Liquidmetal e Engel: stampaggio a iniezione del metallo!

Una nuova classe di leghe metalliche può oggi essere stampata come se fosse un materiale termoplastico. Le applicazioni possono essere molteplici.

FIG04 - Esempio di pezzo realizzato con Liquidmeta circa 15 mm di lunghezza, esce finito dallo stampo

Pezzo di circa 15 mm di lunghezza realizzato con Liquidmetal, estratto “finito” dallo stampo.

Si è recentemente affacciata sul mercato una nuova tecnologia innovativa e rivoluzionaria che consente lo stampaggio a iniezione di leghe metalliche. Si tratta di un processo che è stato messo a punto dalla Liquidmetal Technologies Inc., impresa americana che ha sviluppato leghe metalliche dalle proprietà fisiche e meccaniche decisamente innovative, e dalla ENGEL, colosso austriaco attivo nella produzione di presse a iniezione su scala mondiale.

Un’innovazione straordinaria
Per capirne di più, abbiamo coinvolto Maurizio Passalacqua, Managing Director di ENGEL Italia S.r.l. (Vimercate, MB), al quale abbiamo chiesto di illustrarci nel dettaglio in cosa consiste questa nuova tecnologia.

«Il nome “Liquidmetal” – esordisce Passalacqua – indica una classe completamente inedita di materiali, detti anche “vetri metallici”, caratterizzati da proprietà meccaniche straordinarie. Si tratta di leghe di zirconio, commercializzate dalla Liquidmetal Technologies Inc. di Rancho Santa Margarita, in California, Stati Uniti, e prodotte dalla Materion in Ohio, che possono essere utilizzate per produrre pezzi metallici mediante stampaggio a iniezione». È questa una vera e propria rivoluzione, in quanto è noto che lo stampaggio a iniezione permette di realizzare manufatti esclusivamente in materiale termoplastico. Almeno fino a oggi. Passalacqua riprende: «ENGEL non solo ha sviluppato una pressa a iniezione in grado di processare questo tipo di leghe in maniera efficiente, ma detiene anche la licenza esclusiva per la costruzione di questo tipo di macchine, e rappresenta pertanto l’unico fornitore al mondo autorizzato a offrire soluzioni di sistema integrate per lo stampaggio a iniezione delle leghe Liquidmetal».

Pressa ENGEL e-motion 110 con stampo della ditta Saga S.p.A. di Cadoneghe (PD)

Pressa ENGEL e-motion 110 con stampo della ditta Saga S.p.A. di Cadoneghe (PD)

Quali proprietà possiedono i pezzi realizzati con questa tecnologia? «I manufatti fabbricati con leghe Liquidmetal presentano una struttura amorfa, ovvero non cristallina, responsabile delle loro straordinarie proprietà. Questi componenti risultano estremamente resistenti ma, al contempo, sono dotati di una elevata elasticità che consente loro di recuperare rapidamente la forma iniziale in caso di deformazione. Ad esempio, l’elasticità dell’acciaio è pari allo 0,2%, e quella del titanio corrisponde all’1%, mentre i manufatti realizzati con le leghe Liquidmetal raggiungono un valore d’elasticità pari al 2%. Inoltre, tali materiali si contraddistinguono per il peso specifico ridotto e la straordinaria resistenza alla corrosione. Ciò consente di sviluppare prodotti dotati di caratteristiche assolutamente inedite, che possono essere stampati a iniezione a costi decisamente appetibili e con finiture superficiali eccellenti».

Le pastiglie di Liquidmetal vengono alimentate da un vibratore e poi inserite, con il robot ENGEL viper, nella camera di fusione della pressa.

Le pastiglie di Liquidmetal vengono alimentate da un vibratore e poi inserite, con il robot ENGEL viper, nella camera di fusione della pressa.

