ITVI20120047A1 - Composto per la realizzazione di stampi ed anime di fonderia - Google Patents
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Description
D E S C R I Z I O N E
Campo di applicazione
Il presente trovato à ̈ generalmente applicabile nel settore tecnico della fonderia ed ha particolarmente per oggetto un composto per la realizzazione di stampi ed anime, in particolare per la prototipazione rapida di getti in leghe metalliche e materiali similari.
Stato della Tecnica
Com’à ̈ noto, gli stampi per fonderia sono costituiti da almeno una forma femmina avente un cavità interna riproducente in negativo il getto da fondere ed una o più anime destinate ad essere alloggiate all’interno della suddetta cavità . Entrambe le parti dello stampo sono realizzate con composti granulari a base di sabbie, leganti ed altri additivi.
Un aspetto particolarmente critico di queste attrezzature à ̈ rappresentato dalla difficoltà di realizzare getti complessi con sottosquadri o cavità interne. Infatti, per realizzare tali geometrie à ̈ necessario predisporre anime di notevole complessità e costo, ed in alcuni casi à ̈ necessario effettuare sul getto finito costose e laboriose lavorazioni meccaniche, Al fine di ridurre tali inconvenienti, à ̈ possibile utilizzare la tecnica della prototipazione rapida, ottenuta mediante solidificazione di una pluralità di strati sovrapposti di un composto granulare.
In particolare, la prototipizzazione rapida permette di realizzare un’anima per fonderia mediante la sovrapposizione di una pluralità strati di un composto a base di sabbia e di opportune resine, aventi ciascuno uno spessore di alcuni decimi di millimetro.
Ogni singolo strato viene solidificato mediante applicazione controllata di una sorgente di calore, ad esempio mediante un fascio laser atto a produrre una temperatura locale superiore a quella di fusione della parte resinosa del composto.
Inoltre, l’elevata temperatura prodotta dal fascio laser consentirà alle zone fuse di ogni strato di fondersi con le zone solidificate degli strati sottostanti dando così origine ad un’anima per fonderia di elevata precisione.
Variando opportunamente la composizione dei composti e la temperatura di fusione del fascio laser à ̈ possibile realizzare anime con proprietà meccaniche e proprietà chimico-fisiche più adatte alla lega utilizzata per il getto.
Un inconveniente di tale soluzione à ̈ rappresentato dal fatto che in composto attualmente utilizzato nel processo di prototipazione rapida presenta una temperatura di fusione relativamente bassa che ne ostacola l’utilizzo con getti di leghe metalliche aventi temperature di fusione relativamente elevate.
Un ulteriore inconveniente di tale soluzione à ̈ rappresentato dal fatto che per ottenere l’uniforme fusione del composto durante il processo di prototipizzazione rapida à ̈ necessario mantenere una ridotta la velocità di avanzamento del fascio laser con la conseguenza di allungare considerevolmente i tempi di realizzazione dello stampo.
Un ulteriore inconveniente di tale soluzione à ̈ rappresentato dal fatto che i composti attualmente utilizzati non consentono di realizzare stampi ed anime con cavità interne particolarmente estese o pareti con sottosquadra di geometria particolarmente complessa.
Presentazione dell’invenzione
Scopo principale del presente trovato à ̈ quello di superare gli inconvenienti sopra riscontrati, realizzando un composto per anime da fonderia che consenta di realizzare stampi ed anime per fonderia ad elevata temperatura di fusione del materiale fuso.
Uno scopo particolare del presente trovato à ̈ quello di realizzare un composto particolarmente adatto alla realizzazione di stampi ed anime mediante prototipazione rapida e che consenta di aumentare sensibilmente la velocità di avanzamento del fascio laser.
Un ulteriore scopo particolare del presente trovato à ̈ quello di realizzare un composto che consenta di realizzare anime con geometrie particolarmente complesse.
Questi scopi, nonché altri che appariranno più chiaramente nel seguito, sono raggiunti da un composto per stampi ed anime di fonderia impiegabili nella prototipazione rapida di getti in leghe metalliche, il quale comprende un componente strutturale base in materiale granulare inerte, almeno un componente igroscopico atto ad assorbire almeno parzialmente l’umidità presente in detto componente strutturale base, almeno un reagente atto a reagire con l’ossigeno presente nello stampo all’atto del contatto con la lega metallica fusa per innescare una combustione, almeno un catalizzatore atto a ridurre il tempo di innesco della combustione di detto almeno un componente reagente ed aumentare la velocità di propagazione della combustione, almeno un legante per incrementare la resistenza meccanica di detto componente strutturale base nei confronti della pressione idrostatica della lega metallica fusa.
