Che cos'è la microfusione?

La maggior parte degli acquirenti non si interessa alla fusione a cera persa perché ama studiare i processi di fonderia. Di solito, si rivolgono a noi perché hanno un problema.

La produzione di un assemblaggio saldato richiede troppo tempo. I costi di lavorazione continuano ad aumentare. Un pezzo presenta una curva complessa, difficile da fresare. Oppure, forse, il fornitore attuale è in grado di realizzare il componente, ma non con la necessaria costanza.

È proprio qui che vale la pena parlare della fusione a cera persa.

Colata a iniezione, noto anche come fusione a cera persa, è un processo di lavorazione dei metalli utilizzato per produrre componenti con forme complesse, dettagli precisi, tolleranze relativamente strette e una finitura superficiale liscia. È comunemente utilizzato per valvole in acciaio inossidabile, giranti per pompe, staffe per il settore automobilistico, strumenti medici, componenti per turbine, accessori nautici, componenti per macchinari industriali e molti altri prodotti che altrimenti richiederebbero diverse fasi di produzione.

La risposta breve è semplice: si realizza un modello in cera, lo si ricopre di ceramica, si rimuove la ceramica e la si sostituisce con metallo fuso.

Sembra facile.

Non lo è.

La qualità finale dipende da decine di piccole decisioni, dalla temperatura della cera e dal tempo di essiccazione del guscio alla composizione chimica della lega, alla temperatura di colata, al disegno dei canali di colata, alla velocità di raffreddamento e alla finitura. Una fonderia di qualità fa sì che queste variabili passino inosservate. Una fonderia scadente, invece, di solito le fa notare al cliente un difetto alla volta.

Come funziona la fusione a cera persa?

Il processo inizia con un modello in cera.

Per la produzione in serie, la cera fusa viene iniettata in uno stampo metallico. Il pezzo in cera così ottenuto ha una forma quasi identica a quella del pezzo fuso finale, sebbene sia necessario prevedere tolleranze dimensionali per tenere conto del ritiro del metallo e delle successive operazioni di finitura.

Diversi modelli in cera vengono quindi fissati a un canale centrale in cera. Gli addetti alla fonderia chiamano spesso questo insieme “albero”, poiché le singole parti si diramano dal canale principale come i rami di un albero.

Questa è una di quelle fasi che sembrano stranamente semplici quando si visita una fabbrica. Gli operai assemblano a mano i pezzi in cera, controllano i giunti, regolano le distanze e riparano piccoli difetti superficiali. Non sembra un processo particolarmente high-tech.

Tuttavia, un albero di cera assemblato male può causare problemi di alimentazione in seguito.

L'albero viene immerso in una sospensione ceramica liquida e poi ricoperto di sabbia refrattaria. Una volta che uno strato si è asciugato, se ne aggiunge un altro. Il processo viene ripetuto finché il guscio non è abbastanza resistente da contenere il metallo fuso.

E l'asciugatura richiede tempo.

Si tratta di un aspetto che i team addetti agli acquisti a volte non amano sentire, soprattutto quando un progetto è già in ritardo. La realizzazione del guscio in ceramica non può sempre essere affrettata. La temperatura e l’umidità influenzano il processo di essiccazione degli strati, e una crepa apparentemente insignificante può trasformarsi in un grave difetto di fusione durante la colata.

Una volta abbiamo assistito al ritardo di un progetto perché il cliente, pur avendo approvato gli stampi, aveva modificato lo spessore di una parete dopo le prime prove di stampaggio. Sul disegno, la modifica sembrava minima. In produzione, invece, ha alterato il flusso del metallo, il comportamento di raffreddamento e la posizione ottimale del punto di iniezione. Il team di progettazione ha dovuto effettuare un altro ciclo di test.

Il cliente non era soddisfatto.

E nemmeno la fonderia.

Ma era comunque più economico che scoprire il problema dopo che erano stati prodotti diverse migliaia di pezzi.

Una volta completato il guscio, questo viene riscaldato in modo che la cera si sciolga e defluisca. La cavità vuota in ceramica viene quindi cotta ad alta temperatura per rimuovere i residui e migliorare la resistenza del guscio.

