ITUB20155122A1 - Metodo di fabbricazione di una anima ceramica a perdere destinata a venire impiegata all'interno di uno stampo in un processo di colata o di stampaggio ad iniezione per la produzione di un corpo cavo monolitico - Google Patents

Metodo di fabbricazione di una anima ceramica a perdere destinata a venire impiegata all'interno di uno stampo in un processo di colata o di stampaggio ad iniezione per la produzione di un corpo cavo monolitico Download PDF

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Anna Lisa Calzolaro
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Description

D E S C R I Z IO N E
"METODO DI FABBRICAZIONE DI UNA ANIMA CERAMICA A PERDERE DESTINATA A VENIRE IMPIEGATA ALL'INTERNO DI UNO STAMPO IN UN PROCESSO DI COLATA 0 DI STAMPAGGIO AD INIEZIONE PER LA PRODUZIONE DI UN CORPO CAVO MONOLITICO"
SETTORE DELLA TECNICA
La presente invenzione è relativa ad un metodo di fabbricazione di una anima ceramica a perdere destinata a venire impiegata all'interno di uno stampo in un processo di colata o di stampaggio ad iniezione per la produzione di un corpo cavo monolitico. Con il termine "colata" si intendono i processi di colata in alta pressione ("pressocolata"), i processi di colata in bassa pressione (indicativamente 1-2 bar) e i processi di colata in gravità (comprendenti i processi di colata con stampo in sabbia ed i processi di colata con stampo metallico o "conchiglia").
La presente invenzione trova vantaggiosa applicazione nella realizzazione di manufatti per utilizzo nel settore automotive, cui la trattazione che segue farà esplicito riferimento senza per questo perdere di generalità.
ARTE ANTERIORE
Sono noti i vantaggi derivanti dalla realizzazione di manufatti in leghe metalliche mediante pressocolata o in materiale polimerico mediante stampaggio a iniezione.
Tali processi consentono elevate produttività industriali determinate da minimi tempi del ciclo di formatura, la realizzazione di spessori sottili (2-3 mm) e l'ottenimento di forme finite ("net-shape" o "near-netshape") per effetto di iniezioni sotto pressione in stampi metallici; in sostanza, tali processi consentono di realizzare manufatti a basso costo per produzioni di massa e di comune impiego nel settore automotive.
Esistono, tuttavia, limiti significativi legati ai processi di fabbricazione dei manufatti per i quali siano richieste forme cave e geometricamente complesse: limiti rappresentati dall'esigenza di dover impiegare anime esclusivamente metalliche le quali, dovendo essere vincolate allo stampo, necessitano di essere estratte per sfilamento dal manufatto prima della sformatura del pezzo. Tali anime, pertanto, per necessità stessa della loro estraibilità, non possono consentire la realizzazione di sottosquadri e così, in definitiva, viene significativamente penalizzata la flessibilità di progettazione in termini di configurazione geometrica interna dei pezzi da realizzare. L'impiego di anime metalliche è necessario in processi di colata sotto pressione in quanto sono richieste elevate resistenze meccaniche per sopportare le forti sollecitazioni esercitate dai metalli liquidi o dai tecnopolimeri durante le fasi di riempimento stampo e le notevoli pressioni dì compattazione (500-1500 bar) durante la solidificazione del pezzo.
L'ottenimento di corpi monolitici cavi in materiale metallico è comunque praticabile con tecniche di fusione che non richiedano alte pressione di formatura, quali ad esempio la colata in gravità, e che consentano, data la mancanza di particolari sollecitazioni in fase di fusione, 1'impiego di anime in sabbia che possono essere rimosse dal getto successivamente alla fase di sformatura del pezzo dallo stampo con metodologie note e convenzionali di rimozione termica, meccanica e/o chimica. Ovviamente, però, nel caso di tali tecniche fusorie, i componenti realizzati perdono i vantaggi, descritti precedentemente, derivanti dall'impiego di elevate pressioni di formatura, soprattutto in termini di peso (lo spessore minimo delle pareti è di 5 mm) e di costo (a causa del notevole allungamento dei tempi di produzione).
Nel caso dei materiali polimerici sono note tecniche in grado di consentire la realizzazione di corpi monolitici cavi (anche in presenza di elevate pressioni di stampaggio) mediante, ad esempio, l'impiego di anime metalliche fusibili: in questo caso, però, i proibitivi costi industriali della tecnologia hanno di fatto impedito uno sviluppo industriale di massa.
Negli ultimi anni, nel settore automotive, sono stati superati alcuni dei limiti sopra citati: sono state infatti sviluppate soluzioni in alluminio pressocolato basate sulla produzione di getti caratterizzati da sottosquadri realizzati mediante anime in materiale refrattario di sufficiente resistenza meccanica (prodotte ad esempio con tecnologia "shell-moulding") in grado di resistere adeguatamente alle tensioni esercitate dal metallo fuso durante il processo di formatura dei getti. Ciò è stato reso possibile, peraltro, con l'oneroso utilizzo di particolari procedimenti di colata in fase semi-solida (denominati "rheocasting") che consentono l'iniezione del metallo fuso a basse velocità riducendo in tal modo in maniera significativa gli sforzi tensionali in gioco.
