... COS'E' IL MAGNESIO ...

Il Magnesio è il più leggero tra i metalli strutturali. Con la sua densità di 1.74g/cm3 è il 30% più leggero dell'alluminio e il 70% più leggero dell'acciaio. Il magnesio ha anche superiore capacità di smorzamento delle vibrazioni, ottime capacità di schermatura elettro-magnetiche ed in radiofrequenza e può essere completamente riciclato. Non meno importante, il magnesio è un elemento abbondante (circa il 2,7%) della crosta terrestre, quindi praticamente inesauribile.

 

Un componente in lega di magnesio può essere realizzato attraverso processi di fabbricazione che impieghino le tecnologie comunemente utilizzate per gli altri metalli: processo di colata, processo di forgiatura di un semilavorato, assemblaggio di estrusi e laminati, lavorazione alle macchine utensili di un prodotto laminato. Un processo di fabbricazione che parta dal prodotto deformato plasticamente a caldo (es. laminato) e finisca il pezzo mediante lavorazioni secondarie di macchina utensile porta generalmente ad ottenere migliori proprietà, a fronte, tuttavia, di una notevole complessità del processo e costi elevati. D'altra parte, un convenzionale processo di colata è caratterizzato da un basso costo, ma a scapito delle basse caratteristiche meccaniche ottenibili sul materiale.

L'eccellente colabilità e la possibilità di realizzare parti molto complesse e a parete sottili, rendono la pressofusione in alta pressione la tecnologia più vantaggiosa in molte applicazioni industriali. I componenti realizzati per pressofusione ad alta pressione sono ampiamente utilizzati nel settore automobilistico, principalmente finalizzati alla riduzione del peso, e in dispositivi elettronici con la sostituzione di plastiche e conseguente alleggerimento e robustezza dei sistemi. Le applicazione del magnesio sono estendibili ad altri campi vale a dire lo sport, il tempo libero, gli elettroutensili, ecc.

La continua ricerca di una tecnologia che consentirebbe di ridurre i costi e, allo stesso tempo, migliorare le proprietà meccaniche del materiale, ha portato a diversi sviluppi: tra questi, si ritiene che l'emergente tecnologia della trasformazione in semisolido presenti caratteristiche in grado di soddisfare tali requisiti.

 

ASPETTI POSITIVI

Alcune caratteristiche del magnesio e delle sue leghe ed esempi di applicazioni a queste correlate sono elencate di seguito: 

• Minore densità fra tutti i materiali metallici strutturali

• Applicazioni: componenti di automobili ed aeromobili e di dispositivi elettronici portatili

• Elevata resistenza specifica

• Applicazioni: telai ed alloggiamenti per pannelli a cristalli liquidi, per computer desktop notebook, telefoni cellulari, ingranaggi, carter motori, etc.

• Buona dissipazione del calore

• La conducibilità termica del magnesio è molto più alta di quella della plastica. Le custodie di apparecchiature elettroniche possono dissipare il calore prodotto dai circuiti in maniera più efficiente di quelle costruite in plastica, conservando le caratteristiche di leggerezza e portabilità.

• Applicazioni: alloggiamenti per computer, proiettori LCD e TV

• Schermatura elettromagnetica (EMI shielding) e in radiofrequenza (RF shielding)

• Gli alloggiamenti in magnesio forniscono una migliore schermatura elettromagnetica rispetto ad analoghi prodotti in plastica con metallizzazione.

• Applicazioni: alloggiamenti e rivestimenti di telefoni cellulari ed apparati di trasmissione radio.

• Ottima lavorabilità alle macchine utensili

• Le leghe di magnesio hanno una più bassa resistenza agli utensili da taglio rispetto alla gran parte dei materiali metallici. Ciò fa si che si possa tornirle e fresarle ad alta velocità risparmiando su tempi e costi di lavorazione e sull’usura degli utensili. Propria di tali leghe è la capacità di acquisire una elevata finitura superficiale che spesso non rende necessario il ricorso ad ulteriori lavorazioni.

• Assorbimento delle vibrazioni

• Queste leghe possono assorbire efficacemente l’energia vibrazionale, il che è desiderabile in tutte quelle applicazioni in cui si ha la presenza di movimento meccanico.

• Applicazioni: pianali di scorrimento per pick-up ottici e ventilatori elettrici.

• Duttilità

• Alcuni tipi di leghe di magnesio hanno una duttilità maggiore rispetto alle leghe di alluminio, possono quindi assorbire energia da impatto senza esibire un meccanismo di frattura fragile.

• Applicazioni: volanti ed intelaiature di sedili di automobili.