Che caratteristiche ha la pressa a iniezione della Engel su cui vengono stampate le leghe Liquidmetal? «Si tratta di una pressa sviluppata sulla base della nostra collaudata serie di macchine elettriche ENGEL e-motion, dalle quali differisce per il gruppo iniezione. Le leghe Liquidmetal sono disponibili sotto forma di pastiglie, ottenute per taglio da una barra tonda. Queste pastiglie vengono introdotte automaticamente, con un robot ENGEL Viper, nella camera di fusione della pressa, in cui il materiale viene scaldato sino a circa 1.000 gradi per mezzo di un sistema ad induzione magnetica e in condizioni di vuoto spinto. Invece della classica vite di plastificazione, la macchina è dotata di un pistone che provvede a iniettare la lega metallica fusa in uno stampo termoregolato. Il raffreddamento, che avviene in maniera estremamente rapida in assenza di ossigeno, provoca la formazione di una struttura amorfa. I manufatti finiti vengono infine rimossi dal robot ENGEL viper che equipaggia la pressa, mentre la materozza può essere eliminata con l’ausilio di una macchina per il taglio a getto d’acqua oppure mediante una taglierina meccanica».

Caratteristiche meccaniche (resistenza, rapporto resistenza/peso, durezza e elasticità) delle leghe Liquidmetal in confronto con magnesio, alluminio, acciaio inossidabili.

Caratteristiche meccaniche (resistenza, rapporto resistenza/peso, durezza e elasticità) delle leghe Liquidmetal in confronto con magnesio, alluminio, acciaio inossidabili.

Si tratta insomma, di stampare metallo: oltre alle leghe Liquidmetal possono essere utilizzate altre leghe metalliche? «Per ora no. Ma in linea di principio si potrebbe pensare allo sviluppo di applicazioni simili in futuro». Quali sono i principali vantaggi e svantaggi rispetto alle tecnologie tradizionali? «Nelle lavorazioni a controllo numerico, i singoli componenti vengono ricavati da blocchi di metallo mediante fresatura e foratura. In questo modo, è possibile realizzare manufatti di precisione con geometrie tridimensionali complesse e finiture superficiali di alta qualità ma, rispetto allo stampaggio a iniezione, richiede tempistiche lunghe e costi elevati. Il processo MIM si basa anch’esso sulla tecnologia di stampaggio a iniezione, ma i materiali lavorati non sono leghe metalliche, bensì polveri di metallo e plastica. Il materiale plastico viene rimosso termicamente dopo lo stampaggio a iniezione, e per ottenere il manufatto finito occorre prima sottoporre il componente a un processo di sinterizzazione: tutte lavorazioni aggiuntive che possono richiedere tempi molto lunghi, a seconda dello spessore delle pareti. Inoltre, la qualità della finitura superficiale che si ottiene con la sinterizzazione risulta inferiore a quella garantita dal processo Liquidmetal. La tecnologia Liquidmetal elimina tutti questi svantaggi e consente la fabbricazione di componenti di precisione estremamente efficienti ed economici, pronti all’uso e dotati di finiture superficiali impossibili da ottenere in passato. I tempi di ciclo variano da due a tre minuti, di gran lunga inferiori rispetto ai tempi di lavorazione richiesti dalla tecnologia a controllo numerico. Un altro vantaggio è rappresentato dall’assenza di scarti poiché, con Liquidmetal, le materozze vengono riciclate e reinserite nella catena di processo. Il vantaggio principale è il “net shape forming” cioè la possibilità di produrre parti finite, pronte all’impiego come se si trattasse di parti in plastica». Passalacqua precisa: «Liquidmetal costa 100 euro al chilo. Per implementare il processo produttivo è necessaria una materozza che deve essere riciclata, con un processo “proprietario”, presso la Materion negli USA. Riteniamo comunque che a breve sarà disponibile una struttura per il riciclo della materozza anche in Europa».

La pressa engel e-motion 110 per lo stampaggio di leghe Liquidmetal.

La pressa engel e-motion 110 per lo stampaggio di leghe Liquidmetal.