I valori di resistenza meccanica delle anime impiegate, pur se sufficientemente adeguati in riferimento ad alcune applicazioni specifiche, sono comunque generalmente limitati (al massimo 10-15 MPa) e, conseguentemente, risultano comunque vincolate le condizioni di riempimento stampo (in termini di posizionamento degli attacchi di colata e di parametri di iniezione) per non compromettere la stabilità strutturale delle anime stesse.
Le modalità di consolidamento di tali anime sono basate sull'impiego di leganti organici o inorganici i quali, sotto l'azione della temperatura, permettono la coesione delle polveri refrattarie alle quali vengono miscelati. Questi leganti, secondo le varie tecnologie in uso, possono essere aggiunti separatamente al materiale refrattario o possono costituirne parte integrante (polveri prerivestite) : in ogni caso i legami risultano relativamente deboli e, di conseguenza, le caratteristiche meccaniche delle anime non possono risultare particolarmente performanti e pertanto non adatte per tutte le applicazioni.
In aggiunta, i leganti organici durante la colata formano dei gas che devono essere adeguatamente evacuati per evitare che rimanendo intrappolati all'interno dello stampo determinino la formazione nel metallo di porosità indesiderate; inoltre, i leganti organici presentano un impatto ambientale abbastanza rilevante e, peraltro, non sono solubili in acqua (a differenza dei legati inorganici) e la rimozione delle corrispondenti anime richiede il trattamento termico dei getti o una energetica azione meccanica di martellamento sui getti stessi. Le anime impieganti leganti inorganici, a differenza delle anime impieganti leganti organici, hanno il vantaggio di non sviluppare residui gassosi in fase di fusione; tuttavia tali anime impieganti leganti inorganici vengono realizzate soltanto piene mediante processi (ad esempio il cosiddetto "hot box") che non consentono l'ottenimento di anime a guscio.
Il brevetto US5387280A1 descrive l'utilizzo di una anima ceramica a perdere per un processo di colata di tipo ''investment casting"; l'anima ceramica comprende una elevata percentuale (tra il 20% ed il 50% in peso) di legante borato solubile in acido e quindi per la rimozione dell'anima ceramica dopo la formazione del pezzo si utilizzano acidi. Tuttavia, l'utilizzo di acidi per la rimozione delle anime presenta un impatto ambientale non trascurabile, particolarmente quando viene prodotto un elevato numero di pezzi come accade nel settore automotive (in cui non è infrequente la realizzazione di più milioni di pezzi ogni anno).
Le domande di brevetto JP06Q23505A e EP1293276A2 descrivono l'utilizzo di anime ceramiche sinterizzate a perdere in processi di colata; tuttavia, le anime ceramiche realizzate secondo tali domande di brevetto sono normalmente di complessa, e quindi costosa, rimozione.
Il brevetto US3688832A1 descrive l'utilizzo di anime ceramiche a perdere in processi di colata; per irrobustire ed indurire le anime ceramiche (quindi per potere utilizzare tali anime ceramiche in processi di pressocolata) e nello stesso tempo permettere una semplice rimozione delle anime ceramiche dal pezzo finito dopo il processo di colata, le anime ceramiche vengono preventivamente impregnate con una miscela calda di almeno un composto organico che presenta un temperatura di fusione non inferiore a 77°C, presenta la capacità di venire fuso fino allo stato liquido e quindi risolidificare in seguito a raffreddamento, presenta una densità di almeno 1 grammo per millilitro, e volatilizza (vaporizza) quando riscaldato oltre la temperatura di fusione. Prima di utilizzare le anime ceramiche nel processo di colata, le anime ceramiche vengono riscaldate per volatilizzare 1'impregnate organico attraverso i pori della ceramica. Tuttavia, l'impiego di composti organici per impregnare preventivamente le anime ceramiche aumenta considerevolmente 1'impatto ambientale del processo in quanto tali composti organici sono molto inquinanti. Inoltre, le anime ceramiche devono venire riscaldate per volatilizzare 1'impregnate organico in un ambiente sigillato che permetta il recupero di tutti i fumi che devono venire successivamente trattati in modo adeguato e non dispersi in atmosfera con un impatto rilevante sul costo complessivo del processo. Nelle anime ceramiche può rimanere dell' impregnante organico che volatilizza all'interno dello stampo generando gas che possono determinare la formazione nel metallo di porosità indesiderate. Inoltre, le anime ceramiche realizzate in questo modo presentano una elevata porosità superficiale e quindi il metallo fuso che viene alimentato in pressione nello stampo tende a penetrare molto all'interno dell'anima ceramica (anche fino a 1-1.5 mm); questo è molto negativo in quanto rende più complessa la rimozione dell'anima ceramica dall'interno del pezzo metallico e rende molto più rugosa la superficie del pezzo metallico che è stata a contatto dell'anima ceramica.
