Magnesio: tutte le possibilità del thixo-stampaggio

Componente di treppiede per macchina fotografica in magnesio realizzato in magnesio per thixostampaggio

Il magnesio sarà uno dei metalli maggiormente impiegati nell’industria del futuro, sia per le eccellenti proprietà meccaniche, fisiche e chimiche, che lo rendono economico ed ecologico; sia perché le nuove tecnologie ne permettono un uso più sicuro rispetto al passato oltre che decisamente competitivo in determinati ambiti.

Un metallo ad alta lavorabilità

Un componente in lega di magnesio può essere realizzato attraverso processi di fabbricazione comunemente utilizzati per gli altri metalli: colata/pressofusione (anche per particolari complessi a parete sottile), asportazione di truciolo, estrusione, forgiatura (deformazione plastica post estrusione), saldatura in atmosfera controllata, assemblaggio. La tecnologia più vantaggiosa in molte applicazioni industriali è attualmente la pressofusione in alta pressione, per l’eccellente colabilità e l’alta produttività; essa viene utilizzata in particolare nel settore automobilistico, con l’obiettivo di ridurre il peso dei componenti; o, per esempio, nella realizzazione di dispositivi elettronici al fine di aumentare la leggerezza e la sicurezza dei sistemi grazie alla sostituzione degli elementi in plastica con elementi in magnesio. In ogni caso, la continua ricerca di tecnologie che consentono di ridurre i costi e, allo stesso tempo, di migliorare le proprietà meccaniche del materiale, ha portato a diversi sviluppi: tra questi, si ritiene che l’emergente tecnologia della trasformazione in semisolido (“Tixostampaggio” o “Thixomolding”) delle leghe di magnesio presenti caratteristiche in grado di soddisfare tali requisiti.

Il futuro è già presente

Il “Thixomolding” è un processo di stampaggio ad iniezione di leghe di magnesio allo stato semi-solido, effettuato grazie a macchinari appositamente progettati, simili a presse ad iniezione per materiali termoplastici. Poiché manipolare il magnesio è rischioso e nei convenzionali procedimenti occorrono apparecchiature e accorgimenti particolari quali fornaci, gas di copertura, ecc., il primo vantaggio di lavorare con materiale allo stato semi-solido è quello di azzerare qualsiasi tipo di rischio ed evitare l’installazione di tali apparecchiature. Il processo di tixostampaggio si articola in diverse fasi: la lega di magnesio viene caricata in una tramoggia allocata in cima alla macchina sotto forma di granuli e a temperatura ambiente. I granuli devono essere dosati a carico volumetrico nella tramoggia in condizione di saturazione d’argon, che in questo caso viene utilizzato come gas di copertura antiossidante. La tramoggia è montata direttamente sul cilindro al cui interno è alloggiata una vite che, ruotando, dosa il materiale su tutta la lunghezza del cilindro portato in temperatura tramite fasce elettriche riscaldanti.

Involucro in magnesio (di un dispositivo elettronico) realizzato per thixostampaggio

La vite, ruotando, produce uno sforzo di taglio sulla lega di magnesio, frantumando le dendriti presenti nella frazione liquida e generando delle particelle sferoidali. In tal modo i granuli, riscaldati e sottoposti alle forze di taglio, passano da uno stato semisolido stazionario a uno stato semisolido tixotropico, cioè capace di diventare successivamente liquido per effetto di semplice agitazione meccanica. La lega di magnesio in tale stato semisolido tixotropico viene iniettata, all’interno di uno stampo riscaldato, con flusso laminare simile a quello dei materiali termoplastici. E, una volta che il materiale solidifica, la parte viene estratta e tranciata. La struttura ottenuta al termine della fase di solidificazione è praticamente una microstruttura equiassica e non più una microstruttura dendritica; ciò induce migliori caratteristiche meccaniche.

