IT202100024227A1 - Crogiolo a freddo ad alta efficienza e metodo di realizzazione dello stesso - Google Patents

Description

Titolo: Crogiolo a freddo ad alta efficienza e metodo di realizzazione dello stesso Ambito dell?invenzione

La presente invenzione riguarda un crogiolo del tipo cosiddetto ?a freddo? per la microfusione in vuoto o in atmosfera inerte di metalli puri e leghe metalliche anche refrattarie che richiedono un elevato grado di purezza.

Analisi dello stato dell?arte

Come noto il crogiolo ? il recipiente in materiale refrattario o metallico, generalmente di forma cilindrica o tronco-conica, usato per fondere metalli o vetri.

Una delle tecniche di fusione prevede l?impiego di un crogiolo definito del tipo ?a freddo? una tecnologia che ? indicata con innumerevoli acronimi: CC (?cold crucible?), ISM (?Induction Skull Melting?), CCLM (?Cold Crucible Levitation Melting?) oppure EMCC (?ElectroMagnetic Cold Crucible?).

In ogni caso, questa tecnologia prevede che la fusione del materiale avvenga per effetto dell?induzione elettromagnetica. In sintesi, si utilizza un crogiolo in metallo circondato da una spira conduttrice (induttore) raffreddata ad acqua nella quale circola una corrente di frequenza ed intensit? opportuna prodotta da un generatore esterno. Il crogiolo, generalmente di forma cilindrica, presenta delle fenditure (o ?tagli?) longitudinali rispetto all?asse principale che per rivoluzione definisce la geometria cilindrica del crogiolo stesso. Le fenditure dividono il crogiolo in una serie di segmenti chiamati in gergo anche ?petali? o ?dita?. Le fenditure permettono la penetrazione del campo magnetico oscillante all?interno del crogiolo. Come conseguenza la carica metallica viene investita dal campo magnetico variabile nel tempo il quale induce al suo interno le cosiddette correnti di Foucault (o correnti di Eddy) le quali per effetto joule riscaldano la carica metallica stessa. Oltre ad una certa energia del generatore che alimenta l?induttore, le correnti indotte nella carica metallica sono cos? intense da portare a fusione la carica metallica stessa detta ?fuso?. Il campo magnetico variabile nel tempo presente all?interno del crogiolo, non solo induce correnti elettriche nel fuso, ma genera anche una forza levitante agente sulla carica metallica. A seconda dell?intensit? di tale forza si parla di crogioli a semi-levitazione o a levitazione completa.

Il crogiolo, essendo metallico, ? anch?esso soggetto a riscaldamento per induzione ma non fonde in quanto le pareti sono costantemente raffreddate con acqua o altri fluidi (da qui il nome della tecnica) veicolati mediante un sistema di canalizzazioni. Tali canalizzazioni sono in genere ricavate all?interno dei petali del crogiolo.

La tecnologia di fusione ?a freddo? ? generalmente utilizzata per ottenere parti da fuso ad elevata purezza (ad es. per componenti soggetti a fatica) oppure realizzati con metalli e leghe metalliche ad alto o altissimo punto di fusione e leghe metalliche con scarsa miscibilit? (es. leghe in Ti?Al per applicazioni aerospaziali).

Nonostante la tecnologia della fusione all'interno di crogioli ?a freddo? sia nota ed applicata da diversi anni, presenta una serie di inconvenienti che ne hanno limitato la diffusione solo a contesti high-tech nonch? a specifiche tipologie di prodotti.

In primis i crogioli a freddo attuali presentano importanti limiti di efficienza energetica e di manipolazione del fuso. Tali limiti derivano dalla complessit? di studi di simulazioni elettromagnetica e applicazioni pratiche di crogioli con geometrie che ottimizzino la trasmissione del campo magnetico all?interno del crogiolo (specialmente in prossimit? del fondo del crogiolo) e aumentino l?efficienza di trasferimento di energia alla carica metallica in modo da aumentare la forza levitante. Il principale elemento di complessit? di tali studi e di applicazioni pratiche ? rappresentato dall?intrinseca difficolt? di integrare in modo sinergico le complesse geometrie di crogioli a pi? alta efficienza con le tecnologie di produzione meccanica tradizionali.

Un ulteriore ed importante limitazione deriva dalle tecniche di lavorazione meccanica convenzionali (per asporto e da stampo) che permettono la realizzazione solamente di crogioli aventi forme semplici. Tale limitazione impatta specialmente sui canali di raffreddamento che devono essere integrati in ogni segmento: se sono realizzati con forature devono essere necessariamente dritti e di diametro sufficiente al passaggio di un secondo tubo interno coassiale per la mandata dell'acqua. Questa configurazione assai diffusa risulta problematica per quanto riguarda la tenuta idrica in pressione e le importanti perdite di carico. Inoltre, una canalizzazione diritta non rappresenta la soluzione ottimale per la dissipazione del calore perch? non pu? giocoforza essere distribuita nell?intero volume del segmento del crogiolo, ed inoltre offre una limitata superficie di scambio termico e idealmente dovrebbe essere sostituita da una canalizzazione dotata di circonvoluzioni che tuttavia non pu? essere realizzata con lavorazioni convenzionali. Inoltre, la tecnica della foratura diritta spesso veniva associata a un sistema di mandata e ritorno coassiale del fluido refrigerante, dunque esercitando il raffreddamento dei petali solo con il flusso ascendente (oppure discendente) che risulta essere poco efficiente.

Queste limitazioni intrinseche ai canali di raffreddamento diritti vincolano il crogiolo a forme non ottimali (sostanzialmente crogioli cilindrici) per quanto riguarda il trasferimento dell'energia elettromagnetica al fuso, ed impediscono di raffreddare efficientemente la porzione inferiore a ?calice?, e conseguentemente di efficientare il trasferimento di energia elettromagnetica nel fondo del crogiolo.

A questo proposito va rilevato il fatto che per massimizzare il raffreddamento potrebbero essere aggiunte canalizzazioni nei segmenti ovvero aumentato il loro diametro; questo tuttavia, limita la trasmissione e la distribuzione dei campi elettromagnetici all?interno del crogiolo e quindi la levitazione del fuso. Inoltre, questa geometria non ? ottimale perch? limita fortemente l?efficienza di levitazione e di induzione di correnti elettriche nel fuso, le quali sono indotte pi? facilmente nel crogiolo. Come risultato, in un crogiolo cilindrico si ottiene un surriscaldamento del crogiolo a scapito del fuso perch? si instaura un maggior accoppiamento elettromagnetico tra induttore e crogiolo piuttosto che tra induttore e fuso. Le limitazioni ed i vincoli tecnologici sopra descritti rendono ad oggi disponibili solo crogioli ?a freddo? caratterizzati da elevati consumi energetici (per la scarsa ottimizzazione), da una forma cilindrica semplice e da un limitato volume interno utile per la fusione del metallo a causa del notevole spessore dei petali (necessario per accogliere le canalizzazioni).