Il metallo fuso viene versato nel guscio caldo per gravità, con l’ausilio del vuoto, per forza centrifuga o tramite un altro metodo controllato, a seconda del materiale e del componente.

Una volta che il metallo si è raffreddato, il guscio ceramico viene rimosso. I pezzi fusi vengono staccati dall’albero di fusione, levigati, sabbiati, sottoposti a trattamento termico, raddrizzati, lavorati, lucidati, passivati, rivestiti o ispezionati a seconda delle necessità.

A questo punto, alcune parti sono quasi completate.

Altri, invece, hanno ancora molta strada da fare.

Dipende dal disegno.

Quali materiali possono essere utilizzati per la fusione a cera persa?

Uno dei motivi per cui la microfusione è così diffusa è che consente di lavorare con numerose leghe diverse, compresi materiali difficili da lavorare mediante pressofusione.

L'acciaio inossidabile rimane una delle scelte più diffuse. Offre resistenza alla corrosione, robustezza e un aspetto pulito, il che lo rende adatto per attrezzature alimentari, pompe, valvole, accessori nautici, ferramenta per l'edilizia e prodotti medicali.

L'acciaio al carbonio viene spesso scelto per componenti industriali generici in cui la resistenza meccanica è più importante della resistenza alla corrosione. Gli acciai legati possono garantire una migliore resistenza all'usura, tenacità o resistenza al calore.

L'alluminio viene utilizzato quando è importante ridurre il peso.

Le leghe a base di nichel e di cobalto trovano impiego in applicazioni ad alta temperatura, in campo medico, aerospaziale ed energetico, sebbene richiedano un controllo di processo molto più rigoroso. Si tratta di materiali costosi e a nessuno piace trasformare una lega costosa in rottame.

Materiale	Motivi comuni per utilizzarlo	Prodotti tipici
Acciaio inossidabile	Resistenza alla corrosione, resistenza meccanica, aspetto estetico	Valvole, giranti, attrezzature alimentari, accessori nautici
Acciaio al carbonio	Resistenza a costi contenuti	Parti di macchinari, staffe, leve, componenti strutturali
Acciaio legato	Resistenza all'usura, tenacità, resistenza alla fatica	Ingranaggi, componenti per impieghi gravosi, attrezzature minerarie
Lega di alluminio	Peso ridotto, buona resistenza alla corrosione	Alloggiamenti, staffe, componenti automobilistici
Ottone e bronzo	Aspetto, conduttività, resistenza all'acqua di mare	Accessori decorativi, articoli idraulici e componenti nautici
Lega a base di nichel	Prestazioni alle alte temperature e alla corrosione	Componenti per turbine, settore energetico e industria chimica
Lega a base di cobalto	Resistenza all'usura e al calore	Applicazioni in ambito medico, aerospaziale e di taglio

La scelta dei materiali non dovrebbe basarsi esclusivamente su ciò che è possibile fondere.

La domanda più importante è: quale funzione deve svolgere quel componente?.

Un cliente potrebbe richiedere l'acciaio inossidabile 316 semplicemente perché il nome suona meglio di quello del 304. Ciò non significa automaticamente che sia la scelta giusta. In alcune applicazioni, il 304 è più che adeguato. In altre, invece, anche il 316 potrebbe non garantire una resistenza sufficiente al calore, all'esposizione ai cloruri, agli acidi o all'usura.

Dal punto di vista ingegneristico, il materiale migliore non è la lega più costosa, bensì quella in grado di garantire le prestazioni richieste senza comportare costi superflui o difficoltà di produzione.

Sembra ovvio.

È sorprendentemente facile dimenticarsene durante lo sviluppo del prodotto.

Quali sono i vantaggi e gli svantaggi della microfusione?

Il vantaggio principale della fusione a cera persa è la libertà di progettazione.

È in grado di realizzare curve, sezioni sottili, passaggi interni, sottosquadri, scritte, loghi, spline e transizioni complesse che risulterebbero costose o poco pratiche da realizzare con la lavorazione meccanica partendo da materiale massiccio.

Può inoltre combinare diversi pezzi in un unico componente.

