La sinterizzazione nella metallurgia delle polveri
Cos'è la sinterizzazione nella metallurgia delle polveri?
Questa rappresenta la domanda posta in un recente sondaggio condotto tra un campione di ingegneri progettisti che lavorano in settori differenti di aziende dell'industria manifatturiera.
Il risultato? Nessuno è stato in grado di fornire una definizione corretta al 100% della sinterizzazione e di come funziona il suo processo.
In aggiunta, l'introduzione negli ultimi anni delle stampanti 3D sul mercato ha creato ulteriore confusione sull'argomento. Infatti, il processo di funzionamento che caratterizza queste ultime viene spesso confuso con quello della sinterizzazione.
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Abbiamo quindi deciso di scrivere questo articolo chiaro e conciso per informarti su cosa sia esattamente la sinterizzazione.
Il risultato? Nessuno è stato in grado di fornire una definizione corretta al 100% della sinterizzazione e di come funziona il suo processo.
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Abbiamo quindi deciso di scrivere questo articolo chiaro e conciso per informarti su cosa sia esattamente la sinterizzazione.
Definizione
Cominciamo subito con una definizione:
"Il processo di sinterizzazione nella metallurgia delle polveri è una forma di trattamento termico. Un processo convenzionale si effettua ad una temperatura leggermente inferiore a quella di fusione del materiale. Una temperatura precisa consente ai metalli di mantenere le loro proprietà, fondendoli strettamente insieme."
La sinterizzazione viene effettuata per dare resistenza e una struttura solida a un dato materiale, con l'obiettivo di modellare le polveri metalliche in un modello per l'utilizzatore finale. La sinterizzazione avviene in un forno con atmosfera controllata e diverse zone con varie temperature.
Il processo di sinterizzazione nella metallurgia delle polveri: 4 fasi
"Il processo di sinterizzazione nella metallurgia delle polveri è una forma di trattamento termico. Un processo convenzionale si effettua ad una temperatura leggermente inferiore a quella di fusione del materiale. Una temperatura precisa consente ai metalli di mantenere le loro proprietà, fondendoli strettamente insieme."
La sinterizzazione viene effettuata per dare resistenza e una struttura solida a un dato materiale, con l'obiettivo di modellare le polveri metalliche in un modello per l'utilizzatore finale. La sinterizzazione avviene in un forno con atmosfera controllata e diverse zone con varie temperature.
Il processo di sinterizzazione nella metallurgia delle polveri: 4 fasi
Dopo aver illustrato cosa significa "sinterizzato" nella metallurgia delle polveri, andiamo più nello specifico del processo, cercando di non risultare troppo tecnici.
Questo processo si compone di quattro fasi principali:
- La scelta della lega
- La fase di pressatura
- La fase di sinterizzazione
- La fase di finitura
Andiamo ora ad analizzare le singole fasi nello specifico.
La scelta della lega
Il primo passo nel processo di sinterizzazione è basato sulla scelta della lega e consiste nel miscelare i componenti selezionati sotto forma di polvere.
Il processo dipende dalle caratteristiche che si vogliono ottenere nel prodotto finale commissionato.
Le miscele possono essere standard o speciali:
Le miscele possono essere standard o speciali:
- Standard: sono le miscele più comuni, utilizzate per prodotti di trafilatura di barre e piastre
- Speciali: leghe su misura, per il prodotto specifico che il cliente vuole creare.
Ma cosa è necessario per fare queste miscele particolari?
- Una buona conoscenza della metallurgia
- Esperienza sul comportamento del prodotto finale (il risultato di un rapporto equilibrato e studiato tra i componenti).
Anche se è necessaria una fase di comprensione e progettazione approfondita del prodotto, il più delle volte sono necessari test empirici per ottenere le caratteristiche giuste.
Tuttavia, questa non è una sfida così grande come potrebbe sembrare.
Perché?
Analizziamo insieme il processo:
Tuttavia, questa non è una sfida così grande come potrebbe sembrare.
Perché?
Analizziamo insieme il processo:
- È possibile mescolare i vari componenti internamente, creando un processo di "prova/errore".
- Si crea un grosso campione di chip da diverse miscele con diverse caratteristiche meccaniche.
- Si testano ad una ad una e si sceglie quella che più soddisfa i requisiti.