Inoltre, per quanto riguarda la geometria del pezzo da fusione, i crogioli a freddo tradizionali sono scarsamente versatili perch? si limitano alla produzione di lingotti a forma cilindrica solidificati all?interno del crogiolo stesso (detti crogioli a colata continua) o a forme diverse nel caso il fuso sia colato in uno stampo a seguito della rotazione del crogiolo.

Allo stato dell?arte sono noti alcuni insegnamenti tecnici che hanno cercato di superare o mitigare tali limitazioni. Ad esempio, nel brevetto CN111872389A ?3D printing device and method for preparing water-cooled copper crucible? a nome CAO JUNMING descrive in modo del tutto generico un dispositivo di stampa 3D ed un metodo per preparare un crogiolo di rame raffreddato ad acqua. Tuttavia. Tale documento non fornisce alcun insegnamento utile all?esperto del ramo per risolvere il problema del raffreddamento del crogiolo e per ridurre i consumi energetici del processo di fusione.

In conclusione, per i motivi sopra esposti, esistono ancora spazi per migliorare la struttura di un crogiolo del tipo ?a freddo? ed il relativo processo di realizzazione.

Descrizione generale dell?invenzione

Scopi dell?invenzione

Partendo dunque, dai limiti dei sistemi noti allo stato attuale dell?arte, la presente invenzione intende superarli in maniera compiuta, fornendo un nuovo ed innovativo crogiolo del tipo cosiddetto ?a freddo? utile per la microfusione in vuoto o in atmosfera inerte di metalli puri e leghe metalliche, anche refrattarie, che richiedono un elevato grado di purezza.

Pertanto, il primo e principale scopo del presente trovato ? realizzare un crogiolo del tipo cosiddetto ?a freddo? ottimizzato elettromagneticamente che permetta un?elevata manipolazione del fuso e dunque un?aumentata forza di levitazione. In particolare, rientra in tale scopo, definire una struttura di crogiolo che, rispetto alle soluzioni note, aumenti l'efficienza di trasferimento dell'energia elettromagnetica al fuso e lo scambio termico necessario per mantenere il crogiolo freddo in modo da incrementare la levitazione del fuso ed al contempo diminuire i consumi elettrici.

Unitamente al compito principale sopra esposto, un secondo importante scopo del presente trovato ? realizzare un crogiolo del tipo ?a freddo? che permetta una elevata capacit? fusoria in termini di massa metallica da fondere rispetto a un crogiolo tradizionale a parit? di energia utilizzata.

Unitamente al primo e al secondo compito, un terzo importante scopo del presente trovato ? realizzare un crogiolo del tipo ?a freddo? che impedisca la contaminazione del fuso in modo da ottenere parti colate a purezza estremamente elevata in quanto non possiede materiali ceramico-refrattari.

Nell?ambito dei compiti sopra esposti, un quarto importante scopo del presente trovato ? mettere a punto un processo che tramite il crogiolo del tipo ?a freddo? secondo la presente invenzione, permetta di ottenere parti colate, anche a geometria complessa, con purezza estremamente elevata rispetto alle tecnologie fusorie esistenti.

Nell?ambito dei compiti sopra esposti, un quinto importante scopo del presente trovato ? realizzare un crogiolo del tipo ?a freddo? di semplice manutenzione e che possa essere realizzato o attuato in modo semplice ed economico mediante tecnologie note.

Soluzione al problema tecnico e concetto inventivo

Questi ed altri scopi ancora, che pi? chiaramente appariranno in seguito, vengono raggiunti da un crogiolo del tipo ?a freddo?, da un procedimento per la sua realizzazione, nonch? da un procedimento per manipolare il fuso mediante detto crogiolo. Nelle caratteristiche essenziali tali oggetti dell?invenzione sono definiti dalle unite rivendicazioni 1, 16 e 18, rispettivamente, e nelle caratteristiche di dettaglio dalle corrispondenti rivendicazioni dipendenti. Le suddette rivendicazioni, cui si rimanda per brevit? di esposizione, sono nel seguito specificatamente e concretamente definite e si intendono parte integrante della presente descrizione.

Il concetto inventivo alla base della presente invenzione riguarda la definizione di una struttura e di una geometria del crogiolo in grado di aumentare l'efficienza di trasferimento dell'energia elettromagnetica al fuso, di permetterne la fuoriuscita dal fondo in maniera controllata senza l?ausilio di un tappo ed al contempo lo scambio termico necessario per mantenere il crogiolo freddo.

Tale concetto inventivo trova concreta attuazione in un crogiolo del tipo ?a freddo? per la fusione di metalli e leghe metalliche, anche refrattarie, che si caratterizza per alcuni aspetti fortemente innovativi di seguito esposti.

Innanzitutto, il crogiolo presenta una forma nuova, del tutto diversa da quelle di tipo noto. Tale forma ? simile ad un calice di fiore rovesciato il quale ? suddiviso in segmenti (o ?petali?) a pareti molto sottili da una pluralit? di fenditure opportunamente sagomate.

Il numero e la forma delle fenditure, come pure la curvatura stessa del calice, sono stati appositamente ottimizzati dai presenti inventori per aumentare la trasparenza del crogiolo alle onde elettromagnetiche e facilitare il trasferimento dell'energia elettromagnetica al metallo da fondere nonch? la spinta levitante di tali onde.

A sua volta, la forma del crogiolo a parete molto sottile ? resa possibile da un ulteriore aspetto caratterizzante il presente trovato ossia un sistema di raffreddamento di nuova concezione nel quale ? stato integrato, all?interno dei singoli petali, uno scambiatore di calore costituito da una struttura interconnessa, periodica o non periodica, distribuita in tutto il volume dei petali e costituita da una rete di percorsi per il liquido di raffreddamento.

Tali percorsi, che nella presente invenzione sono definiti anche ?cammini percolativi?, sono definiti in base ad unit? elementari interconnesse. Questa struttura assicura un incrementato scambio termico in quanto l?intera rete di percorsi scambia calore con i segmenti (nei crogioli di tipo noto questo non era possibile a causa delle limitazioni imposte dalle canalizzazioni di scambio diritte). Al contempo, questa struttura ha il pregio di svincolare il sistema di raffreddamento dalla geometria dei petali permettendo di impartire forme al crogiolo pi? trasparenti alla radiazione elettromagnetica, una caratteristica che non poteva essere ottenuta nei crogioli ?a freddo? di tipo noto.

Grazie a questa struttura possono essere vantaggiosamente realizzati crogioli con un numero maggiore di fenditure ed aventi il collettore del sistema di raffreddamento collocato nella porzione superiore del crogiolo. Questa geometria permette di liberare spazio nella porzione inferiore e permettere cos? di avvicinare l?induttore all?area del calice e dell?ugello di scarico facilitando il trasferimento dell'energia elettromagnetica. In altre parole, i profili radiali interni ed esterni del crogiolo secondo il presente trovato possono seguire le forme ottimizzate da simulazioni elettromagnetiche.

La presenza delle unit? interconnesse nello scambiatore di calore e delle fenditure sagomate rendono la geometria del crogiolo secondo il trovato tanto complessa dal punto di vista topologico da essere realizzabile solamente mediante tecniche di manifattura additiva.