Il composto ottenuto con la suddetta combinazione consente di realizzare stampi e anime per fonderia con caratteristiche meccaniche e chimico-fisiche atte a favorirne l’uso con getti di fonderia ad elevata temperatura di fusione e con elevato peso specifico.
Forme vantaggiose di realizzazione del trovato sono ottenute in accordo con le rivendicazioni dipendenti.
Descrizione dettagliata di un esempio di realizzazione preferito
La composizione secondo il trovato viene utilizzata per realizzare stampi ed anime per la fusione di getti in leghe metalliche quali, ad esempio, le leghe di alluminio, l’acciaio, la ghisa, il bronzo, il titanio.
Il composto, sostanzialmente sotto forma granulare o polverosa, si presterà ad essere utilizzato nella prototipazione rapida, ovvero nella realizzazione di stampi ed anime mediante solidificazione controllata di strati sovrapposti senza modelli tridimensionali.
Lo stampo avrà una cavità interna femmina e l’anima costituirà un elemento maschio da inserire nella cavità interna in modo da realizzare il getto finale.
Secondo il trovato, li composto per la realizzazione di anime per fonderia secondo il trovato comprende:
a) un componente strutturale base in materiale inerte granulare, b) almeno un componente igroscopico atto ad assorbire almeno parzialmente l’umidità presente nel componente strutturale base,
c) almeno un reagente atto a reagire con l’ossigeno presente nello stampo all’atto del contatto con il materiale fuso per innescare una combustione,
d) almeno un catalizzatore atto a ridurre il tempo di innesco della combustione del reagente e incrementare la velocità di propagazione della combustione nello stesso ed
e) almeno un legante per aumentare la resistenza meccanica del componente strutturale base nei confronti della pressione idrostatica della lega metallica fusa.
Opportunamente, il componente strutturale base a) potrà essere scelto nel gruppo delle sabbie silicee e/o nel gruppo delle sabbie sintetiche e potrà presentare indice di finezza compreso tra 50AFA ed i 170AFA.
In particolare, la percentuale del componente strutturale base a) potrà essere compresa tra l’85% ed il 98,5% sul peso totale del composto e preferibilmente tra il 93,7% ed il 94,2% sul peso totale del composto.
I granuli di sabbia silicea e/o la sabbia sintetica utilizzata per il materiale inerte strutturale potranno essere pre-rivestiti con una resina fenolica parzialmente polimerizzata e lubrificata.
La resina fenolica potrà essere scelta nel gruppo comprendente la novalacca con fenolo libero inferiore a 1% e sarà presente in percentuale compresa tra 1,5% e 7% sul peso totale del componente inerte strutturale.
Vantaggiosamente, l’utilizzo di una resina fenolica del tipo novalacca permetterà di realizzare anime con precisione maggiore in quanto i polimeri termoplastici contenuti nella stessa consentono di aumentare la duttilità e la modellabilità del composto quando lo stesso solidifica.
In particolare, quando il materiale inerte granulare à ̈ scelto nel gruppo delle sabbie silicee, l’incide di finezza della stessa sarà preferibilmente compreso tra i 120AFA e i 140AFA con una tolleranza di circa ±-5AFA e potrà presentare una parte resinosa pari a circa il 3% del suo peso totale.
L’utilizzo di sabbie silicee consentirà di realizzare un composto particolarmente adatto a realizzare stampi e/o anime da fonderia per getti con temperatura di fusione massima prossima a 1800°C ed una temperatura di impiego compresa tra i 250°C circa e i 350°C circa.
La resistenza alla flessione a caldo della massa finale sarà prossima a 700 N/cm<2>con tolleranza di ±80 N/cm<2>, la resistenza a freddo prossima ai 1100 N/cm<2>e tolleranza di ±120 N/cm<2>e la perdita per calcinazione di 3,5% con tolleranza di ±0,2%.
