Fusione e forgiatura: Capire i principali processi di produzione

La fusione e la forgiatura sono due dei metodi di lavorazione dei metalli più comunemente utilizzati, entrambi con diverse applicazioni nel settore manifatturiero. Tali tecniche sono essenziali nella produzione di parti metalliche che si diversificano nell'industria automobilistica, aerospaziale, della difesa e dei macchinari goliardici. Sebbene entrambe cerchino di creare pezzi funzionali modellando il metallo, alla fine raggiungono questo obiettivo in modi decisamente diversi, creando proprietà e usi diversi dei materiali.

La colata si avvale di processi di fusione del metallo e di versamento in uno stampo, dove assume una forma permanente. È particolarmente indicata per la produzione di forme intricate e complicate che altrimenti sarebbero difficili da ottenere con altri macchinari. Funziona molto bene nella produzione di massa, in particolare quando si producono grandi volumi di pezzi identici. La fusione è molto flessibile e può utilizzare un gran numero di metalli e leghe, per cui può essere impiegata in settori in cui la qualità del design è importante, come quello aerospaziale, automobilistico e artistico.

La forgiatura, invece, è un processo di modellazione del metallo attraverso forze di compressione, di solito quando il materiale è ad alta temperatura. Questo processo rende il metallo più resistente raddrizzando la sua struttura granulare, rendendo così i pezzi più resistenti e durevoli. Il vantaggio particolare della forgiatura è che è altamente applicabile nella produzione di pezzi che devono essere temprati o esposti a condizioni estreme, comprese le sollecitazioni elevate, come nell'industria automobilistica, aerospaziale e della difesa.

In questo articolo verranno discusse le principali differenze tra fusione e forgiatura, i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna di esse, le aree di applicazione nella produzione moderna e il ruolo che ciascun processo riveste in questi processi.

Che cos'è il casting?

Un processo di produzione conservato nella colata prevede il versamento di un materiale liquido, tipicamente metallico, in uno stampo affinché si fissi e acquisisca la forma della cavità dello stampo. Il processo inizia quando il materiale viene fuso, versato in una forma speciale e raffreddato. Dopo che il materiale si è indurito, lo stampo viene rimosso e rimane un oggetto solido, che è una copia quasi perfetta della forma dello stampo.

Che cos'è la forgiatura?

La forgiatura è un processo di lavorazione dei metalli che sfrutta la forza di compressione, con il metallo tipicamente riscaldato ad alte temperature. Il metallo viene battuto, pressato o laminato per ottenere la forma desiderata. La forgiatura avviene comunemente ad alte temperature, quando il metallo diventa malleabile e molto più facile da lavorare. È un processo che viene utilizzato soprattutto per creare componenti robusti e indossabili ed è ampiamente utilizzato in settori come quello automobilistico, aerospaziale e dei macchinari pesanti.

Processo di fusione

La fusione comporta alcune fasi importanti:

• Creazione di modelli: Viene realizzato un modello dell'oggetto, tipicamente in un materiale in grado di resistere al calore del metallo fuso (tipicamente, sabbia o metallo).
• Formatura di stampi: Il Post viene inserito in un mezzo di modellazione (sabbia, metallo o ceramica) e messo insieme in una pressa per mantenere la forma.
• Fusione: Il metallo o il materiale viene riscaldato in forma liquida e versato nello stampo.
• Raffreddamento e solidificazione: il metallo liquido si raffredda e si solidifica nello stampo nella sua forma.
• Rimozione della muffa: Dopo che il materiale si è solidificato, lo stampo viene rimosso per esporre la colata.

Processo di forgiatura

La forgiatura è meno complicata nel processo di produzione; tuttavia, è necessario un maggiore controllo della temperatura e della pressione:

• Selezione del materiale: A seconda di ciò che si vuole ottenere dal prodotto finito (resistenza o flessibilità), si sceglie il metallo.
• Riscaldamento: Il metallo viene riscaldato fino ad ammorbidirsi.
• Modellazione: Il metallo riscaldato viene modellato in uno stampo, che viene pressato da un martello o da una pressa. Questo processo può essere realizzato in diverse varianti: forgiatura a stampo aperto, forgiatura a stampo chiuso e laminazione ad anello.
• Raffreddamento: Una volta modellato, il pezzo forgiato viene raffreddato, eventualmente con ulteriori trattamenti termici, che migliorano le proprietà del materiale utilizzato.