Infine, la forma innovativa del crogiolo ha condotto anche alla definizione di una nuova forma per l?induttore che ? avvolto in pi? spire attorno alla lunghezza e allo sviluppo del crogiolo. Tale forma non ? pi? la tradizionale sezione circolare ed ? caratterizzata da una sezione rotondeggiante all?esterno e piana all?interno ovvero ?affacciata? a guisa di copia della superficie curvilinea del crogiolo stesso. Vantaggiosamente l?induttore ? in metallo ad alta conducibilit? elettrica e termica ed ? realizzato anch?esso per manifattura additiva, assieme al crogiolo. Alternativamente ? realizzato come parte distinta rispetto al crogiolo per manifattura additiva o mediante tecniche tradizionali.

Gli innovativi aspetti del crogiolo secondo il presente trovato qui sommariamente descritti determinano come principale effetto tecnico un notevole incremento dell?intensit? del campo magnetico agente sul fuso e quindi della forza levitante (di oltre un fattore 3) rispetto ad un crogiolo di tipo noto avente pari capacit? ed assorbimento energetico.

A sua volta, l?aumento della levitazione del fuso determina un aumento della purezza del prodotto da fusione ed una riduzione dei costi di fusione.

Descrizione delle figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato, risulteranno maggiormente dalla descrizione di tre sue forme di esecuzione preferita ma non esclusiva, illustrate a titolo indicativo e non limitativo nelle unite tavole di disegni, in cui:

- La Figura 1, con riferimento alla prima forma realizzativa della presente invenzione, illustra, alla lettera (a), una vista laterale del crogiolo, alla lettera (b), una sezione verticale assiale, alla lettera (c), una vista dall?alto ed alla lettera (d), una sezione orizzontale, sostanzialmente a met? dell?altezza, della porzione inferiore del crogiolo. - la Figura 2 ? un dettaglio della sezione orizzontale del crogiolo della Figura 1 con evidenza dei condotti di andata di ritorno del fluido di raffreddamento attraverso i quali si dirama il sistema di raffreddamento all?interno del singolo segmento;

- la Figura 3, con riferimento alla seconda forma realizzativa della presente invenzione, illustra, alla lettera (a), una vista laterale del crogiolo, alla lettera (b), una vista della sezione orizzontale del crogiolo ed alla lettera (c), un dettaglio della vista dal basso con evidenza dei condotti di mandata e dei condotti di ritorno del sistema di raffreddamento;

- la Figura 4 illustra il crogiolo nella terza forma realizzativa della presente invenzione, con evidenza della valvola elettromagnetica per facilitare la manipolazione del fuso. - la Figura 5 con riferimento alla seconda forma realizzativa della presente invenzione, mostra una sezione orizzontale del crogiolo che illustra tre diverse sezioni con evidenza della disposizione delle facce delle fenditure (parallele, convergenti e parallele ruotate);

- la Figura 6 illustra lo sviluppo su un piano 2d della superficie cilindrica 3d del crogiolo con evidenza delle fenditure espresse come funzioni della quota lungo l?asse di Z di rotazione cilindrica del crogiolo e dell?angolo di rotazione ? di un raggio perpendicolare a detto asse.

- la Figura 7 illustra l?induttore del crogiolo secondo il presente trovato con evidenza della sezione asimmetrica.

- la Figura 8 illustra la struttura del sistema di raffreddamento e dello scambiatore di calore del crogiolo secondo una forma realizzativa del presente trovato;

- la Figura 9 illustra alcune strutture dello scambiatore di calore del crogiolo secondo il presente trovato.

Descrizione dettagliata

Forma un primo oggetto della presente invenzione un crogiolo (1) per la fusione di metalli del tipo ?a freddo? avente le caratteristiche definite nella rivendicazione principale.

Struttura del crogiolo

Con riferimento alle figure precedentemente citate, il crogiolo a freddo secondo il presente trovato ? indicato in una sua forma realizzativa complessivamente con il numero (1).

Detto crogiolo (1) include un corpo (10) fessurato, avente una forma a simmetria cilindrica preferibilmente a calice, attorno al quale ? avvolto un induttore (30).

Il corpo (10) presenta pareti (16) che definiscono un volume interno (106), sostanzialmente limitato da una superficie concava, che accoglie il fuso (40).

Per comodit? di descrizione, a sua volta il corpo (10) pu? essere suddiviso in una porzione superiore (11), una porzione mediana (12) ed una porzione inferiore (13) tra loro contigue, delimitate, rispettivamente, dai piani A-A?/B-B?, B-B?/C-C?, C-C?/D-D? come illustra la Fig.1(a). La porzione superiore (11) ? sostanzialmente costituita da un collettore (111) di forma svasata superiormente limitato da un?apertura (112) orizzontale in corrispondenza del piano A-A?. In detto collettore (111) sono ricavati uno o pi? condotti anulari interni di mandata (21) ed uno o pi? condotti anulari interni di ritorno (22) del sistema di raffreddamento (20) del crogiolo (1). Tali condotti (21,22) sono collegati, da una parte, ad uno scambiatore di calore (23) e, dall?altra, ad un circuito di raffreddamento di tipo convenzionale (non raffigurato) che include una pompa per mantenere in circolazione il liquido di raffreddamento, preferibilmente acqua. Lo scambiatore di calore (23) presenta una struttura innovativa che sar? descritta in dettaglio nel seguito.

In una forma realizzativa preferita, il collettore (111) consiste di un primo condotto anulare interno avente quattro mandate (21) disposte a 90? l?una dall?altra, ed un secondo condotto anulare interno avente quattro ritorni (22) disposti a 90?. Altre geometrie con un numero diverso di mandate/ritorni sono tuttavia possibili a seconda delle dimensioni del crogiolo (1). La porzione mediana (12) del corpo (10) del crogiolo (1), superiormente raccordata al collettore (111), presenta una forma cilindrica che si caratterizza per la presenza di una pluralit? di fenditure (121) equispaziate che attraversano l?intero spessore delle pareti (16) del corpo (10). In modo simile a strutture di crogiolo ?a freddo? di tipo noto, dette fenditure (121) hanno il compito di fornire una sufficiente trasparenza elettromagnetica e quindi incrementare l?efficienza del processo di fusione e di levitazione.

In una forma realizzativa dette fenditure (121) si estendono verticalmente per circa la met? dell?altezza della porzione mediana (12) limitata dai piani B-B? e C-C?. Al di sotto del piano C-C le fenditure (121) si prolungano con continuit? in quella che ? stata definita la porzione inferiore (13) del corpo (10) del crogiolo (1) la quale verr? descritta nel seguito.

La pluralit? di fenditure (121) suddividono il corpo (10) del crogiolo (1) in una pluralit? di segmenti (14). Ai fini dell?attuazione del presente trovato ? sufficiente la presenza di almeno una fenditura (121), anche se ? preferibile un numero maggiore, ad esempio non inferiore a 10, in base alla dimensione del crogiolo (1).