• Completa riciclabilità

• Il magnesio può essere riciclato senza che vi sia alcun degrado delle proprietà fisiche, come spesso accade nel riciclaggio della plastica. Inoltre, 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”.

• Buona saldabilità in atmosfera controllata

• Flessibilità nella progettazione di componenti

• Minor usura degli stampi

• Abbondanza in natura (il magnesio è l’ottavo elemento più diffuso sulla terra)

La mancanza di applicazioni su vasta scala delle leghe di magnesio in passato, a causa di alcune loro caratteristiche non proprio positive, ha concorso ad un limitato lavoro di ricerca e sviluppo delle stesse e delle tecniche di produzione. Questo ovviamente ha posto queste leghe in una posizione di gap evidente rispetto alle altre leghe metalliche tradizionali, gap che ad oggi pur riducendosi rimane ancora marcato.

 

ASPETTI NEGATIVI

Analizziamone anche gli aspetti negativi, rilevati sulle leghe di magnesio attualmente utilizzate nel mercato della pressofusione:

Basso modulo elastico

• Problema compensato dal design del pezzo.

• In generale riferirsi al modulo elastico del materiale per esaminare le proprietà di rigidezza di un componente è fondamentalmente sbagliato. Questo è stato ampiamente dimostrato dalla definizione di indici di performance del materiale in visione di migliorare le proprietà di un componente che dovrà assolvere a particolare funzione, ad esempio la funzione della rigidezza, col minimo peso e la massima resistenza meccanica (a fatica).

• L'approccio moderno (e corretto) è quello della definizione di FUNZIONE (es: componente rigido e leggero) e quindi la scelta del corretto DESIGN INDEX.

Limitata lavorabilità a caldo e tenacità

• Il processo Thixomolding non rende necessaria alcuna operazione di deformazione plastica a caldo secondaria, grazie al net-shaping. La tenacità delle leghe Thixo-Mg ottimizzate (abbandonando la AZ91D, troppo ricca in Al infragilente) è destinata (con lo sviluppo dei nuovi materiali) ad incrementarsi.

Limitata resistenza meccanica e a creep alle temperature elevate

• è vero, dato che le leghe tradizionali AZ91D, AM60B ecc. soffrono del problema del creep. Tuttavia molti miglioramenti sono offerti dalle leghe ternarie (a tre elementi principali). Sono già in commercio leghe ternarie che resistono a Creep fino a 120-130 C. Si stanno studiando leghe ternarie a struttura fine che arrivino anche a 180-200 C.

Elevata reattività chimica

• Questo dal punto di vista metallurgico è visto come un fenomeno positivo, dato che è questa prerogativa quella che permette una variazione enorme di possibilità di alligazione (aggiunta di elementi in lega per la modifica delle proprietà microstrutturali) delle leghe di Mg. Tuttavia, se ci si riferisce ai problemi di reazione e con l'ossigeno (ovvero presunta combustione), la reattività del Mg con O è alta allo stato liquido. Da questo, la sicurezza data da un processo in Argon in semisolido con processo Thixomolding.

• Non ci sono problemi per infiammabilità del pezzo solido, a meno che sia in forma di polvere, se non portato a temperature in grado di fonderlo!

Limitata resistenza a corrosione in alcune applicazioni

• Le leghe processate in Thixomolding offrono  assenza di porosità affiorante e estrema omogeneità di composizione chimica (si parte da particelle solide a composizione chimica controllata continuamente mescolate). Maggiore omogeneità, insieme alla maggiore purezza delle leghe moderne di magnesio (bassi tenori di inquinanti, che prima erano il vero problema per l'attivazione di corrosione per pitting) elevano la resistenza alla corrosione atmosferica fino ai valori di comuni leghe di alluminio.

 

PERCHÉ IL MAGNESIO

Il primo vantaggio del magnesio è la sua capacità di ridurre il peso del veicolo e migliorare la prestazione aumentando l’accelerazione / decelerazione, ridurre le vibrazioni percettibili...  

I campi di applicazione in cui il magnesio può trovare impiego sono innumerevoli, sarà compito del mercato far si che si riscoprano i vantaggi che il magnesio può portare con l’ausilio di nuove tecnologie di processo e leghe specifiche.

Il magnesio è tradizionalmente impiegato nell’industria del trasporto in generale; dove il minor peso, coerente con le altre prestazioni e requisiti di sicurezza, significa più lavoro utile che può essere estratto da una unità di combustibile o da altre fonti di energia. Inoltre, le tecnologie per la riduzione del peso sono fondamentali per il successo di nuove tecnologie ad elevata efficienza energetica come i veicoli ibridi.