Quando il materiale inerte granulare à ̈ scelto nel gruppo delle sabbie sintetiche, ad esempio del tipo cerabit® o similari, l’indice di finezza sarà preferibilmente compreso tra i 60AFA e i 120AFA con una tolleranza di circa ±5AFA, ed il rivestimento resinoso sarà compreso tra il 2% ed il 5% del suo peso totale.
L’utilizzo di un componente inerte scelto nel gruppo delle sabbie sintetiche consentirà di realizzare un composto atto a realizzare anime da fonderia per getti in ghisa di limitata sezione o per getti in alluminio, acciaio o in una sua lega.
In questo caso, la temperatura di impiego sarà compresa tra 60°C circa e 100°C circa, la resistenza alla flessione a caldo prossima a 360 N/cm<2>con tolleranza di ±50 N/cm<2>, la resistenza a freddo prossima ai 600 N/cm<2>con tolleranza di ±80 N/cm<2>e la perdita alla calcinazione di compresa tra 2,4% e 2,8% con tolleranza di ±0,1%.
Il componente strutturale base a) potrà essere solidificato mediante applicazione di una sorgente di calore concentrata, ad esempio mediante un fascio laser di potenza e frequenza predeterminata.
Ad esempio, il laser potrà essere del tipo a CO2 con potenza massima compresa in un intervallo che va dai 100W ai 100W. L’ampiezza di tale fascio potrà essere di circa 0,2 mm ed la velocità di spostamento massima dello stesso potrà essere compresa tra i 100m/s ed i 10000m/s.
Il fascio laser provocherà una parziale fusione della resina fenolica che riveste la sabbia. Il successivo raffreddamento porterà alla solidificazione della resina fenolica la quale contribuirà ad incrementare la compattezza del composto nella zona trattata dal fascio laser ed in particolare consentirà di amalgamare uniformemente il composto in corrispondenza dei bordi periferici esterni dell’anima senza che si formino ritiri 0 imperfezioni.
Il componente igroscopico b) sarà scelto in modo da assorbire l’umidità presente nel componente strutturale base in una percentuale compresa tra il 10% ed il 60% dell’umidità totale presente nello stesso componente inerte ed eviterà la formazione di grumi o addensamenti durante la combinazione dei componenti.
Opportunamente, il componente igroscopico b) potrà essere scelto nel gruppo comprendente lo stearato di calcio. Questo materiale sarà particolarmente adatto ad impedire gli addensamenti o i grumi del componente inerte e presenterà una temperatura di autoignizione non inferiore ai 400°C.
Opportunamente, il componente igroscopico b) potrà essere presente in percentuale compresa tra 0,05% e 0,25%, più preferibilmente compresa tra 0,03% e 0,35% sul peso totale del composto.
II reagente c) potrà essere scelto nel gruppo delle le quali sono altamente infiammabili ed assicurano il corretto ed uniforme innesco della combustione del componente reagente quando vengono posti a contatto con il getto di colata. In alternativa, il reagente c) potrà essere scelto nel gruppo comprendente le ammine o similari ottenute dalla reazione chimica di formaldeide e ammoniaca.
Il reagente c) potrà essere dosato in percentuale compresa tra 0,1% e 1%, più preferibilmente tra 0,4% e 0,5% sul peso totale del composto.
Il catalizzatore d) potrà essere scelto all'interno del gruppo comprendente l’acido salicilico C7H603o similari. L’acido salicilico potrà presentare una temperatura di fusione compresa tra i 150°C ed i 180°C ed una temperatura di inizio sublimazione compresa tra i 70°C e gli 80°C.
Inoltre, l’acido salicilico potrà presentare una temperatura minima d’ignizione compresa tra i 470°C ed i 500°C.
Il legante e) potrà scelto nel gruppo delle resine fenoliche o similari. Più precisamente, il legante potrà essere scelto nel gruppo delle resine fenoliche di tipo resol-novolacca in soluzione alcolica.
Una tale tipologia di resine fenoliche presenta una densità a 20°C compresa tra 1,11 e 1,13 ed una viscosità compresa tra i 1300 mPas e i 2000 mPas. Inoltre, le resine fenoliche presentano un pH compreso tra i 2,2 e i 3,5 ed un tempo di induzione della resina a 150° compreso tra i 50sec e i 90sec.
Lo stampo e/o l’anima per fonderia realizzata con il composto secondo il trovato potrà presentare una struttura sostanzialmente porosa in modo da permettere aN’aria di occupare gli interstizi presenti nella massa e facilitare l’innesco del componente reagente quando la stessa à ̈ posta a con il metallo fuso.