Un mondo di possibilità all’orizzonte
In che settori e da che categoria di contoterzisti tale soluzione può essere, o è già stata, adoperata? «La tecnologia, nella sua forma attuale, è agli esordi ed è stata presentata al pubblico durante il simposio tecnologico svoltosi alla ENGEL, in Austria, nel giugno 2015 con uno stampo realizzato dalla Saga di Cadoneghe che ha già avuto esperienza in passato con questo tipo di tecnologia anche se con attrezzature di trasformazione diverse. Quanto ai settori di sbocco, intravediamo grandi potenzialità nel settore delle tecnologie medicali: per questo motivo, in occasione del simposio ENGEL, abbiamo mostrato ai visitatori la realizzazione di pinze medicali». In effetti, la qualità LM105 della famiglia Liquidmetal è risultata ottimale per le applicazioni biomedicali, in quanto emocompatibile, non-sensibilizzante, non irritante, non tossica né citotossica. Prosegue Passalacqua: «Grazie a tali caratteristiche le opportunità si estendono anche alle endoprotesi, quali quelle per l’anca e gli stent. Riteniamo insomma che gran parte delle applicazioni rientreranno nel comparto medicale».

Le pinze medicali realizzate sulla pressa e-motion 110 con leghe Liquidmetal con stampo della Saga S.p.A.

Le pinze medicali realizzate sulla pressa e-motion 110 con leghe Liquidmetal con stampo della Saga S.p.A.

Può immaginare sviluppi anche in altri ambiti applicativi? «Certamente. Grazie alle eccellenti proprietà meccaniche del materiale, è possibile realizzare componenti molto robusti con pareti estremamente sottili; tali caratteristiche permettono la fabbricazione di componenti soggetti a sollecitazioni meccaniche elevate, per esempio in ambito sportivo. La tecnologia Liquidmetal è stata utilizzata per produrre gli orologi Omega Seamaster Planet Ocean e il Breguet «Reveil Musical», e l’elvetica Swatch ha di recente acquistato la licenza. Non solo: sappiamo che Apple si è assicurata in esclusiva la licenza per il settore “consumer electronics”. Insomma, le applicazioni potenziali possono essere moltissime; possono essere realizzate attrezzature sportive, manufatti per l’industria automotive, aerospaziale, elettronica, ecc.»

Vi sono vincoli realizzativi? «Liquidmetal definisce la sua tecnologia, come già detto, “net shape forming”, cioè permette l’iniezione di ogni tipo di pezzo finito, come se si trattasse di un pezzo in plastica. Il limite è rappresentato dal peso: attualmente il limite massimo è compreso tra gli 80 e i 100 grammi».

Con questa tecnologia è possibile realizzare stampi? «In virtù del vincolo di peso appena indicato, non è possibile realizzare stampi. Ma la Liquidmetal sta procedendo a qualificare stampisti in grado di realizzare stampi per la produzione di parti con la propria tecnologia». Si tratta di una tecnologia appetibile solo per chi effettua stampaggio? «Crediamo che l’ideale produttore di parti Liquidmetal sia uno stampista e stampatore, in grado di possedere contemporaneamente la tecnologia dello stampo e dello stampaggio. Lo stampo deve essere costruito con acciai resistenti al calore e all’abrasione e deve essere mantenuto con una frequenza superiore a quella di uno stampo per plastica».

Heinz Rasinger, “padre” della tecnologia Liquidmetal alla ENGEL.

Heinz Rasinger, “padre” della tecnologia Liquidmetal alla ENGEL.

Come si ottiene una licenza Liquidmetal? «Le licenze vengono concesse da Liquidmetal Technologies, mentre ENGEL fornisce ai partner autorizzati le macchine necessarie. Dal momento che gli stampi devono soddisfare una serie di rigidi requisiti, anche il costruttore degli stampi deve possedere una certificazione idonea. Liquidmetal Technologies contatta i costruttori di stampi autorizzati e fornisce loro l’assistenza necessaria in fase di progettazione e fabbricazione. Il nostro partner per la costruzione degli stampi per il simposio ENGEL 2015, ad esempio, è stata, come già detto, la padovana Saga, mentre la lega Liquidmetal è stata fornita da Materion, con sede a Mayfield Heights, in Ohio, negli Stati Uniti».