- Si definisce la miscela più adatta da collegare nell'archivio con il tuo codice articolo
La fase di pressatura
La seconda fase del processo di sinterizzazione è la fase di pressatura. Questo è il momento in cui il pezzo prende la sua forma.
Gli elementi chiave della fase di pressatura sono:
- Presse idrauliche a doppio effetto
- Lo stampo
- La matrice
Le presse idrauliche a doppio effetto, che applicano una pressione dall'alto e dal basso, creano il "pezzo verde" che deve soddisfare le caratteristiche richieste.
Un aspetto fondamentale da considerare, in base alle dimensioni dei pezzi, sono i diversi tonnellaggi di pressatura.
Prima di tutto, bisogna realizzare uno stampo o un utensile stampo. Gli stampi o gli utensili che vengono utilizzati nella sinterizzazione sono più semplici ed economici di quelli utilizzati in altri processi di fabbricazione, come lo stampaggio a iniezione di metalli (che definiremo più avanti), lo stampaggio a iniezione di plastica, la pressofusione di zama o alluminio e altri.
Lo stampo è un blocco d'acciaio circolare all'esterno con una cavità della forma desiderata. Un punzone superiore e uno inferiore, collegati ai cilindri superiori e inferiori della pressa, completano lo stampo.
Il risultato in questa fase sarà un blocco dalla forma desiderata. L'altezza del pezzo invece può essere variata lavorando sui colpi dei punzoni.
Una caratteristica chiave della metallurgia delle polveri è la capacità di produrre profili interni ed esterni piuttosto complessi. Sia i componenti del punzone che della matrice sono solitamente prodotti utilizzando l'elettroerosione a filo, una tecnica di lavorazione economica e di alta precisione.
Un aspetto fondamentale da considerare, in base alle dimensioni dei pezzi, sono i diversi tonnellaggi di pressatura.
Prima di tutto, bisogna realizzare uno stampo o un utensile stampo. Gli stampi o gli utensili che vengono utilizzati nella sinterizzazione sono più semplici ed economici di quelli utilizzati in altri processi di fabbricazione, come lo stampaggio a iniezione di metalli (che definiremo più avanti), lo stampaggio a iniezione di plastica, la pressofusione di zama o alluminio e altri.
Lo stampo è un blocco d'acciaio circolare all'esterno con una cavità della forma desiderata. Un punzone superiore e uno inferiore, collegati ai cilindri superiori e inferiori della pressa, completano lo stampo.
Il risultato in questa fase sarà un blocco dalla forma desiderata. L'altezza del pezzo invece può essere variata lavorando sui colpi dei punzoni.
Una caratteristica chiave della metallurgia delle polveri è la capacità di produrre profili interni ed esterni piuttosto complessi. Sia i componenti del punzone che della matrice sono solitamente prodotti utilizzando l'elettroerosione a filo, una tecnica di lavorazione economica e di alta precisione.
Per saperne di più, scarica l'e-book "Come la metrologia può aiutare il processo di sinterizzazione"
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La fase di sinterizzazione
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La fase di sinterizzazione
Cosa succede dopo la fase di pressatura?
Dopo la fase di pressatura, possiamo avere tre situazioni diverse a seconda delle dimensioni dei lotti:
- Lotto piccolo (<1.000 pezzi): un operatore fisico prende il pezzo e lo deposita in una scatola.
- Lotto medio (1.000-20.000 pezzi): un sistema automatizzato della pressa muove il pezzo verso uno "scivolo" in modo che venga depositato in una scatola.
- Lotto grande (>20.000 pezzi): un robot può essere utilizzato per scaricare il pezzo nella scatola.
Tuttavia, stiamo ancora parlando di polvere compressa (fragile e non ancora sinterizzata), il che significa che un operatore fisico è necessario anche su lotti di medie dimensioni. In questo caso c'è un aumento dei costi.
Tornando alla fase di produzione, il blocco ha raggiunto la scatola. Qui il posizionamento dipende dalla forma, dal peso e da altri fattori.
Ci sono tre casi standard:
- Alla rinfusa.
- Disposte in file e una sopra l'altra.
- File appoggiate su piastre piatte.
Nel caso di un blocco o pezzo a forma irregolare la prima opzione risulta la migliore.
Una volta fatto questo, la fase di sinterizzazione vera e propria avviene con lo spostamento di tutte le scatole contenenti i pezzi attraverso il forno. I pezzi passano all'interno del forno ad un'atmosfera controllata e sono sottoposti a diverse temperature. Anche le tempistiche sono diverse a seconda delle caratteristiche richieste del pezzo.