La domanda di brevetto W02011061593A1 descrive l'utilizzo di anime ceramiche a perdere in processi di colata. Preliminarmente vengono stimate le sollecitazioni meccaniche sull'anima ceramica durante la manipolazione dell'anima stessa e durante l'alimentazione all'interno dello stampo del materiale fuso; successivamente, viene stabilita una temperatura di cottura dell'anima ceramica verde che permette di conferire all'anima ceramica una resistenza meccanica solo leggermente superiore alle massime sollecitazioni meccaniche sull'anima ceramica durante la manipolazione dell'anima stessa e durante l'alimentazione all'interno dello stampo del materiale fuso. In questo modo, la successiva distruzione e rimozione dell'anima ceramica dal corpo cavo finito risulta relativamente semplice e può avvenire sia rapidamente, sia senza correre il rischio di danneggiare il corpo cavo.
La domanda di brevetto W02011061593A1 suggerisce di formare l'anima ceramica verde mediante un procedimento di ''slip-casting" alimentando una barbottina (ovvero una soluzione acquosa di polvere di materiale ceramico) in pressione all'interno di uno stampo poroso che riproduce in negativo la forma esterna dell'anima ceramica stessa. Inoltre, la domanda di brevetto W02011061593A1 suggerisce di utilizzare un materiale ceramico costituito dal 45% al 55% di quarzo, dal 20% al 25% di argilla, e dal 25% al 30% di caolino. Tuttavia, è stato osservato che il processo di fabbricazione della anime ceramiche suggerito nella domanda di brevetto W02011061593A1 non è particolarmente efficiente ed efficace, in quanto al termine della cottura un numero rilevante (anche più del 20-30%) di anime ceramiche deve venire scartato per il mancato rispetto delle dimensioni desiderate (ovvero le anime ceramiche presentano dimensioni effettive significativamente diverse rispetto alle dimensioni desiderate e quindi non permettono di realizzare il corpo cavo monolitico con la necessaria precisione).
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE
Scopo della presente invenzione è di fornire un metodo di fabbricazione di una anima ceramica a perdere destinata a venire impiegata all'interno di uno stampo in un processo di colata o di stampaggio ad iniezione per la produzione di un corpo cavo monolitico, il quale metodo di fabbricazione sia più efficiente e più efficace e, nel contempo, sia di facile ed economica implementazione.
Secondo la presente invenzione viene fornito un metodo di fabbricazione di una anima ceramica a perdere destinata a venire impiegata all'interno di uno stampo in un processo di colata o di stampaggio ad iniezione per la produzione di un corpo cavo monolitico, secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:
• la figura 1 è una vista schematica di un corpo cavo monolitico, in particolare di un blocco motore di un motore a combustione interna;
• la figura 2 è una vista schematica e prospettica di una anima ceramica che è fabbricata secondo il metodo di fabbricazione della presente invenzione ed è utilizzata nella realizzazione del corpo cavo monolitico della figura 1;
• la figura 3 è una vista schematica di uno stampo utilizzato nella realizzazione del corpo cavo monolitico della figura 1; e
• la figura 4 è una vista schematica e con l'asportazione di particolari per chiarezza di un impianto di produzione dell'anima ceramica della figura 2.
FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL'INVENZIONE
Nella figura 1, con il numero 1 è indicato nel suo complesso un corpo cavo monolitico, in particolare un blocco motore di un motore a combustione interna realizzato in una lega di alluminio pressofuso.
Il processo di fabbricazione del corpo 1 cavo prevede di realizzare almeno una anima 2 ceramica a perdere (illustrata nella figura 2) che riproduce la forma di almeno una cavità 3 interna del corpo 1 cavo monolitico, di inserire l'anima 2 ceramica all'interno di uno stampo 4 (illustrato nella figura 3) che riproduce in negativo la forma esterna del corpo 1 cavo, di alimentare (colare) all'interno dello stampo 4 una lega di alluminio fusa mediante un processo di pressocolata, di lasciare solidificare la lega di alluminio all'interno dello stampo 4, di estrarre il corpo 1 cavo dallo stampo 4 aprendo lo stampo 4 stesso, ed infine di distruggere e rimuovere 1'anima 2 ceramica che si trova all'interno del corpo 1 cavo .
Quando il corpo 1 cavo è realizzato utilizzando del materiale metallico, l'alimentazione del materiale metallico fuso all'interno dello stampo 4 prevede di utilizzare un processo di colata (che può essere, ad esempio, una colata in conchiglia in gravità oppure una pressocolata) . Invece, quando il corpo 1 cavo è realizzato utilizzando del materiale plastico polimerico (tipicamente tecnopolimeri), l'alimentazione del materiale plastico polimerico fuso all'interno dello stampo 4 prevede di utilizzare un processo di stampaggio ad iniezione.
Preferibilmente, la distruzione e quindi la successiva rimozione dell'anima 2 ceramica dall'interno del corpo 1 cavo prevede di utilizzare metodologie meccaniche note (tipicamente mediante getti di acqua ad alta pressione) eventualmente combinata con metodologie chimiche note (lisciviazione chimica) che vengono applicate alla fine per una pulizia fine del corpo 1 cavo.