Come illustra l?unita Figura 5, a titolo esemplificativo e non limitativo della presente invenzione, le fenditure possono tagliare le pareti (16) del corpo del crogiolo (10) in modo da presentare facce parallele (Figura 5B), facce convergenti (Figura 5C) oppure facce parallele ruotate (Figura 5D).

Il profilo delle fenditure (121) ? definito da due funzioni g(z,?) e R(z)??o(z,?) che descrivono, rispettivamente, la larghezza della fenditura e la forma della fenditura, al variare della distanza z della quota lungo l?asse di simmetria cilindrico Z del crogiolo e dell?angolo ? formato da un generico raggio perpendicolare a detto asse Z. Tali funzioni sono evidenziate schematicamente nella Figura 6 che illustra lo sviluppo su un piano 2d della superficie cilindrica 3d del crogiolo. La forma della fenditura lungo Z ? ripetuta N volte per valori discreti di ? tanti quanti sono il numero di segmenti (14) del corpo (10).

Le fenditure (121) possono essere diritte o curve ed avere tutte lo stesso spessore oppure spessori diversi. Ad esempio, l'allargamento della fenditura (121) nella porzione superiore (11) del corpo (10) riduce il campo che arriva nelle zone del collettore (111) idraulico, riducendo gli effetti di surriscaldamento della porzione superiore (11) del crogiolo (1).

In una forma realizzativa g(z,?) e ?o(z,?) sono costanti, cosicch? le fenditure (121) sono linee di spessore costante giacenti su piani perpendicolari ai piani A-A?, B-B?, C-C?, D-D?. In tale forma il corpo (10) del crogiolo ? suddiviso in una pluralit? di segmenti (14) dritti e paralleli tutti uguali tra loro. Preferibilmente, il crogiolo (1) include 10 fenditure (121) che suddividono il corpo (10) in altrettanti 10 segmenti (14) trattenuti superiormente dalla porzione superiore (11) e in parte dalla porzione mediana (12) del corpo (10).

In una ulteriore forma realizzativa le funzioni g(z) e ?o(z) hanno un andamento diverso cosicch? le fenditure (121) sono curve di spessore variabile avviluppate attorno al corpo (10) che in questo modo il corpo (10) risulta suddiviso in una pluralit? di segmenti (14) ritorti e angolati tra loro come illustra schematicamente l?unita Figura 6. Preferibilmente, il crogiolo (1) include 10 fenditure (121) come nell?altra forma realizzativa.

Come apparir? pi? chiaramente nel seguito il numero, la forma e la disposizione delle fenditure (121) come pure la conformazione dei segmenti (15) sono decisive ai fini dell?attuazione del concetto inventivo alla base del presente trovato, e sono state definite tramite un?attivit? inventiva non banale che ha comportato tra l?altro la messa a punto di una innovativa procedura di calcolo e simulazione.

Infine, nel corpo (10) del crogiolo (1) secondo il presente trovato ? definita una porzione inferiore (13) delimitata dai piani C-C? e D-D? che si raccorda con continuit? alla porzione mediana (13) unitamente alle fenditure (121). Come illustra a titolo esemplificativo e non limitativo del presente trovato l?unita Figura 1(b), detta porzione inferiore (13) presenta una forma a collo di bottiglia che definisce all?interno una regione concava (131) sul cui fondo ? presente un ugello (132).

In una forma realizzativa il rapporto di tra l'area interna corrispondente ai piani E-E? e F-F? (Figura 1b) ? di almeno 4:1. Infatti, in base alle simulazioni si pu? raggiugere un rapporto di amplificazione del campo magnetico assiale di circa 3 nella porzione inferiore (13) del corpo (10) che assicura una notevole forza di levitazione sul fuso del tutto soddisfacente nella maggior parte delle applicazioni.

Il crogiolo (1) secondo il presente trovato include un sistema di raffreddamento (20) comprendente uno scambiatore di calore (23) che si caratterizza per un?innovativa struttura costituita da un insieme, periodico o non periodico, di unit? elementari (231) interconnesse che formano una rete di percorsi (232) distribuiti in tutto il volume dei segmenti (14). All?interno di ciascun segmento (14) tale rete di percorsi (232), risulta suddivisa in uno o pi? condotti di andata (24) del sistema di raffreddamento, ed uno o pi? condotti di ritorno (25) del sistema di raffreddamento.

A sua volta, lo scambiatore di calore (23) ? fluidicamente connesso ad una pompa di ricircolo (non raffigurata) tramite un circuito formato da condotti di mandata (21) e condotti di ritorno (22) posti nel collettore (111), ai quali afferiscono, rispettivamente, gli ingressi (211) e le uscite (221) preferenziali posti sui singoli segmenti (14) del corpo (10).

I percorsi (232), che nella presente invenzione sono definiti anche ?cammini percolativi?, sono rappresentati sulla base di unit? elementari (231) interconnesse che possono essere condotti tubolari curvilinei di varia sezione, o strutture geometricamente pi? complesse come giroidi o spugne a doppio dominio. Le strutture a giroide sono l'espressione geometrica di una superficie definita ?minima?. Una superficie si definisce minima quando l?area che ? definita dal suo contorno ? la superficie minima possibile (matematicamente significa che la curvatura in ogni punto della superficie ? zero, cio? la derivata seconda ? zero).

In una forma realizzativa preferita dette strutture (231) sono condotti tubolari curvilinei a sezione costante come quelli illustrati nell?unita Figura 8.

In una forma realizzativa dette strutture (231) sono strutture a giroidi come quelle illustrate a titolo esemplificativo e non limitativo nell?unita Figura 9.

In una forma realizzativa alternativa lo scambiatore di calore (23) ? costituito da una pluralit? di domini (231) che complessivamente formano una struttura a spugna a doppio dominio. In forme realizzative ulteriori lo scambiatore di calore (23) ? costituito da una pluralit? di strutture (231) analoghe alle giroidi come catenoidi, elicoidi, superfici di Schwarz (P, D, H, CLP) i le superfici di Neovius.

Nel sistema di raffreddamento (20) secondo la presente invenzione, il fluido di raffreddamento, preferibilmente acqua, ? immesso dalla pompa di ricircolo nei condotti di mandata (21) poste nel collettore (111), passa quindi attraverso gli ingressi (211) e si distribuisce nei singoli segmenti (14) percorrendo uno o pi? percorsi (24,25,232) per poi fuoriuscire dai segmenti (14) attraverso le uscite (221) le quali infine confluiscono nei condotti di ritorno (22). Ad esempio, all?interno di un singolo segmento (14), il fluido di raffreddamento pu? fluire dall?alto verso il basso attraverso i condotti di andata (24) e risalire dal basso verso l?alto attraverso i condotti di ritorno (25). Oppure, il fluido di raffreddamento pu? fluire dall?alto verso il basso nella parte esterna dei giroidi (231) e risalire dal basso verso l?alto nella parte interna di detti giroidi (231). In ogni caso, utilizzando pompe di ricircolo e livelli di pressione standard ? possibile ottenere un flusso netto di massa di liquido refrigerante attraverso lo scambiatore di calore (23).

