporzione la produttività. Infine, le cavità possono essere finite davvero a specchio grazie all assenza di microporosità delle superfici. La realizzazione di elementi meccanici col processo additivo può ora essere sfruttata anche per la fabbricazione di stampi per prototipi di lamiera: l alta resistenza e durezza degli inserti così ottenibili (resistenza fino a 180 kg/mm 2 e durezze fino a 54 HRC, come dalla tabella di fig. 3) lo rendono concretamente possibile. Ma si possono anche realizzare direttamente prototipi funzionali di pezzi di acciaio. La figura 9 mostra un esempio di pezzo (prototipo) così realizzato. La disponibilità in Italia Il processo SLM è stato messo a punto dalla casa tedesca Hoffman, uno dei maggiori stampisti del mondo (produzione di parecchie migliaia di stampi l anno). I ricercatori dell azienda miravano ad adattare preesistenti macchine per sinterizzazione laser di polveri alle esigenze della fabbricazione di stampi con l obiettivo di ottenere depositi di resistenza e densità davvero confrontabili con quelli dei migliori acciai per utensili. Attraverso alterne vicende, la Hoffman ha raggiunto il proprio obiettivo con la messa a punto del citato processo SLM per il quale è stata realizzata una specifica macchina denomina- Fig. 7 - Inserto per stampo con canali di raffreddamento integrati ottenuti direttamente col processo SLM sull unità Concept Laser Fig. 9 - Altro notevole esempio di pezzi ottenuti col sistema SLM: un blocco valvole di acciaio. Non si tratta di un prototipo di resina bensì di pezzo funzionale di acciaio con durezza di circa 20 HRC, sia pure come prototipo 45

5 SPECIALIZZAZIONE: TECNOLOGIE AVANZATE Texer Design (Tezze di Vazzola, Treviso) è un esempio di azienda tutta tecnologia. Essa, infatti, è una piccola società d ingegneria, un centro di progettazione stampi che utilizza i mezzi più progrediti per l ottimizzazione dei progetti di questi attrezzi, servizio che l azienda offre alle attrezzerie. Il settore meccanico, e in particolari proprio quello degli stampi, ha avuto gli ultimi anni un forte slancio verso l automazione e l informatizzazione. Questo sviluppo ha portato le aziende a cercare partner in grado di supportarle nell affrontare le sempre crescenti esigenze dei clienti. Proprio da questa necessità è nata Texer Design, realtà dotata degli strumenti più avanzati e delle conoscenze necessarie per essere all avanguardia nella progettazione e nell ottimizzazione dei progetti. L azienda opera nel settore degli stampi tecnici e per automotive offrendo ai propri clienti la garanzia di tecnologie progettuali avanzate, anche con simulazione dinamica delle parti meccaniche in movimento essendo in grado di sviluppare progetti completi con modellazione 3D totale di stampi anche complessi e con elevato numero di impronte e di componenti. Texer offre un servizio completo comprendente anche simulazione delle movimentazioni, verifiche a collisione, modellazione 3D completa di forature per condizionamento, componenti standard e non standard, modelli CAD completi e parziali; tavole 2D dettagliate, ecc. Da pochi mesi, Texer Design - prima e unica azienda italiana - dispone di una stazione di lavoro per il nuovissimo processo SLM (Selective Laser Melting - vedere l articolo a fianco) che permette la realizzazione di componenti metallici con l innovativa fusione selettiva laser di polveri, tecnologia che permette di creare particolari metallici irrealizzabili fino a poco tempo fa e che promette di rendere più veloce ed economica la realizzazione di stampi e di prototipi meccanici funzionali. Fig Da sinistra: Alessandro Moro e Stefano Cadamuro, fondatori e titolari di Texer Design, col loro primo collaboratore Marco Andreetta Fig Tassello per stampo a iniezione realizzato col sistema SLM: dimensioni Ø 4 x Ø 60 x lunghezza 100 mm, materiale acciaio , durezza 54 HRC ta Concept Laser da tempo in funzione presso la stessa Hoffman che la utilizza in modo intensivo per la propria produzione. La casa tedesca ha però deciso di mettere queste possibilità a disposizione del mercato: oggi, unità Concept Laser sono installate in vari esemplari anche in altre aziende tedesche ed europee. Qui si è inserita la Texer Design (Tezze di Vazzola, Treviso), una giovane e dinamica azienda specializzata nella progettazione di stampi e che nei pochi anni dalla sua nascita, grazia al proprio know-how, ha saputo allacciare solidi rapporti non solo con molti stampisti del Veneto bensì anche con aziende estere, tra le quali la citata Hoffman. Da questo fortunato incontro e visti i concreti risultati nel campo degli stampi è nata la decisione - da parte Texer - di abbracciare il nuovo processo SLM e di proporlo in Italia. L azienda veneta ha installato nella propria officina la prima macchina di questo tipo oggi esistente nel nostro Paese e offre agli stampisti e a tutta l industria italiana la possibilità di verificare concretamente le eccezionali possibilità del processo SLM. Texer (vedere anche il box in margine a quest articolo) è anche progettista di stampi e centro di design industriale ed ha al proprio attivo una ormai lunga serie di realizzazione di rilievo. Questa somma di competenze e specializzazioni, insieme con la nuova tecnologia SLM e la disponibilità di un unità Concept Laser, permettono a questo piccolo gruppo di appassionati specialisti di offrire all industria italiana (degli stampi e no) soluzioni avanzate, che possono rendere più conveniente e rapida la realizzazione di componenti di stampi o componenti meccanici in generale da produrre in esemplari unici o anche in piccole pre-serie. 46