Il primo vantaggio del magnesio è la sua capacità di ridurre il peso del veicolo e migliorare:

• Performance. La riduzione del peso migliora la prestazione del veicolo aumentando l’accelerazione / decelerazione. Ridurre il peso del veicolo anteriormente permette al baricentro di essere spostato posteriormente, migliorando la reazione nella guida.

• Risparmio di Carburante. La riduzione del peso del veicolo migliora il rendimento di combustibile.

• NVH (Noise, Vibration, Harshness). Le parti in magnesio possiedono frequenze critiche tali da ridurre vibrazioni percepibili dall’uomo, garantendo un abbattimento del rumore e degli striduli (NHV).

• Disturbi acustici. Contro i 30 o all’incirca elementi singoli in un componente di acciaio, in un’unica stampata, come ad esempio un supporto pannello strumenti, si lascia meno spazio agli errori durante la produzione, riducendo la suscettibilità per lo sfregamento e la vibrazione tra gli elementi, riducendo i suoni acuti e tintinnii. Il magnesio può migliorare il design del veicolo e fornire caratteristiche uniche al consumatore.

• Progettazione di migliorie nell’imballaggio. Il corpo stampato in semisolido permette di migliorare flessibilità ed efficienza nella fase di guarnitura del componente. Paragonato ad un supporto in acciaio stampato-saldato sul cruscotto, una traversa in magnesio permette agli alloggiamenti di air-bag, di cavi, etc. di essere prodotti sul posto, generando nuove caratteristiche di design con facilità

• Interni riconfigurabili. Strutture più leggere possono essere rimosse e/o riconfigurate permettendo un ingresso ed un’uscita più semplici; ad esempio, un sedile in magnesio 3rd-row è 12kg più leggero di un qualsiasi altro in acciaio.

• Più opzioni possibili. Con componenti in magnesio, si possono offrire ai clienti maggiori e/o più importanti opzioni e un’alta capacità di trasporto/carico pagante, mantenendo l’asse del veicolo caricato entro i limiti accettabili del GVW (Gross Vehicle Weight) . Il magnesio può portare alla riduzione dei costi di produzione e a migliorare il valore della produzione.

• Costi di produzione ridotti. Le stampate di magnesio possono ridurre i costi di produzione rispetto all’acciaio, in particolare per volumi di produzione inferiori a 200,000 unità per anno. Migliore lavorabilità (nell’ambito delle ridotte operazioni di finitura), elevata processabilità, elevata produttività (e ripetibilità) qualora si impieghino processi ad alta automazione (riduzione dello shot-to-shot time), ridottissima energia di trasformazione per kilogrammo del materiale processato in semisolido (grazie alla riduzione dell’energia necessaria per processare una massa semisolida rispetto quella liquida), sono tutti fattori chiave nell’abbattimento dei costi del prodotto finito realizzato in magnesio semisolido rispetto ad un qualsivoglia predecessore realizzato in alluminio o acciaio.

• Le auto del futuro. Saranno progettate a struttura modulare, in modo da poter essere assemblate e disassemblate con facilità tale da permettere poi una agevole separazione dei materiali, per la loro ricommercializzazione e per il loro riutilizzo ... e poiché il magnesio può essere riciclato indefinitamente senza perdere in qualità e visto il suo alto valore intrinseco, ci sono forti incentivi naturali ed economici per recuperare e riciclare prodotti in magnesio dopo il loro l’uso, a differenza della plastica.

In sintesi si può dire che il mercato automobilistico chiede quattro cose all’industria del magnesio:

• Calo dei prezzi

• Sviluppo di nuove tecnologie per la trasformazione

• Migliorare le prestazioni attraverso lo studio di nuove leghe

• Riciclabilità

La maggior parte delle tecnologie utilizzate: sand-casting, forgiatura, sheet forming, estrusi accompagnati da lavorazioni, rivettatura e saldatura. Il magnesio è stato, ed è tuttora, utilizzato in aeromobili convenzionali e in motori per elicotteri e in telai aeronautici. Tuttavia, tali livelli sono ben al di sotto delle potenzialità di utilizzo a causa dei problemi reali o percepiti sulla corrosione con conseguenti mandati di costruzione contro il magnesio. Recentemente, sistemi aerospaziali si trovano di fronte a crescenti sfide uniche, che dettano la crescente domanda di configurazioni ad alta efficienza. Questo, a sua volta, porta ad esigenze contraddittorie come:

• Alta resistenza o la capacità di carico per la sicurezza operativa.