Questa struttura assicura un incrementato scambio termico (fino a tre volte in pi? rispetto a strutture tradizionali come tubazioni semplici) in quanto l?intera rete di percorsi (232) scambia calore con i segmenti (14). Nei crogioli di tipo noto questo non era possibile a causa delle limitazioni imposte dalle canalizzazioni di raffreddamento diritte.

Inoltre, come si spiegher? nel seguito, tali strutture possono essere prodotte con molta facilit? attraverso un procedimento di manifattura additiva in quanto per natura sono autoportanti e non necessitano di strutture di supporto.

Infine, le strutture (231) a giroide dello scambiatore di calore (23), oltre ad essere autoportanti, sono anche in grado di conferire rigidit? e resistenza alle deformazioni al componente all?interno del quale sono realizzate.

In sintesi, grazie a questa struttura possono essere vantaggiosamente realizzati crogioli (1) con un numero maggiore di fenditure (121) ed aventi il collettore del sistema di raffreddamento collocato nella porzione superiore (11) del crogiolo (1). Infatti, una pi? efficiente asportazione del calore all?esterno del crogiolo (1) ? garantita dal fatto che i percorsi (232) sono uniformemente distribuiti sull?intero volume del segmento (14) ed il fluido, pur avendo in ogni petalo (14) ingressi (211) ed uscite (221) preferenziali, ne percorre in condizioni di equilibrio una molteplicit? a condizione di scegliere e dimensionare correttamente le unit? elementari (232) interconnesse, ad esempio scegliendo una struttura per lo scambiatore di calore (23) costituita da un insieme periodico di unit? elementari (231) tutte uguali.

Al contempo, come menzionato in precedenza, questa geometria permette di liberare spazio nella porzione inferiore (13) svincolando cos? il sistema di raffreddamento (20) dalla geometria dei segmenti (14) e permettendo di impartire forme al crogiolo (1) pi? trasparenti alla radiazione elettromagnetica. Infatti, dalla descrizione fornita apparir? evidente come il circuito idraulico che distribuisce il liquido di raffreddamento ai vari segmenti del corpo (10) del crogiolo (1) ? vantaggiosamente ospitato nella porzione superiore (11) del crogiolo stesso, lasciando liberta di disegno per i petali (14) e le fenditure (121) sottostanti.

In particolare, questa struttura del corpo (10) permette di curvare i segmenti (14) in modo da avvicinarli nella parte inferiore (13). Inoltre, grazie all?innovativa tecnica di manifattura additiva, la rete di percorsi (232) del sistema di raffreddamento (20) pu? seguire il fondo concavo (131) per massimizzare lo scambio termico. Il risultato ? un corpo (10) del crogiolo (1) avente un fondo concavo (131) dotato di ugello (132) che intensifica il riscaldamento del fuso (40), la sua levitazione e manipolazione.

Al contrario, nei crogioli ?a freddo? di tipo noto i canali di raffreddamento sono necessariamente diritti e come si ? puntualizzato in precedenza questa configurazione impedisce di raffreddare efficientemente la porzione inferiore a ?calice? e conseguentemente di efficientare il trasferimento di energia elettromagnetica nel fondo del crogiolo.

Infine, il crogiolo (1) secondo il presente trovato include un induttore (30) che ? avvolto in pi? spire attorno alla lunghezza e allo sviluppo del corpo (10).

Come illustra schematicamente l?unita Figura 7 l?induttore (30) ? sagomato sulla forma del corpo (10) del crogiolo ovvero presenta una sezione (33) avente una superficie esterna (31) rotondeggiante ed una superficie interna (32) sostanzialmente piana. Tale forma ? stata appositamente messa a punto per garantire la massima trasmissione dell?energia elettromagnetica e dunque levitazione del fuso (40) e permettere cos? di avvicinare l?induttore (30) all?area del calice e dell?ugello di scarico (132) facilitando il trasferimento dell'energia elettromagnetica al metallo (40) da fondere o gi? fuso.

Processo per la realizzazione del crogiolo

Dalla descrizione fornita apparir? evidente all?esperto del ramo come la struttura di crogiolo (1) presenti una forma topologicamente complessa che non pu? essere realizzata mediante le usuali tecniche di lavorazione tradizionale a sottrazione o a fusione su stampo. Gli elementi di complessit? riguardano, in primo luogo, i segmenti (14) del crogiolo i quali presentano una rastremazione a calice con fenditure avviluppate lungo l?asse Z ed un basso spessore delle pareti (16). Un ulteriore elemento di complessit? riguarda, come detto, lo scambiatore di calore (23) del sistema di raffreddamento (20) il quale ? costituito da una pluralit? di unit? elementari interconnesse (231) ad esempio giroidi.

Di conseguenza i presenti inventori hanno definito un processo per la realizzazione del crogiolo basato sull?impiego di tecnologie di manifattura additiva. A tal proposito, si segnala che la realizzazione mediante tecniche di manifattura additiva di componenti in metallo ad alta conducibilit? termica ed elettrica, e a prova di gas e liquidi in pressione, presenta problematiche tecniche notevoli tanto che non era mai stata resa possibile fino ad ora.

Conseguentemente forma un ulteriore oggetto del presente trovato un procedimento di manifattura additiva per la realizzazione del crogiolo a freddo (1) sopra descritto. Le fasi di detto processo sono definite dalla corrispondente rivendicazione principale cui si rimanda. In una forma realizzativa la tecnologia di manifattura additiva impiegata ? la fusione laser selettiva di metalli nota nel settore con l?acronimo SLM (per ?Selective Laser Melting?), ed il metallo impiegato ? rame puro in forma polvere. In tale forma realizzativa, il rame in polvere ha una purezza superiore a 99.99 % e possiede una granulometria compresa tra 5 e 45 ?m con particelle di forma preferibilmente sferica. Tale materiale ? facilmente reperibile in commercio.

Apparecchiature SLM e rame in polvere utili allo scopo sono disponibili commercialmente e ben note all?esperto del ramo.

In forme realizzative alternative, sono impiegate tecniche di manifattura additiva diverse, come la DMLS (?Direct Metal Laser Sintering?) o la tecnologia BJ (?Binder Jetting?) a condizione che il crogiolo possa essere realizzato da polveri di rame puro.

Inoltre, in ulteriori forme realizzative del presente trovato il crogiolo (1) ? realizzato a partire da materiali in forma di polvere diversi dal rame, come argento, oro, platino e loro leghe metalliche anche refrattarie, purch? aventi elevata conducibilit? elettrica, preferibilmente superiore al 50% di quanto previsto dallo standard IACS (International Annealed Copper Standard).

Anche miscele di polveri aventi composizioni chimiche e/o granulometria possono essere utilmente impiegate.

In ogni caso, il procedimento per la realizzazione del crogiolo (1) per manifattura additiva prevede in sintesi le tre fasi di seguito descritte.

a) Definizione del modello di crogiolo.