Nonostante ci sia una fase di raffreddamento, i pezzi sono ancora molto caldi quando escono dal forno. Rimangono quindi intatti per alcune ore prima di passare alla fase successiva.
In aggiunta, se le tolleranze sono molto strette, è necessaria una fase di calibrazione:
1. Il pezzo viene rimesso nella pressa.
2. Il pezzo viene pressato e regolato per mezzo di una matrice di calibrazione.
La calibrazione può essere effettuata anche su presse manuali, ma in tal modo il passaggio può diventare lungo e costoso.
Quest'ultimo passaggio segna la fine del processo di produzione.
Fase di finitura
I pezzi sinterizzati si prestano a vari processi di finitura:
- Impregnazione con olio.
- Impregnazione in resina.
- Galvanizzazione.
- Nichelatura.
- Cromatura.
- Ossidazione a vapore.
In sostanza, la sinterizzazione nella metallurgia delle polveri è un trattamento termico che, attraverso quattro fasi principali, modella le polveri metalliche allo scopo di aumentarne la forza intrinseca e l'integrità strutturale, creando e fornendo le parti di uso finale.
Metallurgia delle polveri vs. stampaggio a iniezione di metallo vs. sinterizzazione laser selettiva
La sinterizzazione nella metallurgia delle polveri, come abbiamo descritto, è un processo vecchio e molto diverso rispetto alla sinterizzazione laser selettiva.
Vantaggi e svantaggi della sinterizzazione laser selettiva
Ci sono due differenze principali che caratterizzano la sinterizzazione laser selettiva:
- Le stampanti 3D non richiedono uno stampo per modellare l'oggetto.
- Le stampanti 3D non sono solitamente adatte alla produzione di massa a basso costo.
La sinterizzazione nella metallurgia delle polveri è un processo che è più economico e più accurato della stampa 3D, ma in futuro avremo tutti bisogno della tecnologia di produzione additiva.
Ecco un riassunto dei vantaggi e degli svantaggi della sinterizzazione laser selettiva rispetto alla metallurgia delle polveri.
Metallurgia delle polveri | Sinterizzazione laser selettiva |
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Stampaggio a iniezione del metallo vs Metallurgia delle polveri
Definiremo ora le principali differenze tra la Sinterizzazione nella Metallurgia delle Polveri e lo Stampaggio a Iniezione dei Metalli.
- Il processo finale di sinterizzazione è diverso.
- Il processo differisce drasticamente rispetto alla tecnologia di sinterizzazione, in particolare lo stampaggio.
Il processo è diviso in tre fasi:
- La lega metallica iniziale viene "iniettata" nello stampo e mescolata con un legante polimerico.
- Il legante viene eliminato, lasciando una certa porosità.
- Il pezzo tende a 'restringersi', chiudendo la porosità, motivo per cui gli stampi sono fatti più grandi.
Di seguito è riportato un riassunto dei vantaggi e degli svantaggi dello Stampaggio a Iniezione di Metalli rispetto alla Metallurgia delle Polveri.
| Metallurgia delle polveri | Stampaggio a Iniezione del Metallo |
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Vantaggi e svantaggi della sinterizzazione
Abbiamo confrontato le due principali alternative alla sinterizzazione nella metallurgia delle polveri come processo di fabbricazione.
Ora, metteremo in evidenza i vantaggi e i limiti di questo processo.
VANTAGGI:
Ora, metteremo in evidenza i vantaggi e i limiti di questo processo.
VANTAGGI:
- Porosità (lubrificazione perenne)
- Ripetibilità in grandi serie
- Forme di media complessità (ma semplici rispetto ai processi alternativi)
- Tecnologia verde
- Poco spreco e bassa energia non essendo richiesta la fusione
- Buona finitura superficiale
- Smorzamento delle vibrazioni per la porosità
LIMITI:
- La porosità rende la parte sinterizzata meno forte.
- Parte finale "incompleta" a causa della mancanza di complessità nella pressatura della polvere.
Speriamo che questo articolo vi sia stato utile. Lavoriamo con i nostri clienti con un approccio consulenziale passo dopo passo.
Pensiamo che la comprensione delle loro operazioni quotidiane, insieme alle sfide che affrontano, sia ciò che fa la differenza.
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