Inoltre, la combustione innescata dal reagente quando lo stesso à ̈ posto a contatto con il metallo fuso potrà estendersi al componente legante, al componente catalizzatore e al componente igroscopico.
La combustione parziale del composto potrà provocare la parziale o totale distruzione della struttura dello stampo e/o dell’anima a seguito dell’introduzione del getto di fonderia nello stampo.
Opportunamente, la combustione innescata dal reagente c) non interesserà l’elemento inerte strutturale il quale manterrà sostanzialmente inalterate le sue caratteristiche fisico-chimiche anche dopo l’introduzione del getto di colata e potrà essere riutilizzato in seguito per formare nuovamente il composto.
E’ stato verificato che il composto secondo il trovato, una volta solidificato, presenterà una resistenza alla flessione a caldo non inferiore a 350N/cm<2>con una tolleranza di circa ± 50 N/cm<2>ed una resistenza a flessione a freddo non inferiore ai 550N per unità di centimetro quadro con una tolleranza di circa ±80 N/cm<2>.
Inoltre, il composto solidificato potrà presentare una perdita per calcinazione, intesa come differenza tra il peso totale del composto prima dell’introduzione del getto di fusione e il peso totale del composto rimanente dopo l’introduzione del getto di fusione. La perdita di calcinazione sarà non superiore al 3,5% con una tolleranza di ±0,2%.
Una variazione della percentuale del legante e del reagente sul peso totale del composto potrà generare una variazione della resistenza alla flessione a caldo del composto ed una variazione della velocità massima di spostamento del fascio laser utilizzato per la prototipazione rapida dell’anima.
In particolare, un aumento percentuale sia del legante che del reagente potrà provocare un aumento della resistenza alla flessione a caldo.
Viceversa, la diminuzione percentuale congiunta del componente legante e del reagente potrà provocare una diminuzione della resistenza alla flessione a caldo.
Inoltre, un aumento percentuale contenuto del solo reagente potrà provocare, a parità di potenza utilizzata per il fascio laser, un aumento della velocità di spostamento massima del fascio stesso. Opportunamente, la variazione percentuale del reagente potrà essere normalmente compresa in un intervallo di circa ±3%.
Viceversa, una diminuzione percentuale contenuta del solo reagente potrà provocare, a parità di potenza utilizzata per il fascio laser, una riduzione della velocità di spostamento massima del fascio laser.
La velocità di spostamento massima del fascio laser à ̈ da intendersi come la massima velocità di spostamento del fascio sul composto atta a provocare la fusione della parte resinosa e dei componenti presenti nello stesso in modo da ottenere una successiva solidificazione atta a conferire all’anima le proprietà meccaniche e chimico-fisiche desiderate.
ESEMPI
Esempio 1
Per ottenere circa 450KG di composto una quantità di sabbia silicea pre-rivestita con resina fenolica tipo novolacca parzialmente polimerizzata e lubrificata pari a circa 420Kg à ̈ stata miscelata con stearato di calcio in quantità pari a circa 0,8Kg, in percentuale corrispondente al 0,17% sul peso totale del composto. Alla miscela à ̈ stata aggiunto esammina in quantità pari a circa 2Kg ed un catalizzatore costituito da acido salicilico in quantità pari a circa 1,2Kg. Infine, all’impasto à ̈ stato aggiunto un legante costituito da resina fenolica in quantità pari a 25Kg. Il composto finale à ̈ stato impiegato per preparare stampi ed anime per getti in acciaio, ghisa e bronzo e materiali non ferrosi, utilizzando un raggio laser per la solidificazione della massa. La temperatura di fusione massima consentita dagli stampi e dalle anime à ̈ di circa 1800 °C.
Esempio 2
Per ottenere circa 400 KG di composto à ̈ stata miscelata una quantità di sabbia sintetica cerabit® pre-rivestita con resina fenolica tipo novolacca parzialmente polimerizzata e lubrificata pari a circa 375 Kg con stearato di calcio in quantità pari a circa 0,8Kg, esammina in quantità pari a circa 2Kg, ed un catalizzatore costituito da acido salicilico in quantità pari a circa 1,15Kg. E’ stato aggiunta una resina fenolica in quantità pari a 21 Kg. Il composto à ̈ stato impiegato per preparare stampi ed anime per getti in acciaio, leghe di alluminio, utilizzando un raggio laser per la solidificazione della massa. La temperatura di fusione massima consentita dagli stampi e dalle anime à ̈ di circa 1700 °C.