Il procedimento secondo il trovato inizia con la definizione di un modello di crogiolo (1) in base alle caratteristiche del pezzo da fusione da produrre ed in particolare al metallo con il quale ? realizzato tramite detto crogiolo. Questa fase richiede la scelta del metallo con il quale realizzare il crogiolo, la forma e dimensione del crogiolo ed ? assistita da simulazioni al computer le quali restituiscono la forma e la dimensione pi? idonea per garantire, la corretta ed efficiente levitazione e manipolazione del particolare metallo e lega metallica oggetto della fusione.

Fissata la geometria del crogiolo, la definizione del modello prevede di identificare il sistema di raffreddamento (20) in grado di assicurare il massimo scambio termico possibile. Le strutture a giroidi (231) dello scambiatore di calore (23) sono progettate mediante un software CAD parametrico di tipo noto, il quale permette di massimizzare lo scambio termico all?interno dei segmenti (14), ad esempio variando la densit? delle giroidi o/e lo spessore delle pareti di tali strutture (e quindi alterando il rapporto volume/superficie interna), mantenendo ottimali i valori di carico del fluido refrigerante e di rigidit? e resistenza dello scambiatore di calore (23).

La fase si conclude con la produzione di un file *.stl, o in un formato equivalente, del modello del crogiolo (1). ;b) Scelta e preparazione della macchina di stampa. ;Una volta scelta la tecnologia di manifattura additiva pi? adatta in base alle scelte operate nella fase precedente, ? necessario preparare la macchina di stampa, preferibilmente di tipo SLM. La preparazione coinvolge le seguenti operazioni: il caricamento del file *.stl generato nella fase precedente; il caricamento della polvere metallica, preferibilmente di rame puro, nella macchina di stampa in base alle scelte operate nella fase a); la realizzazione del programma di stampa per la definizione dei parametri di stampa e del posizionamento dei supporti del crogiolo sulla piattaforma di stampa;

c) Realizzazione e finitura del crogiolo.

In questa fase si realizza il crogiolo (1) mediante la macchina di stampa scelta nella fase b).

Al termine della stampa, il crogiolo (1) ? sottoposto ad un trattamento termico in forno da vuoto per il rilascio delle tensioni interne. Terminato il trattamento, si rimuovono i supporti e quindi si preleva il crogiolo (1) dalla piattaforma di stampa. Il procedimento secondo il presente trovato si conclude con finitura superficiale del crogiolo (1) allo scopo di abbassare la rugosit? RA<1. In questa operazione sono utilizzate tecniche ben note all?esperto del ramo. Il procedimento cos? descritto di permette di realizzare mediante manifattura additiva SLM, un crogiolo ?a freddo? avente un volume utile anche pari a 3 litri. Il crogiolo (1) permette la microfusione in vuoto o in atmosfera inerte di leghe metalliche anche refrattarie di massa pari a 0,5 kg o superiore, che richiedono un elevato grado di purezza, maggiore di 99.99 %.

Non solo, per fusioni di limitate quantit? (?0,050 kg) il crogiolo (1) pu? essere facilmente riscalato nelle sue dimensioni lineari, data l?elevata risoluzione intrinseca della manifattura additiva SLM e DMLS che permette di realizzare dettagli ben pi? minuti rispetto alla tradizionale manifattura sottrattiva.

Tutto ci? apparir? in modo pi? chiaro dalla descrizione di tre forme di realizzazione preferita, di seguito riportate a titolo esemplificativo e non limitativo del presente trovato.

Forma realizzativa preferita

La prima forma realizzativa preferita del presente trovato si riferisce ad un crogiolo (1) avente una struttura ?a petali dritti e paralleli? come quella illustrata nell?unita Figura 1.

In particolare, tale crogiolo presenta 10 segmenti (14), una capacit? pari ad 1 litro ed ? stato realizzato mediante tecnologia di manifattura additiva SLM interamente in rame con conducibilit? IACS in un range compreso tra 98 a 100%.

In tale forma realizzativa, lo scambiatore di calore all?interno di ciascun segmento (14) presenta una rete di percorsi (232) che risulta suddivisa in uno o pi? condotti di andata (24), ed uno o pi? condotti di ritorno (25). Tali condotti (24,25) sono costituiti da canalizzazioni tubolari curvilinee realizzate raccordando con continuit? unit? elementari (231) in forma di condotti tubolari curvilinei di varia sezione. In tale forma realizzativa, i condotti di andata (24) ed i condotti di ritorno (25) sono ciascuno in numero di 10 per un totale di 20 condotti.

Con questa struttura di scambiatore di calore (23) integrato ai segmenti (14), i presenti inventori (23) hanno verificato un efficace scambio termico nonostante il limitato spessore delle pareti (16) del crogiolo (1) che ? risultato inferiore al 20% rispetto al diametro maggiore del corpo (10).

Tale crogiolo presenta un?efficienza elettromagnetica e termica superiori, anche di 3 volte, rispetto a crogioli di tipo noto aventi pari capacit? e si ? dimostrato adatto alla fusione o microfusione in vuoto, o in atmosfera inerte, di metalli puri e di leghe metalliche, anche refrattarie, con un elevato grado di purezza.

In particolare, ? stata sperimentalmente dimostrata la possibilit? di portare a fusione 0,15 kg di niobio (Tm=2477 ?C) in meno di 120 secondi con la stessa spesa energetica che era stata precedentemente stimata dalle simulazioni elettromagnetiche del crogiolo. L'energia necessaria al processo di fusione ? fornita da un generatore a induzione a media frequenza e trasmessa al fuso attraverso l?induttore (30) appositamente progettato, simulato e realizzato mediante manifattura additiva SLM.

Altre forme realizzative

Con riferimento all?unita Figura 4, la seconda forma realizzativa del presente trovato si riferisce ad un crogiolo (1) avente una struttura ?a segmenti angolati e inclinati?. Anche in questo caso, il crogiolo presenta 10 petali, una capacit? pari ad 1 litro ed ? stato realizzato mediante tecnologia di manifattura additiva SLM interamente in rame con conducibilit? IACS in un range compreso tra 98 a 100%.

Dal punto di vista sperimentale consente prestazioni del tutto simili al crogiolo della precedente forma realizzativa. Tuttavia, l?inclinazione delle fenditure rispetto alla direzione radiale, resa possibile dalla manifattura SLM, riduce di molto l?emissione di vapori dal fuso e permette di ottenere un miglior confinamento della radiazione infrarossa emessa dal fuso (40) che a sua volta determina una ulteriore riduzione dei consumi energetici, dei tempi di fusione ed una riduzione dell?evaporato metallico dal fuso alla camera contenente il crogiolo. La terza forma realizzativa si riferisce ad un crogiolo (1) avente una struttura ?a petali dritti e paralleli? che rispetto a quello della prima forma realizzativa presenta una valvola elettromagnetica (133) posta in prossimit? dell?ugello (132) presente sul fondo della regione concava (131) come illustra schematicamente l?unita Figura 4.

In pratica, la valvola elettromagnetica (133) comprende un secondo induttore la cui modulazione di potenza permette di controllare il flusso di metallo liquido (40) nel momento in cui si decida di colare il fuso in uno stampo.