Nella figura 4 è illustrato schematicamente un impianto 5 di produzione dell'anima 2 ceramica. Inizialmente, l'anima 2 ceramica verde viene formata mediante un processo di pressatura a secco ("drypressing"), ovvero in uno stampo 6 di pressatura a secco di acciaio viene progressivamente depositata una polvere di materiale ceramico che viene quindi pressata senza l'aggiunta di solventi (ad esempio di acqua). Secondo una preferita forma di attuazione, il materiale ceramico in polvere utilizzato per formare l'anima 2 ceramica verde è costituito di polvere sferica, ovvero di polvere le cui particelle presentano una forma sostanzialmente sferica; in questo modo, il materiale ceramico in polvere scorre meglio all'interno dello stampo 6 di pressatura a secco e quindi permette di ottenere un riempimento più completo ed uniforme dello stampo 6 di pressatura a secco stesso (a tutto vantaggio della qualità del componente finale). Secondo una preferita forma di attuazione, il materiale ceramico in polvere sferica viene formato mediante un atomizzazione di una sospensione liquida ottenuta sciogliendo in acqua i componenti del materiale ceramico.
Una volta che l'anima 2 ceramica verde è stata formata nello stampo 6 di pressatura a secco stesso, lo stampo 6 di pressatura a secco stesso viene aperto e l'anima 2 ceramica verde viene trasferita in un forno 7 per subire un trattamento termico che determina una sinterizzazione parziale dell'anima 2 ceramica. E' importante osservare che quando viene estratta dallo stampo 6 di pressatura a secco l'anima 2 ceramica verde possiede delle caratteristiche meccaniche minimali normalmente sufficienti solo a gestire le operazioni di manipolazione ("handling") per l'alimentazione al forno 7. Il trattamento termico (cioè il riscaldamento) che avviene nel forno 7 conferisce all'anima 2 ceramica le caratteristiche meccaniche finali per l'utilizzo all'interno dello stampo 4 attraverso una sinterizzazione parziale dell'anima 2 ceramica.
Secondo una preferita forma di attuazione, dopo il processo di riscaldamento nel forno 7 sull'anima 2 ceramica cotta viene spruzzata una sostanza di rivestimento, in particolare Nitruro di Boro (formula chimica BN) in soluzione acquosa per depositare sulla superficie esterna dell'anima 2 ceramica uno strato sottile (ovvero una patina indicativamente dello spessore di qualche decina di micron) di Nitruro di Boro (ovvero della sostanza di rivestimento). La funzione dello strato esterno di Nitruro di Boro (ovvero della sostanza di rivestimento) è di creare una protezione che impedisca al materiale metallico fuso liquido all'interno dello stampo 4 di penetrare nelle porosità dell'anima 2 ceramica formando uno strato composito ceramica-metallo (denominato in gergo "cermet") che è molto difficile da eliminare completamente durante il processo di sterratura (ovvero di rimozione dell'anima 4 ceramica dall'interno del corpo 1 cavo finito). In altre parole, 1'anima 2 ceramica presenta una certa porosità superficiale (dell'ordine del 15-20%) che permette al materiale metallico fuso liquido di penetrare all'interno dell'anima 2 ceramica stessa; lo strato esterno di Nitruro di Boro (ovvero della sostanza di rivestimento) riempie le porosità residue dell'anima 2 ceramica in modo tale da impedire che il materiale metallico fuso liquido possa infiltrarsi sulla parte superficiale dell'anima 2 ceramica stessa (fino a profondità di 0.8 rum) durante la fase di compattazione del corpo 1 cavo alla fine del riempimento dello stampo 4. Questo permette di agevolare le successive operazioni di sterratura (cioè di rimozione dell'anima 2 ceramica dall'interno del pezzo 1 cavo) e di migliorare le caratteristiche superficiali dell'interfaccia metallica dopo la rimozione dell'anima 2 ceramica. Dopo l'applicazione, generalmente, si attende che la soluzione acquosa di Nitruro di Boro depositata sulla superficie esterna dell'anima 2 ceramica si asciughi completamente prima di utilizzare l'anima 2 ceramica inserendo l'anima 2 ceramica stesso nello stampo 4; per velocizzare l'asciugatura dello soluzione acquosa di Nitruro di Boro è possibile passare l'anima 2 ceramica in un forno di asciugatura (ad una temperatura di asciugatura di 200-300 °C). E' anche possibile depositare in successione più strati di Nitruro di Boro (ovvero della sostanza di rivestimento), ad esempio due o tre strati successivi.
Vengono preventivamente stimate le sollecitazioni meccaniche sull'anima 2 ceramica durante la manipolazione dell'anima 2 stessa (cioè durante il trasferimento dell'anima 2 dal forno 7 all'interno dello stampo 4) e durante l'alimentazione all'interno dello stampo 4 del materiale fuso (cioè della lega di alluminio fusa). Ovviamente, in caso di colata in conchiglia in gravità le sollecitazioni meccaniche sull'anima 2 ceramica durante l'alimentazione all'interno dello stampo 4 del materiale fuso sono contenute e quindi potenzialmente minori delle sollecitazioni meccaniche sull'anima 2 ceramica durante la manipolazione dell'anima 2 stessa; è importante ricordare che l'anima 2 ceramica è molto resistente alla compressione, ma anche molto ''fragile", cioè difficilmente si rompe se compressa ma può facilmente frantumarsi in caso di urti anche lievi (particolarmente quando l'anima 2 ceramica ha una forma complessa con appendici sporgenti di piccola dimensione). Invece, in caso di colata in pressione (cioè di pressocolata) con pressione elevate le sollecitazioni meccaniche sull'anima 2 ceramica durante 1'alimentazione all'interno dello stampo 4 del materiale fuso sono sempre superiori alle sollecitazioni meccaniche sull'anima 2 ceramica durante la manipolazione dell'anima 2 stessa.