Da quanto descritto precedentemente, appare evidente che il trovato raggiunge gli scopi prefissati ed in particolare quello di mettere a disposizione un composto per la realizzazione di anime per fonderia che consenta di essere utilizzato con una ampia gamma di getti di fusione, anche con temperature di fusione particolarmente elevate.
Il composto secondo il trovato à ̈ suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nel concetto inventivo espresso nelle rivendicazioni allegate. Tutti i particolari potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti, ed i materiali potranno essere diversi a seconda delle esigenze, senza uscire dall ambito del trovato.
Anche se il composto à ̈ stato descritto con particolare riferimento alle figure allegate, i numeri di riferimento usati nella descrizione e nelle rivendicazioni sono utilizzati per migliorare l'intelligenza del trovato e non costituiscono alcuna limitazione all'ambito di tutela rivendicato.
Claims (15)
- R I V E N D I C A Z I O N I 1. Un composto per stampi ed anime di fonderia impiegabili per la prototipazione rapida di getti in leghe metalliche, il quale composto comprende: a) un componente strutturale base in materiale granulare inerte; b) almeno un componente igroscopico atto ad assorbire almeno parzialmente l’umidità presente in detto componente strutturale base; c) almeno un reagente atto a reagire con l’ossigeno presente nello stampo all’atto del contatto con la lega metallica fusa per innescare una combustione; d) almeno un catalizzatore atto a ridurre il tempo di innesco della combustione di detto almeno un reagente ed aumentare la velocità di propagazione della combustione; e) almeno un legante per incrementare la resistenza meccanica di detto componente strutturale base nei confronti della pressione idrostatica della lega metallica fusa.
- 2. Composto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il materiale inerte di detto componente strutturale base a) Ã ̈ scelto nel gruppo comprendente le sabbie silicee e/o nel gruppo comprendente le sabbie sintetiche con indice di finezza compreso tra 50AFA e 170AFA.
- 3. Composto secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto componente strutturale base a) à ̈ in percentuale compresa tra l’82% e il 99%, preferibilmente tra 85% e 98,5% sul peso totale del composto.
- 4. Composto secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che dette sabbie silicee e/o dette sabbie sintetiche sono in percentuale compresa tra il 94% ed il 98,5% sul peso totale di detto componente strutturale base.
- 5. Composto secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che dette sabbie silicee e/o dette sabbie sintetiche sono rivestite con una resina fenolica o similare almeno parzialmente polimerizzata e lubrificata.
- 6. Composto secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detta resina fenolica o similare à ̈ scelta nel gruppo comprendente la novolacca con fenolo libero inferiore a 1%.
- 7. Composto secondo la rivendicazione 5 o 6, caratterizzato dal fatto che detta resina fenolica o similare à ̈ in percentuale compresa tra 1 ,5% e 7% sul peso totale di detto componente strutturale base,
- 8. Composto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto almeno un componente igroscopico b) Ã ̈ scelto nel gruppo comprendente lo stearato di calcio.
- 9. Composto secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto almeno un componente igroscopico b) Ã ̈ in percentuale compresa tra 0,03% e 0,35% sul peso totale del composto.
- 10. Composto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto almeno un reagente c) Ã ̈ scelto nel gruppo comprendente le ammine o similari ottenute dalla reazione chimica di formaldeide ed ammoniaca.
- 11. Composto secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detto almeno un reagente c) Ã ̈ in percentuale compresa tra 0,1% e 1% sul peso totale del composto.
- 12. Composto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto almeno un catalizzatore d) à ̈ scelto nel gruppo comprendente l’acido salicilico (C7H6O3) o similare.
- 13. Composto secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che detto almeno un catalizzatore d) Ã ̈ in percentuale compresa tra 0,05% e 1% sul peso totale del composto.
- 14. Composto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto almeno un legante e) Ã ̈ scelto nel gruppo comprendente le resine fenoliche o similari
- 15. Composto secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detto almeno un legante e) Ã ̈ in percentuale compresa tra 1,5% e 10% sul peso totale del
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