Un produttore di pompe, ad esempio, potrebbe sostituire un gruppo girante saldato con uno realizzato mediante fusione a cera persa. Il pezzo fuso di per sé potrebbe costare di più rispetto a un pezzo stampato o lavorato a macchina, ma il confronto assume connotazioni ben diverse se si includono le operazioni di saldatura, allineamento, rettifica, prova di tenuta, ispezione e rilavorazione.

È proprio in questi casi che le citazioni possono trarre in inganno.

Un prezzo più basso dei componenti non comporta sempre un costo di produzione inferiore.

In un progetto nel settore delle pompe, un gruppo era originariamente costituito da diversi pezzi in acciaio inossidabile saldati attorno a un mozzo centrale. Il processo di saldatura era lento e la deformazione termica comprometteva la lavorazione finale. La fusione a cera persa riprogettata ha ridotto il numero di fasi di produzione e ha facilitato il controllo dimensionale.

I primi campioni di fusione non erano perfetti. È stato necessario regolare lo spessore della lama e, durante le prime prove, in una zona si è riscontrato un riempimento incompleto.

Dopo tali correzioni, il processo è diventato molto più stabile rispetto al modello saldato.

Questo è il lato meno affascinante delle storie legate alla produzione. Spesso, affinché le conversioni abbiano successo, sono necessari due o tre cicli di lavoro di progettazione prima che si vedano i risparmi.

La fusione a cera persa offre inoltre una buona finitura superficiale e un controllo dimensionale relativamente accurato rispetto alla fusione in sabbia. In molti casi, la lavorazione meccanica può essere limitata alle superfici di tenuta, alle sedi dei cuscinetti, ai fori di precisione o alle caratteristiche critiche per l’assemblaggio.

Tuttavia, la fusione a cera persa presenta alcuni svantaggi.

I costi di attrezzaggio sono superiori a quelli di alcuni processi a basso volume. I tempi di produzione possono essere più lunghi poiché l’iniezione della cera, la realizzazione del guscio, l’essiccazione, la colata, il trattamento termico e il controllo richiedono tutti tempo. La produzione di pezzi molto grandi o molto semplici potrebbe risultare più economica ricorrendo alla fusione in sabbia, alla lavorazione meccanica, alla forgiatura, allo stampaggio o alla lavorazione diretta.

A nostro avviso, la fusione a cera persa viene talvolta sopravvalutata.

Se un pezzo è un semplice blocco rettangolare con tre fori, probabilmente non ha senso realizzare uno stampo in cera e un guscio in ceramica attorno ad esso. La lavorazione meccanica potrebbe risultare più veloce ed economica.

Il processo è giustificato quando la complessità, le prestazioni del materiale, la ripetibilità, la riduzione delle operazioni di lavorazione o il consolidamento dei componenti generano un valore sufficiente a giustificarlo.

La fusione a cera persa è spesso la soluzione ideale quando…	Un altro processo potrebbe essere più indicato quando…
La geometria è complessa	Il pezzo è estremamente semplice
È possibile unire più pezzi in uno solo	La quantità prodotta è molto bassa
La finitura superficiale è importante	Il componente è molto grande
La lavorazione comporterebbe uno spreco di materiale costoso	Le tolleranze richiedono comunque una lavorazione approfondita
Sono necessari acciaio inossidabile o leghe resistenti alle alte temperature	È necessaria una produzione di alluminio su scala molto ampia

Non esiste un processo di produzione perfetto.

C'è solo una questione di compatibilità migliore o peggiore.

Fusione a cera persa vs pressofusione: qual è la differenza?

Sia la fusione a cera persa che la pressofusione consentono di realizzare componenti ricchi di dettagli con superfici di grande effetto, ma presentano differenze in termini di costi e limitazioni dei materiali.

Pressofusione immette il metallo fuso in uno stampo in acciaio riutilizzabile ad alta pressione. Il processo è rapido e particolarmente indicato per grandi volumi di produzione. Viene comunemente utilizzato per componenti in alluminio, zinco e magnesio quali alloggiamenti, coperchi, staffe, strutture automobilistiche, prodotti di consumo e involucri elettronici.