Benefici del processo di thixostampaggio

I più importanti vantaggi di questo tipo di tecnologia sono: elevato controllo del processo, costanza nelle parti prodotte, porosità prossima allo zero, capacità di stampare parti con geometrie complesse, produzione di parti “near-net-shape” (cioè vicini alla forma richiesta dal progetto), migliore finitura superficiale, stampaggio a pareti sottili con riduzione e/o eliminazione di operazioni secondarie, e conseguente risparmio dei relativi costi. Inoltre, la struttura integrata del sistema innovativo multifunzionale di trasformazione del metallo per thixostampaggio non solo aumenta l’efficienza e la ripetibilità del processo, ma cambia radicalmente l’approccio alla fonderia tradizionale conosciuta, migliorando l’ambiente produttivo dal punto di vista qualitativo, ambientale, dell’economia e della sicurezza. Inoltre, essa – come anticipato – richiede l’utilizzo di un forno fusorio esterno, con risparmio in termini di costi energetici, aumento della pulizia dell’impianto e della protezione da emissioni nocive, allungamento della vita degli stampi rispetto alla pressofusione per le più basse temperature di esercizio. Il processo, inoltre, che è di facile apprendimento e gestione, consente anche il miglioramento nella planarità e ripetibilità dimensionale, e accresce la flessibilità di progettazione.

Nuovi orizzonti applicativi

Il thixostampaggio rappresenta un’ottima alternativa ai tradizionali processi di pressocolata e stampaggio ad iniezione di materie plastiche. In virtù della vasta gamma di applicazioni, risulta un’apprezzabile soluzione per la realizzazione di molti componenti. La parti thixoformate sono in grado di soddisfare quindi le più severe tolleranze dimensionali in virtù dei “ritiri volumetrici” durante la fase di raffreddamento, i quali risultano ridotti e maggiormente prevedibili; il flusso laminare in semisolido, inoltre, consente l’eliminazione delle particelle di aria intrappolate nello stampo, minimizzando così le porosità e consentendo così ai produttori di ottenere “near-net-shape” in cui le operazioni secondarie possono essere eliminate con conseguente risparmio di costi. Il processo di thixostampaggio si avvale anche delle proprietà intrinseche del magnesio, come per esempio la leggerezza, la rigidezza, la schermatura EMI/RFI, resistenza alle ammaccature, la capacità di assorbire e smorzare le vibrazioni e quella di dissipare il calore: caratteristiche che permettono di stampare forme complicate anche a pareti sottili e con un netto miglioramento delle proprietà meccaniche. Dato che la temperatura con la quale il magnesio viene iniettato è inferiore al processo di pressofusione, lo stampo ha meno probabilità di essere danneggiato a causa del calore. Inoltre, le parti hanno dimensioni più precise poiché il magnesio non attacca l’acciaio degli stampi in maniera così aggressiva come per esempio l’alluminio durante i processi di pressocolata; la durata dei componenti in magnesio è inoltre superiore a quella dell’alluminio.

Flessibilità e processi speciali

Sono in fase di sviluppo molti miglioramenti e innovazioni tecniche nel settore della trasformazione per thixostampaggio e non è un caso che molte aziende meccaniche stiano mostrando interesse per questo genere di tecnologia. Essa consente di realizzare differenti composizioni di leghe, con il semplice dosaggio di componenti aggiuntivi direttamente nella tramoggia attraverso un secondo sistema di alimentazione separata. Inoltre, essa permette di lavorare materiale a diverse percentuali di frazione solida, per mezzo di un accurato controllo della temperatura lungo il cilindro di immissione del materiale. Ciò apre alla possibilità di lavorare con miscele di solidi delle varie leghe e di utilizzare i rinforzi per produrre materiali compositi a matrice metallica (MMC).Di conseguenza, è possibile realizzare leghe “personalizzate” in linea al processo, e con il vantaggio per l’utilizzatore di creare materiali su misura per le specifiche applicazioni. La peculiarità del sistema rende possibile realizzare pezzi con un punto d’iniezione notevolmente ridotto, portando a interessanti risparmi in termini di materiali, lavorazioni meccaniche e consumo di energia.