Le sollecitazioni meccaniche sull'anima 2 ceramica durante la manipolazione dell'anima 2 stessa vengono preferibilmente stimate sperimentalmente; le sollecitazioni meccaniche sull'anima 2 ceramica durante la manipolazione dell'anima 2 stessa sono costanti e ripetibili (il procedimento di manipolazione è standard), quindi facilmente e rapidamente stimabili mediante prove sperimentali.
Le sollecitazioni meccaniche sull'anima 2 ceramica durante l'alimentazione all'interno dello stampo 4 del materiale fuso vengono preferibilmente stimate mediante metodologie di calcolo numerico che prevedono una analisi agli elementi finiti che permette di ottenere una simulazione del processo di colata; per eseguire le metodologie di calcolo numerico è ad esempio possibile utilizzare il software disponibile in commercio con la denominazione "PROCAST" (™ di ESI Group) e distribuito dall'azienda ESI Group (http://www.esigroup.com/products/casting/procast). E' importante osservare che la stima delle sollecitazioni meccaniche sull'anima 2 ceramica durante l'alimentazione all'interno dello stampo 4 del materiale fuso fornita dalle metodologie di calcolo numerico può venire confermata ed affinata anche mediante prove sperimentali.
Una volta stimate le sollecitazioni meccaniche sull'anima 2 ceramica durante la manipolazione dell'anima 2 stessa e durante l'alimentazione all'interno dello stampo 4 del materiale fuso (cioè della lega di alluminio fusa), viene stabilita una temperatura di cottura dell'anima 2 ceramica verde che permette di ottenere una sinterizzazione parziale dell'anima 2 ceramica stessa per conferire all'anima 2 ceramica una resistenza meccanica sostanzialmente uguale alle massime sollecitazioni meccaniche sull'anima 2 ceramica durante la manipolazione dell'anima 2 stessa e durante l'alimentazione all'interno dello stampo 4 del materiale fuso. Infine, l'anima 2 ceramica verde viene riscaldata nel formo 7 ad una temperatura pari alla temperatura di cottura stabilita in precedenza.
La temperatura di cottura è superiore ad una soglia di sinterizzazione e quindi la cottura nel forno 7 determina una sinterizzazione parziale dell' anima 2 ceramica verde; i meccanismi di sinterizzazione che avvengono nel forno 7 determinano la saldatura per diffusione delle singole particelle di materiale ceramico costituenti l'anima 2 ceramica e conferiscono alla ceramica una elevata resistenza meccanica. E' importante sottolineare che la sinterizzazione dell'anima 2 ceramica verde è parziale, cioè non interessa completamente il materiale ceramico ma solo una parte del materiale ceramico stesso (tanto maggiore è la temperatura di cottura, tanto più grande è la percentuale del materiale ceramico che viene sinterizzata).
In una fase preliminare di studio è necessario determinare come varia la resistenza meccanica (in particolare la resistenza a flessione misurata in MPa) dell'anima 2 ceramica al variare della temperatura di cottura. Operativamente, si procede in modo sperimentale definendo inizialmente la composizione chimica della miscela ceramica e quindi producendo dei provini per l'esecuzione di prove meccaniche; quindi i diversi provini vengono sottoposti a differenti temperature di cottura per individuarne la correlazione con le caratteristiche meccaniche a flessione.
In accordo con la presente invenzione, il materiale ceramico utilizzato per realizzare 1'anima 2 ceramica verde comprende i seguenti componenti: silice - Si02 - dal 50,0% al 56,0% in peso, allumina - A1203 - dal 37,0% al 44% in peso, e ossido di potassio - K20 - dal 1,8 % al 2,2% in peso.
Secondo una possibile (ma non vincolante) forma di attuazione l'anima 2 ceramica verde potrebbe comprendere ossido di ferro - Fe203 - dal 1,0% al 1,2% in peso. Secondo una possibile (ma non vincolante) forma di attuazione l'anima 2 ceramica verde potrebbe comprendere biossido di titanio - Ti02 - inferiore a 1% in peso. Secondo una possibile (ma non vincolante) forma di attuazione l'anima 2 ceramica verde potrebbe comprendere ossido di calcio - CaO - inferiore a 1% in peso. Secondo una possibile (ma non vincolante) forma di attuazione l'anima 2 ceramica verde potrebbe comprendere ossido di magnesio - MgO - inferiore a 1% in peso. Secondo una possibile (ma non vincolante) forma di attuazione l'anima 2 ceramica verde potrebbe comprendere biossido di sodio - Na20 - inferiore a 0,1% in peso.
E' importante sottolineare che per la formazione dell'anima 2 ceramica verde non viene utilizzato alcun tipo di legante organico o inorganico e non viene utilizzato alcun tipo di impregnante organico o inorganico (in rari casi viene eseguita l'impregnazione con intonaco refrattario che un impregnante inorganico solo dopo la cottura e quindi quando l'anima 2 ceramica non è più verde); in questo modo l'intero processo di fusione presenta un impatto ambientale molto contenuto (gli unici scarti del processo fusione sono costituiti dalla polvere ceramica (che è completamente inerte) generata dalla distruzione meccanica dell'anima 2 ceramica.