Vantaggi ed applicazioni industriali

Dalla descrizione della struttura del crogiolo secondo il presente trovato, e del relativo processo realizzativo, appariranno evidenti all?esperto del ramo numerosi vantaggi.

Come detto, il notevole aumento della levitazione del fuso (40) costituisce il primo e principale effetto tecnico ed ? la conseguenza di fattori tra loro sinergici: la forma ?a calice? del corpo (10) ottimizzata elettromagneticamente; i segmenti (14) a pareti sottili; infine, un sistema di raffreddamento (20) con scambiatore integrato (23) ai segmenti (14).

A sua volta tale effetto determina i vantaggi di seguito esposti.

Un primo vantaggio ? la diminuzione della contaminazione del fuso (e quindi del prodotto da fusione), alla quale contribuisce il fatto che il crogiolo (1) non contiene materiali ceramicorefrattari trasferibili al fuso (40) o soggetti a corrosione e danneggiamenti.

Un secondo vantaggio derivante dall?aumento della levitazione ? la minor manutenzione del crogiolo. Infatti, il fuso (40) essendo in levitazione, entra in contatto con le pareti (16) fredde del crogiolo (1) solamente in alcune brevi fasi transitorie del processo di fusione. In questo modo si produce un sottile velo di metallo amorfo il quale ? facilmente rimuovibile poich? non aderisce al crogiolo (1) stesso.

Il terzo vantaggio del crogiolo (1) secondo il trovato ? rappresentato dal notevole risparmio energetico per la fusione e levitazione del fuso, rispetto ad un crogiolo a freddo di tipo tradizionale (a parit? di capacit?). Questo ? conseguenza della forma ?a calice? del crogiolo (1) ottimizzata elettromagneticamente. Infatti, incidendo sulla geometria e numero dei segmenti (14), lo spessore delle pareti dei segmenti (senza pregiudicare, anzi migliorando, la loro capacit? di raffreddamento), un materiale ad alta conducibilit? elettrica e termica per il crogiolo, ? possibile rendere estremamente efficiente la trasmissione della potenza dall'induttore (30) direttamente al fuso (40), o al metallo da portare in fusione e levitazione, con perdite resistive del crogiolo (1) notevolmente inferiori rispetto a dispositivi fusori a freddo di tipo tradizionale.

Un quarto vantaggio del presente trovato ? la capacit? di controllo elettromagnetico del fuso, principalmente legata alla forma e maggiore vicinanza dell'induttore al fuso, specialmente in prossimit? dell'ugello di scarico, che rende, rispetto a un crogiolo a freddo tradizionale, pi? efficiente ed economica la fusione e la manipolazione del getto del fuso mediante programmazione delle radiofrequenze applicate al secondo induttore.

Infine, un ulteriore vantaggio ? legato al fatto che il crogiolo secondo il trovato pu? essere realizzato mediante tecnologie di manifattura additiva affidabili sfruttando l?utilizzo di polvere metalliche di specifica granulometria, dispersione e forma. Inoltre, il ricorso alla tecnologia di manifattura additiva permette di variare il profilo, il numero, la torsione, il posizionamento delle fenditure del crogiolo e la sagomatura opportunamente arrotondata dell?ugello di efflusso del getto fuso, allo scopo di adeguare l?effetto di levitazione alle specifiche richieste del metallo o della lega metallica fondente.

I vantaggi sopra elencati sono scalabili nel senso che sono ugualmente ottenibili sia in crogioli di capacit? piccola (volumi di qualche centimetro cubico di fuso), sia in crogioli di grande capacit? (diversi litri di fuso). Questo permette, ad esempio, estrema facilit? di miniaturizzazione del crogiolo per la fusione di metalli rari ultrapreziosi.

Per questi vantaggi, il crogiolo secondo il presente trovato ed il relativo processo di realizzazione trova applicazione in svariati settori: il mercato della gioielleria per la microfusione di monili in metalli preziosi e semipreziosi quali palladio, platino, leghe di oro e argento, oppure in leghe titanio e niobio; in ambito automotive o aereospace, per la realizzazione di componenti strutturali e non in titanio e leghe di titanio esposti ad alte temperature quali valvole in alluminuro di titanio (TiAI) o palette di turbine; nel mercato biomedicale, ad esempio per la realizzazione di protesi in titanio; nel mercato Oil & Gas, per i componenti in zirconio per pompe e valvole nel mercato delle polveri metalliche per la manifattura additiva, nella produzione di polveri di leghe reattive; oppure, nel mercato sportivo, ad esempio per la realizzazione di teste in titanio (o in altre leghe metalliche) di mazze da golf.

Apparir? evidente all?esperto nell?arte come il crogiolo qui descritto porti a soluzione il compito e gli scopi preposti, e presenti caratteristiche fortemente innovative che costituiscono un significativo avanzamento nel contesto specifico.

Tali caratteristiche sono state definite dai presenti inventori attraverso uno sforzo inventivo non banale. A questo proposito, si pu? affermare che il concetto inventivo alla base del presente trovato derivi dall?unione di distinti domini tecnologici: il primo riguarda la tecnologia di fusione mediante crogioli del tipo a freddo, mentre il secondo la manifattura additiva. Tuttavia, non sfuggir? all?esperto del ramo come la concreta attuazione di tale concetto inventivo ha portato a definire una nuova struttura di crogiolo del tipo ?a freddo? che non ? banalmente ottenibile dalla semplice giustapposizione dei due domini di conoscenza. Al contrario ? il risultato di nuovi studi e progettazioni avanzate e di un know-how trasversale di elettromagnetismo, termodinamico e di scienza dei materiali avvalendosi anche di simulazioni elettromagnetiche del sistema fuso-crogiolo-induttore-generatore.

In particolare, i presenti inventori hanno dovuto superare problematiche tecniche non banali per l?esperto del ramo, quali la conformazione spaziale, il numero dei segmenti del crogiolo e la conformazione interna dei cammini percolativi i quali sono il risultato di studi e progettazioni avanzate che non erano note fino ad ora, perch? concepite con un nuovo paradigma costruttivo (la manifattura additiva) e sfruttando un know-how trasversale di elettromagnetismo, termodinamica e di scienza dei materiali avvalendosi anche di simulazioni elettromagnetiche del sistema fuso-crogiolo-induttore-generatore.

La descrizione delle forme realizzative qui riportate ? da considerarsi a titolo esemplificativo e non limitativo del presente trovato. Infatti, apparir? evidente come numerose varianti siano possibili, tutte rientranti nell?ambito generale del concetto inventivo.

Sebbene la descrizione e gli esempi forniti contengano molti dettagli, questi non devono essere interpretati come limitativi dell?ambito dell'invenzione, ma semplicemente come illustrazioni esemplificative di alcune forme realizzative della presente invenzione. Pertanto, qualsiasi modifica della presente invenzione che rientra nello scopo e nell'ambito delle rivendicazioni che seguono ? considerata parte della presente invenzione.

Ove le caratteristiche e le tecniche menzionate in qualsiasi rivendicazione siano seguite da segni di riferimento, tali segni di riferimento sono stati apposti al solo scopo di aumentare l'intelligibilit? delle rivendicazioni e di conseguenza tali segni di riferimento non hanno alcun effetto limitante sull'interpretazione di ciascun elemento identificato a titolo di esempio da tali segni di riferimento.