PERCHE’ IL MAGNESIO

Il magnesio è il più leggero tra i metalli strutturali: la densità pari a 1,74 g/cm3, lo rende il 30% più leggero dell’alluminio e il 70% più leggero dell’acciaio. L’elevata resistenza specifica ne fa un materiale adatto per la costruzione di telai, ingranaggi, carter, alloggiamenti per computer, cellulari, ecc. In particolare, la conducibilità termica è maggiore di quella della plastica, quindi le protezioni in magnesio possono dissipare il calore prodotto dai circuiti elettrici in maniera più efficiente di quelle costruite in plastica, senza dimenticare la capacità di schermatura delle onde elettromagnetiche. Il magnesio possiede anche ottima capacità di smorzamento delle vibrazioni, è un materiale duttile, con bassa resistenza agli utensili da taglio rispetto alla gran parte dei materiali metallici, quindi è più facilmente lavorabile sulle macchine per asportazione di truciolo, ed è altresì caratterizzato da buona saldabilità in atmosfera controllata. Non solo: il magnesio è un elemento abbondante della crosta terrestre (circa il 2,7%), quindi praticamente inesauribile, e l’energia necessaria per il processo di riciclaggio delle leghe di magnesio, è minore di quella richiesta dagli altri metalli ed è pari al 4% di quella necessaria per la produzione della lega “vergine”, quindi è un materiale il cui utilizzo permette anche di ridurre l’impatto ambientale. Oltre alle svariate applicazioni in campo automobilistico, motociclistico, militare, aeronautico ed elicotteristico, il magnesio trova impiego anche nel settore delle biciclette, dell’elettronica e degli elettroutensili, nella biomeccanica e nell’accessoristica generale, anche sportiva. I pezzi più comunemente realizzati con questo materiale sono: ingranaggi, telai, volanti, strutture per sedili, “case” per PC, per cellulari e per macchine fotografiche, accessori per bici, racchette da tennis, ecc. Negli ultimi 5 anni l’utilizzo del magnesio e delle sue leghe nell’industria mondiale è triplicato, a conferma del crscente interesse verso questo materiale, le cui potenzialità  sembrano davvero illimitate.

Superamento delle criticità

La poca diffusione del magnesio nelle applicazioni industriali deriva dalla scarsa conoscenza del materiale, dai luoghi comuni e dalle leggende maturate nel passato. Queste sono nate a seguito di incidenti avvenuti alcuni anni fa e per alcuni aspetti critici intrinseci del materiale, che però le nuove tecnologie permettono di controllare. Tali aspetti critici, riferiti in particolare ai pezzi prodotti in pressofusione, sono rappresentati dal basso modulo elastico, che tuttavia può essere compensato attraverso un adeguato design del pezzo (detto “Design Index”), la limitata lavorabilità a caldo, la contenuta tenacità, la bassa resistenza meccanica, la scarsa resistenza a creep alle alte temperature, nonché l’elevata reattività chimica e la limitata resistenza alla corrosione in alcune condizioni. Molti di questi aspetti negativi, tuttavia, vengono oggi superati per mezzo del thixostampaggio. Il processo di thixostampaggio, per esempio, rende inutili le operazioni secondarie di deformazione plastica a caldo grazie al “net-shaping”, aggirando così l’ostacolo della limitata lavorabilità a caldo; inoltre, le nuove leghe Thixo-Mg ottimizzate saranno sempre più tenaci. È vero che molte tradizionali leghe di magnesio soffrono del problema del creep a caldo, tuttavia lo studio e l’immissione sul mercato delle leghe ternarie (a tre elementi principali) che resistono a creep fino a 120-130°C, e nel futuro prossimo fino a 180-200°C permetteranno di contenere il problema. Dal punto di vista metallurgico l’elevata reattività chimica è giudicata fenomeno positivo poiché permette notevoli possibilità di alligazione, cioè di aggiungere elementi per la modifica delle proprietà microstrutturali delle leghe di magnesio. Tuttavia, l’alta reattività del magnesio con l’ossigeno allo stato liquido può costituire un problema perché può generare fenomeni di combustione; in ogni caso, tale rischio viene annullato con l’utilizzo del magnesio  in stato granulare semi-solido in Argon che, dunque, costituisce un procedimento assai sicuro. Infine, il limite della bassa resistenza a corrosione in alcune applicazioni può essere superato ancora grazie al thixostampaggio, per via della maggiore purezza delle moderne leghe di magnesio (con minima presenza di particelle inquinanti, che costituivano il vero motivo della corrosione per pitting) e dell’assenza di porosità, elevando la resistenza alla corrosione atmosferica fino ai valori delle comuni leghe di alluminio.

 

 

 

 

 

 

 

 

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