La temperatura di cottura è compresa tra 900°C e 960°C e preferibilmente è compresa tra 910°C e 950°C; alla temperatura di 910 °C il materiale ceramico della presente invenzione raggiunge una resistenza a flessione di circa 13 Mpa che è generalmente il minimo indispensabile per garantire l'integrità dell'anima 2 ceramica durante l'intero processo di fabbricazione del corpo 1 cavo, mentre alla temperatura di 950 °C il materiale ceramico della presente invenzione raggiunge una resistenza a flessione di circa 17 MPa che è generalmente il massimo per garantire la possibilità di rimozione dell'anima 2 ceramica con getti di acqua in alta pressione aventi pressioni (circa 450-500 bar) che non danneggino il corpo 1 cavo.
Il materiale ceramico della presente invenzione raggiunge una completa sinterizzazione (ovvero viene sinterizzato il 100% del materiale ceramico, la cosiddetta sinterizzazione "full-density") ad una temperatura di circa 1250 °C; quindi le temperature di cottura di 910-950 °C a cui viene cotta l'anima 2 ceramica sono ampiamente al di sotto della temperatura di completa sinterizzazione.
E' molto importante osservare che nell'intervallo di temperatura di cottura sopra indicato (ovvero tra 900°C e 960°C e preferibilmente tra 910°C e 950°C), il materiale ceramico della presente invenzione presenta una sinterizzazione parziale relativamente modesta (ovvero che interessa una parte limitata del materiale ceramico) che non origina nell'anima 2 ceramica alcun ritiro dimensionale dovuto al processo di sinterizzazione. Questo fatto è particolarmente rilevante in quanto permette di ottenere anime 2 ceramiche con ritiri dimensionali praticamente nulli e quindi aventi dimensioni tutte uguali (e pari alle dimensioni desiderate), ovvero permette di annullare sostanzialmente la difettosità nella fabbricazione delle anime 2 ceramiche.
L'anima 2 ceramica realizzata come sopra descritto è in grado di raggiungere le caratteristiche meccaniche richieste dal processo di formatura del corpo 1 cavo (tenendo conto sia della manipolazione dell'anima 2 ceramica, sia della alimentazione all'interno dello stampo 4 del materiale fuso) con un margine di sicurezza minimo, prestabilito e comunque impostabile; in questo modo, l'anima 2 ceramica resiste correttamente al processo di colata o di stampaggio ad iniezione presentando nel contempo la minima resistenza possibile alle successive distruzione e rimozione dall'interno del corpo 1 cavo. Inoltre, l'anima 2 ceramica realizzata come sopra descritto è in grado di raggiungere le caratteristiche meccaniche (in particolare in termini di resistenza a flessione e di modulo elastico) richieste dal processo di formatura del corpo 1 cavo senza la necessità di utilizzare onerose tecniche fusorie di supporto atte a mantenere bassi i valori di sollecitazione meccanica sull'anima 2 ceramica attraverso modalità di riempimento dello stampo 4 a basse velocità.
Per riassumere, in accordo con la presente invenzione per realizzare l'anima 2 ceramica viene utilizzato un materiale ceramico per il quale i meccanismi di indurimento e quindi di resistenza strutturale sono basati prevalentemente sul processo di cottura che determina una sinterizzazione parziale del materiale ceramico; in questo modo, in funzione della temperatura di cottura è possibile ottenere un intervallo molto ampio di caratteristiche meccaniche senza i limiti caratteristici dovuti alla presenza di leganti organici o inorganici.
Inoltre, in accordo con la presente invenzione 1'anima 2 ceramica presenta la minima resistenza meccanica possibile (cioè presenta una resistenza meccanica sostanzialmente uguale alle massime sollecitazioni meccaniche sull'anima 2 ceramica durante la manipolazione dell'anima 2 ceramica stessa e durante l'alimentazione all'interno dello stampo 4 del materiale fuso); in questo modo, la successiva distruzione e rimozione dell'anima 2 ceramica dal corpo 1 cavo finito risulta relativamente semplice e può avvenire sia rapidamente, sia senza correre il rischio di danneggiare il corpo 1 cavo. In altre parole, non è conveniente, anzi è dannoso, impiegare una anima 2 ceramica eccessivamente resistente in relazione a quanto effettivamente richiesto: infatti, a seguito del processo di formatura del corpo 1 cavo, è comunque necessario provvedere alla rimozione ("sterratura") della anima 2 ceramica stessa e pertanto è opportuno impostare una temperatura di cottura in grado di conferire caratteristiche meccaniche appena sufficienti per ciascuna specifica applicazione.