• Lunga autonomia di volo richiede basso peso.

• Veloci e bassi costi di produzione mantenendo la qualità.

Questi requisiti richiedono lo sviluppo di concetti innovativi di progettazione per ottenere capacità di carico estremamente elevate con elevata ridondanza strutturale. Il nuovo approccio richiede una nuova visione sulla selezione dei materiali strutturali portando il magnesio nuovamente all’attenzione dei progettisti. Con tutto il rispetto agli anni '70, nuove soluzioni per la resistenza alla corrosione delle leghe di magnesio per consentire una migliore manutenzione dei sistemi aerospaziali. Pertanto, significativi movimenti verso un rinnovato utilizzo del magnesio nei sistemi aerospaziali possono essere rilevate di recente. In aeromobili commerciali, si è cercato di applicare il magnesio sulle strutture interne come i sedili, i vani porta borse, tavoli pieghevoli e carrelli per alimenti. Il riutilizzo del magnesio in strutture esterne deve ancora comparire. Nuovi sviluppi per la messa a punto sull'elettronica di bordo dove sostituire magnesio con alluminio su un one-to-one direttamente si porta un risparmio del 40% in peso.

Settore Elettronica di Consumo: l’alleggerimento ed il ridimensionamento sono delle grandi sfide per le apparecchiature di elettronica/comunicazione. Prima di tutto, per gli stessi risparmi energetici e di combustibile durante la spedizione, sia su terra che aerospaziale. In secondo luogo, computer portatili piccoli e leggeri, fotocamere, cellulari e dispositivi tascabili sono richiesti anche per altri motivi: l’ergonomia umana (massa più bassa/pareti più sottili, riduzione a 0.4 mm), schermatura EMI/EMF (sia dai campi esterni che interni), riduzione di vibrazioni e rumore, gestione termica per ridurre la portata di calore interna sui componenti elettronici, rigidità e resistenza all’impatto, bassa inerzia nel muovere i componenti tra cui il braccio attuatore, aspetto e tatto metallico rispetto ai polimeri. I sistemi di elettronica/comunicazione che attualmente utilizzano il magnesio sono i computer portatili, i cellulari, le fotocamere digitali, i proiettori digitali, le tv, i dispositivi tascabili e le chiusure elettroniche.

Settore degli Utensili da Lavoro: per ridurre la fatica e aumentare la sicurezza dei lavoratori, l’industria degli elettroutensili e utensili da lavoro ha basato la realizzazione di alcuni suoi componenti in magnesio risultando più durevoli, molto più leggeri e quindi facili da manipolare per lunghi turni di lavoro. Gli utilizzatori potrebbero pensare che ad una riduzione del peso corrisponda una riduzione della potenza, ma è vero il contrario, utilizzando una custodia in magnesio per un utensile pneumatico gli ingranaggi di moto per la movimentazione di potenza possono accogliere un ingranaggio di potenza superiore con conseguente miglioramento delle prestazioni a parità di peso o addirittura con peso inferiore.

Questi sono solo alcuni dei mercati dove il magnesio ha già trovato impieghi applicativi, altri mercati lo stanno valutando anche grazie alle nuove tecnologie messe a disposizione per processarlo, e grazie al Consorzio Sinergitec in grado di offrire le giuste competenze tecnico/scientifiche e produttive per qualsiasi nuova applicazione abbiate in mente.

 

THIXOMOLDING - PROCESSO DI STAMPAGGIO

AD INIEZIONE DI LEGHE DI MAGNESIO ALLO STATO SEMI-SOLIDO

Il processo si svolge grazie a una macchina appositamente progettata simile ad una pressa ad iniezione per termoplastici.

Questo processo in un singolo passo elimina il rischio di manipolare il magnesio allo stato fuso con apparecchiature e accorgimenti particolari quali fornaci gas di copertura come SF6 ecc…

Granuli in lega di magnesio vengono caricati, a temperatura ambiente, in una tramoggia allocata in cima alla macchina. I granuli sono dosati a carico volumetrico in una piccola tramoggia in saturazione d’argon, utilizzato come gas di copertura antiossidante, 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.  La vite in fase di rotazione produce uno sforzo di taglio sulla lega di magnesio, frantumando le dentriti presenti nella frazione liquida generando così delle particelle sferoidali. I granuli così riscaldati e sottoposti alle forze di taglio, passano da uno stato semisolido stazionario ad uno stato semisolido tixotropico.