La fusione a cera persa prevede l'utilizzo di uno stampo in ceramica monouso per ogni ciclo di colata. Ciò rende il processo più lento, ma consente anche l'impiego di acciaio inossidabile, acciaio al carbonio, acciaio legato, leghe di nichel e altri metalli resistenti alle alte temperature che, in genere, non sono adatti alla pressofusione convenzionale.

Gli stampi per la pressofusione sono solitamente più costosi. Tuttavia, quando la produzione raggiunge volumi molto elevati, i tempi di ciclo ridotti consentono di ridurre in modo significativo il costo unitario.

La fusione a cera persa offre una maggiore flessibilità per quantità ridotte e medie, soprattutto quando il pezzo è complesso o la lega ha un punto di fusione elevato.

Fattore	Colata a iniezione	Pressofusione
Muffa	Guscio in ceramica monouso	Matrice in acciaio riutilizzabile
Materiali comuni	Acciaio, acciaio inossidabile, nichel, cobalto, alluminio, bronzo	Alluminio, zinco, magnesio
Volume tipico	Da basso a medio, a volte alto	Da medio a molto elevato
Costi di attrezzaggio	Moderato	Alto
Velocità di rotazione	Relativamente lento	Molto veloce
Complessità del progetto	Eccellente	Ottimo
Leghe resistenti alle alte temperature	Adatto	Di solito non è adatto

Molti produttori di veicoli elettrici ricorrono alla pressofusione per la realizzazione di grandi componenti strutturali in alluminio, poiché la velocità, il peso e il volume sono fattori determinanti. La ben nota tendenza verso la realizzazione di grandi pezzi fusi integrati in alluminio ne è un ottimo esempio.

Tuttavia, un veicolo elettrico contiene ancora molti componenti più piccoli in acciaio o acciaio inossidabile.

Tali componenti potrebbero prestarsi meglio alla fusione a cera persa, alla forgiatura, alla lavorazione meccanica, allo stampaggio o allo stampaggio a iniezione di metalli. La scelta del processo più adeguato dipende dalle dimensioni del componente, dalla lega, dalla domanda annuale, dalle tolleranze, dai carichi meccanici e dall’entità delle lavorazioni secondarie.

“Qual è il processo migliore?” è solitamente la domanda sbagliata.

“Quale processo è più adatto per questo pezzo?” è una domanda molto più utile.

Quali prodotti vengono realizzati con la fusione a cera persa?

La varietà è più ampia di quanto la maggior parte delle persone si aspetti.

La fusione a cera persa viene utilizzata per la produzione di corpi valvola, raccordi per tubazioni, alloggiamenti per pompe, giranti, bilancieri, forche del cambio, componenti per turbocompressori, componenti di chiusura, strumenti chirurgici, componenti ortopedici, componenti per armi da fuoco, parti per l’industria alimentare, pale di turbina, accessori nautici, componenti per utensili manuali, parti per macchine tessili, accessori per porte, accessori ferroviari e macchine agricole parti.

Anche le teste delle mazze da golf vengono comunemente prodotte in questo modo.

Alcune applicazioni richiedono robustezza. Altre necessitano di resistenza alla corrosione, un aspetto pulito, una forma interna complessa o una riduzione delle operazioni di lavorazione.

Gli strumenti medici ne sono un ottimo esempio. Le dimensioni possono essere ridotte, ma la qualità della superficie e la ripetibilità sono di fondamentale importanza. Un bordo ruvido che risulterebbe irrilevante su una staffa agricola potrebbe essere inaccettabile su uno strumento chirurgico.

La ferramenta nautica pone un problema diverso. Il prodotto può sembrare puramente decorativo, ma deve anche resistere all’acqua, alla salsedine, al carico e all’uso ripetuto. La composizione chimica dei materiali e il trattamento superficiale assumono la stessa importanza della forma del pezzo fuso.

Le valvole e le pompe industriali rappresentano un altro settore di grande rilevanza. I loro percorsi di flusso possono essere complessi e il costo di un guasto è spesso molto più elevato del costo del componente stesso.

Questo cambia le carte in tavola.