Che coppia!
Liquidmetal è il nome commerciale di una famiglia di leghe di metallo amorfo sviluppate da un gruppo di ricerca del California Institute of Technology, e commercializzate dalla ditta californiana Liquidmetal Technologies. L’impresa americana controlla i diritti di proprietà intellettuale di oltre 70 brevetti negli Stati Uniti, grazie ai quali sviluppa prodotti e tecnologie nuove che stanno drasticamente cambiando il modo di realizzare manufatti tecnici.ENGEL, pur essendo un’azienda a conduzione familiare, è un gruppo che conta circa 4800 dipendenti, 9 sedi produttive oltre che filiali e rappresentanze in tutto il mondo. Dal 1945, anno della sua fondazione, ENGEL punta alla massima qualità dei suoi prodotti e alla totale soddisfacimento dei clienti.

Proprietà straordinarie
I pezzi prodotti con Liquidmetal possono raggiungere il peso massimo di 80-100 grammi, la dimensione di 100 mm e spessori compresi tra 0,6 a 4 mm. I pezzi possono essere prodotti con una tolleranze dimensionale di ± 0,025 millimetri con stampi fino a 64 cavità. I manufatti realizzati con tali leghe assicurano durezza elevata, grande elasticità e alta resistenza alla corrosione. Possono inoltre essere saldati tra loro senza compromettere la struttura amorfa nella zona di fusione (sono ancora allo studio gli effetti della saldatura con materiali diversi).

Non perdere questa occasione
La Saga S.p.A. di Cadoneghe (PD) ha partecipato al Simposio tecnologico organizzato da ENGEL lo scorso giugno, realizzando uno stampo su cui sono state prodotte alcune pinze medicali con leghe metalliche della Liquidmetal. La dimostrazione ha suscitato molta impressione tra i tecnici intervenuti, anche per la qualità del processo e pezzi ottenuti. Giancarlo Peruzzo, direttore commerciale dell’azienda, entra nel dettaglio: «Quella sviluppata da Liquidmetal ed ENGEL è una tecnologia molto interessante, da noi tra l’altro già conosciuta avendo cooperato in join venture con la stessa Liquidmetal dal 2006 sino al 2012. Nel passato abbiamo sviluppato e prodotto particolari per il mercato, utilizzando però, macchinari e processi di lavoro sicuramente inadeguati per questa ”speciale” tecnologia. Oggi, grazie alla nuova pressa e-motion 110 della casa austriaca e alle tecniche di produzione di una impresa di rilevanza internazionale come la Materion, stampare le leghe metalliche della Liquidmetal è diventato “industrialmente” possibile. E con qualità superiori rispetto alla pressofusione e alla sinterizzazione». La tecnologia non ha ancora uno sviluppo di mercato concreto, tuttavia possiede un grande potenziale. «Certo – riprende Peruzzo –, basti pensare all’importanza delle aziende che ne stanno acquisendo i diritti d’utilizzo: la Apple di Cupertino su tutte. Ecco perché noi, da sempre attenti alle nuove tecnologie di stampaggio, riteniamo che non si debba perdere questa occasione».

La “Mela” di Cupertino fiuta l’affare
La stampa estera, e in particolare quella americana, sta dando molto risalto agli investimenti che Apple Inc. sta compiendo nel settore dello stampaggio a iniezione delle leghe metalliche grazie alla licenza in esclusiva rilasciata da Liquidmetal. L’obiettivo è quello di realizzare componenti per l’industria elettronica, per esempio di iPhone, iPad, ecc., sempre più sottili ma più resistenti rispetto al passato, di grande precisione e qualità superficiale, riducendo oltretutto i costi di produzione.

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