E' importante osservare che quando il corpo 1 cavo è realizzato utilizzando del materiale metallico, 1'alimentazione del materiale metallico fuso all' interno dello stampo 4 prevede di utilizzare un processo di pressocolata che determina delle sollecitazioni meccaniche elevate a carico dell'anima 2 ceramica a causa delle elevate velocità di ingresso del materiale metallico fuso (dell'ordine di 30-60 m/sec) . Invece, quando il corpo 1 cavo è realizzato utilizzando del materiale plastico polimerico (tipicamente tecnopolimeri) , 1'alimentazione del materiale plastico polimerico fuso all'interno dello stampo 4 prevede di utilizzare un processo di stampaggio ad iniezione che determina delle sollecitazioni meccaniche elevate a carico dell'anima 2 ceramica a causa della elevata viscosità del materiale plastico polimerico fuso (molto più elevata della viscosità del materiale metallico fuso) anche in presenza di basse velocità di ingresso del materiale plastico polimerico fuso (dell'ordine di alcuni m/sec) .
E' importante sottolineare che una anima 2 ceramica presenta un modulo di elasticità adeguato, in quanto la ceramica tende a frantumare piuttosto che a deformare; tale caratteristica è molto positiva, in quanto garantisce che durante la colata l'anima 2 ceramica non subisce deformazioni che modificherebbero in modo indesiderato la forma della cavità 3 interna del corpo 1 cavo monolitico.
In altre parole, durante la colata una anima 2 ceramica potrebbe frantumarsi per effetto delle sollecitazioni meccaniche (in questo caso il corpo 1 cavo monolitico deve venire scartato e la difettosità è assolutamente evidente e riscontrabile anche con un semplice controllo visivo e quindi non può passare inosservata), ma durante la colata una anima 2 ceramica non si deforma (in caso di leggera deformazione il corpo 1 cavo monolitico deve venire scartato, ma la difettosità è complessa da rilevare e richiede una misurazione molto accurata e di complessa esecuzione).
Infine, è importante osservare che le anime 2 ceramiche possono essere internamente piene o vuote: una anima 2 ceramica piena presenta una maggiore resistenza meccanica (ma per contro impiega una maggiore quantità di ceramica per la sua realizzazione) e viene utilizzata quando la pressione di alimentazione (colata) del materiale fuso nello stampo 4 è relativamente elevata, mentre una anima 2 ceramica vuota presenta una minore resistenza meccanica (ed ha il vantaggio di impiegare una minore quantità di ceramica per la sua realizzazione) e viene utilizzata quando la pressione di alimentazione (colata) del materiale fuso nello stampo 4 è relativamente più contenuta.
Il metodo di fabbricazione sopra descritto presenta numerosi vantaggi.
In primo luogo, il metodo di fabbricazione sopra descritto permette di realizzare le anime ceramiche in modo molto efficace ed efficiente; infatti, operando come sopra descritto la difettosità delle anime 2 ceramiche è minima; infatti, meno dell'1% delle anime 2 ceramiche presenta difetti dimensionali, ovvero presenta dimensioni significativamente diverse dalle dimensioni desiderate. In altre parole, il processo di produzione delle anime 2 ceramiche permette di ottenere errori dimensionali inferiore allo 0,1%. Questo risultato viene ottenuto sia grazie al particolare materiale ceramico utilizzato che presenta dei ritiri (ovvero delle variazioni dimensionali) sostanzialmente nulli durante la cottura (ovvero durante la sinterizzazione parziale), sia grazie al fatto di formare le anime 2 ceramiche ''verdi" mediante un processo di pressatura a secco, ovvero senza l'impiego di solventi (la cui successiva evaporazione determina facilmente delle variazioni dimensionali).
In altre parole, il particolare materiale ceramico della presente invenzione presenta contemporaneamente tre diverse qualità che combinate tra loro in modo sinergico consentono di azzerare la difettosità nella produzione delle anime 2 ceramiche; in particolare, il particolare materiale ceramico della presente invenzione;
1. permette di realizzare l'anima 2 ceramica verde mediante un processo di pressatura a secco (cioè senza l'impiego di acqua che evaporando durate la cottura determina un ritiro dimensionale dell'anima 2 ceramica);
2. permette di ottenere resistenze a flessione adeguate (dell'ordine di 13-17 MPa) con sinterizzazioni molto parziali (ovvero sinterizzazioni che interessano una limitata parte del materiale ceramico) che non generano (per la loro estrema parzialità) ritiri dimensionali;
3. presenta una elevata ripetibilità del proprio comportamento alla cottura, ovvero a parità di temperatura di cottura la resistenze a flessione è sostanzialmente sempre uguale con una dispersione del tutto trascurabile.
Inoltre, il metodo di fabbricazione sopra descritto è di semplice ed economica realizzazione, in quanto utilizza per il materiale ceramico dei componenti di costo modesto e facilmente reperibili sul mercato ed utilizza processi di lavorazione noti e ben consolidati.
Il metodo di fabbricazione sopra descritto permette di produrre anime 2 ceramiche con le quali si possono realizzare corpi cavi monolitici in materiale metallico o polimerico mediante processi ad alta pressione (cioè pressocolata o stampaggio ad iniezione) senza porre vincoli alle geometrie interne, ovvero senza limiti di progettazione sui corpi cavi.
E' infine importante osservare che il metodo di fabbricazione sopra descritto permette è anche estremamente "robusto " rispetto alla temperatura di cottura dell'anima 2 ceramica: variazioni della temperatura di cottura dell'anima 2 ceramica anche di alcuni gradi centigradi non modificano in modo significativo le caratteristiche funzionali dell'anima 2 ceramica e quindi non è necessario un controllo estremamente preciso (e quindi anche molto costoso) della temperatura di cottura dell'anima 2 ceramica. In questo modo il processo produttivo delle anime 2 ceramiche risulta facilmente indust rializzabile a costi relativamente contenuti.