La lega in questa condizione viene iniettata all’interno di uno stampo riscaldato con flusso laminare simile a quello dei termoplastici. Una volta che la parte solidifica, viene estratta e tranciata. Al termine della fase di solidificazione si ha praticamente una microstruttura equiassica rispetto ad una microstruttura dentritica; ciò comporta migliori caratteristiche meccaniche.

Diversi sono i vantaggi a beneficio: un elevato controllo di processo, costanza nelle parti prodotte; bassa porosità; capacità di stampare parti con geometrie complesse, una migliore finitura superficiale; parti near-net-shape; stampaggio a pareti sottile e riduzione / eliminazione di operazioni secondarie.

Thixomolding offre un'ottima alternativa ai tradizionali processi di pressocolata e stampaggio ad iniezione di materie plastiche. Avendo grosse opportunità in una vasta gamma di applicazioni, risulta una soluzione attraente per realizzare componenti ottimizzati.

Rispetto alla pressocolata le migliori caratteristiche dei componenti in Thixomolding derivano dal processo che utilizza leghe di magnesio con flusso laminare in semisolido. La parti thixoformate sono in grado di soddisfare le più severe tolleranze dimensionali grazie all'aiuto di più bassi e prevedibili ritiri. Inoltre, il flusso laminare, consente l'eliminazione delle particelle di aria intrappolate nello stampo, minimizzando così le porosità.

Il riempimento uniforme nel processo Thixomolding, riduce i ritiri e le porosità consentendo ai produttori di ottenere componenti net-shape dove le operazioni secondarie possono essere eliminate con conseguente risparmio di costi, con la capacità di stampare a pareti sottili e forme complicate e con un miglioramento delle proprietà meccaniche. Il processo consente anche il miglioramento nella planarità e ripetibilità dimensionale.

Il processo Thixomolding si avvale anche delle proprietà intrinseche del Magnesio come ad esempio la leggerezza, la rigidezza, la dissipazione del calore, la schermatura EMI / RFI, la capacità di assorbire e smorzare le vibrazioni, la resistenza alle ammaccature, ecc…

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 in quanto il Magnesio non attacca l'acciaio degli stampi in maniera così aggressiva come invece capita nella pressocolata dell’alluminio, la vita è inoltre superiore a quella dell’alluminio.

 

THIXOMOLDING

Un gran numero di miglioramenti nel settore della trasformazione e innovazioni tecniche sono in fase di sviluppo e altri stanno mostrando interessanti potenzialità. Questo processo consente in un modo molto semplice di poter realizzare differenti composizioni di leghe, con il dosaggio di componenti aggiuntivi in parallelo alle principali materie prime direttamente nella tramoggia attraverso un secondo sistema di alimentazione separata, in aggiunta a ciò, essa permette di lavorare a diverse percentuali di frazione solida, con un accurato controllo della temperatura lungo il cilindro: questo porta alla possibilità di lavorare con miscele di solidi delle varie leghe e di utilizzare i rinforzi per fare nuovi compositi a matrice metallica (MMC).

Di conseguenza, potrebbe essere possibile realizzare le leghe in linea al processo con una vasta gamma di personalizzazioni e il vantaggio di crearsi i materiali su misura per le specifiche applicazioni.

La peculiarità del sistema ad iniezione rende possibile realizzare pezzi con un punto di iniezione notevolmente ridotto, portando a interessanti risparmi in termini di materiali, lavorazioni meccaniche e consumo di energia, quindi con un conseguente risparmio sui costi.

Benefici del processo

La struttura integrata del sistema innovativo multifunzionale di trasformazione del metallo non solo aumenta l’efficienza e la ripetibilità del processo, ma cambia radicalmente l’approccio alla fonderia tradizionalmente conosciuta, migliorando l’ambiente produttivo dal punto di vista qualitativo, ambientale, economico e della sicurezza; in sintesi possiamo così elencare i molteplici effetti positivi:

• Produzione di componenti Near Net Shape

• Non necessita di forno fusorio esterno

• Riduzione o eliminazione di operazioni secondarie, con conseguente recupero costi

• Capacità di riduzione delle porosità prossime allo zero

• Aumento della flessibilità di progettazione

• Estensione della vita degli stampi rispetto alla pressofusione per le temperature di esercizio più basse

• Minor consumo energetico, non esistono forni fusori

• Rapidità nell’avviamento, spegnimento e cambio di lega

• Di facile apprendimento

• Ambiente pulito e protetto da emissioni nocive ottenuto tramite l’eliminazione di gas nocivi normalmente utilizzati nelle fonderie (esempio: SF6)

• Migliori condizioni di sicurezza e delle condizioni ambientali per gli operatori e l’ambiente stesso.