Claims (18)

Rivendicazioni

1) Un crogiolo (1) per la fusione di metalli del tipo ?a freddo? comprendente:

- un corpo (10) in metallo avente pareti (16) che definiscono un volume interno (106) all?interno del quale ? accolto un materiale (40), dove dette pareti (16) sono suddivise in segmenti (15) da una pluralit? di fenditure (121);

- un induttore (30) avvolto attorno a detto corpo (10) configurato in modo da portare a fusione detto materiale (40);

- un sistema di raffreddamento (20) per detto corpo (10) configurato per mantenere in circolazione un fluido tra uno o pi? condotti di mandata (21) ed uno o pi? condotti di ritorno (22),

detto crogiolo (1) essendo caratterizzato dal fatto che detto sistema di raffreddamento (20) include uno scambiatore di calore (23) integrato all?interno del volume di detti segmenti (15), dove detto scambiatore di calore (23) ? costituito da una pluralit? di strutture (231) le quali sono fluidicamente connesse tra loro e sono fluidicamente connesse a detti uno pi? ingressi (21) e a dette una o pi? uscite (22), cosicch? detto fluido pu? circolare all'interno dello scambiatore di calore (23) lungo uno o pi? passaggi (232) che si estendono tra detti uno pi? ingressi (21) e dette una o pi? uscite (22), con un flusso netto di massa tra detti uno pi? ingressi (21) e dette una o pi? uscite (22), detto crogiolo (1) essendo ulteriormente caratterizzato dal fatto che detto scambiatore di calore (23) ? ottenuto mediante una tecnica di manifattura additiva.

2) Crogiolo (1) secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto corpo (10) oppure detto induttore (30) sono ottenuti mediante una tecnica di manifattura additiva.

3) Crogiolo (1) secondo la rivendicazione 1 o 2 nel quale detto corpo (10) presenta simmetria cilindrica ed ha una forma cilindrica oppure una forma a calice.

4) Crogiolo (1) secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni nel quale dette pareti (16) hanno uno spessore inferiore al 20%, preferibilmente 15%, ancor pi? preferibilmente inferiore al 10% rispetto al diametro maggiore del corpo (10) di detto crogiolo (1).

5) Crogiolo (1) secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni nel quale dette pareti (16) sono curve oppure almeno parzialmente curve.

6) Crogiolo (1) secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni, nel quale detti uno o pi? condotti di mandata (21) e detti uno o pi? condotti di ritorno (22) sono collocati nella porzione superiore (11) di detto corpo (10).

7) Crogiolo (1) secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni, nel quale il numero di segmenti (15) ? compreso tra 4 e 20.

8) Crogiolo (1) secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni, nel quale dette fenditure (121) sono del tipo scelto tra: a facce parallele, a facce convergenti, a facce parallele ruotate, radiali, inclinate, o una loro combinazione.

9) Crogiolo (1) secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni, nel quale dette strutture interconnesse (231) sono selezionate dal gruppo consistente di: canali a sezione costante o variabile, giroidi, catenoidi, elicoidi, superfici di Schwarz, superfici di Neovius, strutture a spugna a doppio dominio, strutture a superficie minima, o una loro combinazione.

10) Crogiolo (1) secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni, nel quale:

- dette strutture interconnesse (231) sono elementi di condotti tubolari curvilinei, preferibilmente a sezione costante; e

- all?interno di ciascun segmento (14), detta rete di percorsi (232) del sistema di raffreddamento (20) risulta suddivisa in uno o pi? condotti di andata (24) ed uno o pi? condotti di ritorno (25).

11) Crogiolo (1) secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni, nel quale detto induttore (30) ha una forma che segue lo sviluppo di detto corpo (10), detta forma avente una sezione asimmetrica costituita da una prima sezione circolare e da una seconda sezione spianata.

12) Crogiolo (1) secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni, nel quale detto metallo ? scelto tra: rame, oro, platino, rodio, palladio, argento, metalli ultrapreziosi, leghe refrattarie, leghe non refrattarie, metalli e leghe aventi punto di fusione superiore a circa 1500 ?C, una combinazione di tali metalli e leghe.

13) Crogiolo (1) secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni avente una capacit? fusoria maggiore del 25%, preferibilmente maggiore del 50%, rispetto ad un crogiolo tradizionale a parit? di energia utilizzata.

14) Crogiolo (1) secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni, nel quale detta tecnica di manifattura additiva ? selezionata dal gruppo consistente di: Selective Laser Melting (SLM), Direct Metal Laser Sintering (DMLS), Binder Jetting (BJ), o una loro combinazione.

15) Crogiolo (1) secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni che ulteriormente comprende un ugello (132) posizionato sul fondo di detto corpo (10) per lo scarico di detto materiale (40) quando raggiunge lo stato liquido, detto ugello (132) il quale pu? essere aperto o chiuso tramite l?applicazione di un segnale mediante un secondo induttore (133).

16) Procedimento per la realizzazione del crogiolo secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni da 1 a 15, comprendente le seguenti fasi:

a) definizione di un modello digitale del crogiolo (1), ed in particolare dello scambiatore di calore (23), operando simulazioni in modo da ottimizzare uno o pi? parametri comprendenti: la capacit? del crogiolo (1), il punto di fusione del materiale (40), la forza di levitazione agente sul materiale (40), l'intensit? massima del campo di induzione fissate le caratteristiche dell?induttore (30) e della corrente applicata, la stabilita della posizione del fuso;

b) caricamento di detto modello digitale su una macchina per manifattura additiva e scelta di un materiale ad alta conducibilit? elettrica e termica per la realizzazione di detto crogiolo, detto materiale essendo preferibilmente in polvere;

c) mediante la tecnica di manifattura additiva scelta nella precedente fase b), realizzazione, di uno o pi? componenti di detto crogiolo (1) scelti tra: il corpo (10), il sistema di raffreddamento (20), l?induttore (30);

d) opzionalmente, sottoporre a finitura detti uno o pi? componenti (10,20,30) realizzati nella precedente fase c).

17) Procedimento per la realizzazione del crogiolo secondo la rivendicazione 16 nel quale detti corpo (10) e induttore (30) sono realizzati come parti distinte e successivamente assemblate o, alternativamente, sono realizzati assieme mediante una tecnica di manifattura additiva.

18) Procedimento per la manipolazione del getto del fuso comprendente.

a) ottenere un crogiolo (1) secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni da 1 a 15;

b) mediante detto crogiolo (1) portare a fusione un materiale (40) in modo da ottenere un fuso;

c) programmare un primo segnale, preferibilmente in radiofrequenza, da applicare a detto secondo induttore (133) in modo da determinare l?apertura di detto ugello (132) e colare una quantit? desiderata di fuso in un dato momento;

d) opzionalmente, applicare un secondo segnale a detto secondo induttore (133) in modo da determinare la chiusura di detto ugello (132).