Infine, è importante osservare che il materiale ceramico sopra descritto potrebbe venire impiegato con successo anche per la produzione di anime 2 ceramiche completamente sinterizzate (ovvero con una sinterizzazione "full-density" ) e quindi sottoposte ad un procedimento di cottura a temperature superiori (ad esempio 1400-1600 °C) alla soglia di temperatura di completa sinterizzazione (circa 1250 °C); infatti quando le anime 2 ceramiche vengono completamente sinterizzate (ovvero con una sinterizzazione "full-density" ) la loro resistenza a flessione è di circa 40 Epa e quindi le anime 2 ceramiche sono difficili, ma non inpossibili, da rimuovere (distruggere) una volta che il corpo 1 cavo si è solidificato.

Claims (8)

  1. R IV E N D I C A Z I O N I 1) Metodo di fabbricazione di una anima (2) ceramica a perdere destinata a venire impiegata all'interno di uno stampo (4) in un processo di colata o di stampaggio ad iniezione per la produzione di un corpo (1) cavo monolitico; il metodo di fabbricazione comprende le fasi di: formare l'anima (2) ceramica verde che riproduce la forma di almeno una cavità (3) interna del corpo (1) cavo utilizzando del materiale ceramico in polvere; e riscaldare l'anima (2) ceramica verde ad una temperatura di cottura prestabilita per ottenere una sinterizzazione parziale dell'anima (2) ceramica stessa; il metodo di fabbricazione è caratterizzato dal fatto che il materiale ceramico utilizzato per realizzare l'anima (2) ceramica verde comprende i seguenti componenti: • silice - SÌO2 - dal 50,0% al 56,0% in peso; • allumina - AI2O3- dal 37,0% al 44% in peso; • ossido di potassio - K20 - dal 1,8 % al 2,2% in peso.
  2. 2) Metodo di fabbricazione secondo la rivendicazione 1, in cui l'anima (2) ceramica verde viene riscaldata ad una temperatura di cottura compresa tra 900°C e 960°C.
  3. 3) Metodo di fabbricazione secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui l'anima (2) ceramica verde viene riscaldata ad una temperatura di cottura compresa tra 910°C e 950°C.
  4. 4 ) Metodo di fabbricazione secondo la rivendicazione 1 , 2 o 3 , in cui l' anima ( 2 ) ceramica verde viene formata mediante un processo di pressatura a secco .
  5. 5) Metodo di fabbricazione secondo la rivendicazione 4 , in cui il materiale ceramico in polvere utiliz zato per formare l' anima ( 2 ) ceramica verde è costituito di polvere sferica .
  6. 6 ) Metodo di fabbricazione secondo la rivendicazione 5, in cui il materiale ceramico in polvere sferica viene formato mediante un atomizzazione di una sospensione liquida ottenuta sciogliendo in acqua i componenti del materiale ceramico .
  7. 7 ) Metodo di fabbricazione secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6 e comprendente l' ulteriore fase di applicare sulla superficie esterna dell' anima ( 2 ) ceramica cotta una sostanza di rivestimento.
  8. 8) Metodo di fabbricazione secondo la rivendicazione 7, in cui la sostanza di rivestimento è Nitruro di Boro - BN -, 9) Metodo di fabbricazione secondo la rivendicazione 8, in cui una soluzione acquosa di Nitruro di Boro - BN - viene spruzzata sulla superficie esterna dell' anima (2) ceramica cotta. 10) Metodo di fabbricazione secondo una delle rivendicazioni da 1 a 9 e comprendente le ulteriori fasi di: stimare le sollecitazioni meccaniche sull' anima (2) ceramica durante la manipolazione dell' anima (2) stessa e durante l'alimentazione all'interno dello stampo (4) del materiale fuso; e determinare la temperatura di cottura dell'anima (2) ceramica verde in modo tale che il processo di sinterizzazione parziale conferisca all'anima (2) ceramica una resistenza meccanica sostanzialmente uguale alle massime sollecitazioni meccaniche sull'anima (2) ceramica durante la manipolazione dell'anima (2) stessa e durante l'alimentazione all'interno del primo stampo (4) del materiale fuso. 11) Anima (2) ceramica a perdere destinata a venire impiegata all'interno di uno stampo (4) in un processo di colata o di stampaggio ad iniezione per la produzione di un corpo (1) cavo monolitico; l'anima (2) ceramica riproduce la forma di almeno una cavità (3) interna del corpo (1) cavo, è formata utilizzando del materiale ceramico in polvere, ed è stata riscaldata ad una temperatura di cottura prestabilita; l'anima (2) ceramica è caratterizzata dal fatto die il materiale ceramico utilizzato per realizzare l'anima (2) ceramica comprende i seguenti componenti: • silice - Si02 - dal 50,0% al 58,0% in peso; • allumina - A1203 - dal 37,0% al 44% in peso; • ossido di potassio - K20 - dal 1,8 % al 2,2% in peso.
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