I clienti di questi settori prestano solitamente attenzione ai certificati dei materiali, alle prove di pressione, ai rapporti dimensionali, al controllo dei difetti e alla tracciabilità. Non si limitano semplicemente ad acquistare un pezzo di metallo.

Stanno acquistando prestazioni prevedibili.

Come scegliere il giusto produttore di fusioni a cera persa

Un opuscolo aziendale ben curato non basta a garantire che una fonderia sia in grado di produrre il vostro componente con costanza.

E nemmeno un preventivo basso.

Inizia dal materiale. Verifica che il fornitore produca regolarmente la lega di cui hai bisogno e che sia in grado di fornire, quando richiesto, i certificati di composizione chimica, i risultati delle prove meccaniche e i numeri di colata.

Allora esamina le sue capacità di processo.

Il produttore gestisce internamente le fasi di iniezione della cera, realizzazione del guscio, fusione, colata, trattamento termico, lavorazione meccanica e controllo qualità? L'esternalizzazione non è di per sé negativa, ma un numero eccessivo di fornitori non controllati può rendere più difficile risalire all'origine dei problemi di qualità.

Anche le attrezzature di ispezione sono importanti. Una macchina di misura a coordinate (CMM) è utile, ma possederne una non equivale a sapere quali dimensioni devono essere controllate. Il produttore dovrebbe conoscere i sistemi di riferimento, i margini di lavorazione, le tolleranze geometriche, le tolleranze di fusione e la differenza tra una caratteristica critica e una decorativa.

Chiedete in che modo il fornitore gestisce i nuovi prodotti.

Esamina il disegno prima di formulare il preventivo? Discute di spessore delle pareti, raccordi, angoli acuti, alimentazione, ritiro, segni di iniezione, raddrizzatura, punti di riferimento per la lavorazione e metodi di ispezione?

Oppure si limita semplicemente a inviare un prezzo?

Abbiamo constatato che la qualità delle domande poste da un fornitore durante la fase di preventivazione offre spesso un'utile anteprima di come si svilupperà la collaborazione in seguito.

Un produttore competente potrebbe contestare alcune parti del disegno. Ciò può risultare scomodo, soprattutto quando il progetto è già stato esaminato da diversi reparti interni. Tuttavia, un fornitore che individua un rischio di fusione prima della realizzazione degli stampi è solitamente più prezioso di uno che accetta tutto senza obiezioni e segnala il problema solo dopo l’avvio della produzione.

Dovresti inoltre valutare la capacità in modo realistico.

Una fonderia può produrre campioni eccellenti, ma può trovarsi in difficoltà quando l'ordine passa da 100 a 5.000 pezzi al mese. Una produzione stabile richiede ben più che tecnici qualificati: richiede materie prime controllate, una preparazione ripetibile degli stampi, la gestione dei forni, piani di ispezione, manutenzione, operatori addestrati e una documentazione rigorosa.

Infine, prestate attenzione alla comunicazione.

Questo aspetto può sembrare di secondaria importanza rispetto all'analisi chimica delle leghe e al controllo a raggi X, ma influisce su quasi tutti i progetti. I disegni cambiano. Le scadenze di consegna subiscono variazioni. Le dimensioni di lavorazione vengono interpretate in modo errato. I requisiti di imballaggio vengono comunicati in ritardo. A volte il cliente invia una versione obsoleta e nessuno se ne accorge finché i pezzi non arrivano.

Capita.

Un produttore affidabile non promette che non si verificherà mai alcun problema. Crea invece un processo che consente di individuare tempestivamente i problemi, comunicarli in modo chiaro e risolverli senza trasformare ogni questione in una discussione.

Questa, a nostro avviso, è la vera differenza tra un fornitore di pezzi fusi e un partner produttivo a lungo termine.

La fusione a cera persa è un processo antico, ma continua a risolvere problemi di produzione molto attuali. Quando il componente è complesso, la lega è esigente e i costi di lavorazione o assemblaggio diventano difficili da controllare, vale la pena prenderla seriamente in considerazione.

Non vale per tutti i prodotti.

Ma se si sceglie il prodotto giusto, può semplificare molto di più rispetto alla sola fusione.

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