I vantaggi della fusione e della forgiatura

Vantaggi della fusione:

• Forme complesse: È qui che la fusione si rivela utile per produrre pezzi dalle forme complicate e complesse che sarebbero difficili, o meglio impossibili, da realizzare con mezzi alternativi. Permette di ottenere caratteristiche raffinate e disegni dettagliati e può quindi essere utilizzata nell'industria aerospaziale, nell'industria automobilistica e nell'arte.
• Produzione ad alto volume: Lo stampo che è stato formulato può portare alla fusione come mezzo altamente efficace di produzione di massa, in quanto sarà in grado di replicare lo stesso pezzo in grandi lastre in modo molto coerente. Ciò consente di ridurre la manodopera e le materie prime utilizzate per la produzione di grandi volumi.
• Efficiente dal punto di vista dei costi: La colata è molto economica per produrre pezzi in grandi volumi. Sebbene il costo di produzione del primo stampo sia elevato, il costo per pezzo è molto basso nelle produzioni su larga scala e quindi si adatta meglio ad applicazioni come quelle automobilistiche e dei beni di consumo.
• Varietà di materiali: Il numero di materiali e leghe che possono essere fusi è piuttosto ampio e comprende materiali comuni come l'alluminio e il ferro, e/o leghe speciali. Ciò consente ai produttori di scegliere i materiali in base alle proprietà richieste dal prodotto.
• Meno rifiuti: Gli scarti di materiale sono minori nella colata rispetto ad altri processi. Si utilizza solo il materiale necessario per riempire lo stampo, limitando gli scarti generati, il che è particolarmente favorevole alla sostenibilità.
• Flessibilità di progettazione: La fusione è anche flessibile nella progettazione e consente di aggiungere a un pezzo fuso caratteristiche interne complesse sotto forma di canali di raffreddamento o sezioni cave dal design elaborato. Ciò può comportare una riduzione dei costi di assemblaggio, perché le parti che dovrebbero essere saldate tra loro possono essere realizzate in un'unica fusione.

Vantaggi della forgiatura:

• Forza e durata: I pezzi forgiati sono in genere più resistenti di quelli fusi grazie all'allineamento della struttura dei grani del materiale durante il processo di forgiatura, che è quindi sottoposto a una maggiore resistenza alle sollecitazioni, alla fatica e ai carichi meccanici. Ciò li qualifica per applicazioni ad alte prestazioni.
• Proprietà del materiale migliorate: Le proprietà dei materiali dei prodotti sono migliorate rispetto ai materiali che hanno una migliore struttura interna, cioè omogenea e non soggetta a difetti come la porosità. Ciò porta alla progettazione di componenti di migliore qualità, che avranno proprietà meccaniche migliori, dureranno più a lungo grazie alla qualità e funzioneranno in ambienti difficili.
• Alta precisione: La forgiatura può produrre prodotti di alta precisione o con tolleranze ristrette. È la tecnica più adatta quando sono richiesti requisiti severi, come nell'industria aerospaziale e automobilistica.
• Elevata resistenza: I pezzi forgiati sono resistenti. Questa struttura a grani migliorati consente loro di resistere a carichi elevati e ad ambienti estremi, e sono quindi adatti all'industria aerospaziale, automobilistica e militare.

Contro della fusione e della forgiatura

Svantaggi della fusione:

• Porosità e difetti: I pezzi fusi possono presentare difetti come porosità, crepe e altri difetti interni a causa del processo di raffreddamento. Tali difetti possono danneggiare la resistenza e l'integrità del prodotto finale e richiedono ulteriori ispezioni e controlli di qualità.
• Anche la resistenza del materiale è limitata: Sebbene sia possibile fondere forme complesse, la resistenza del materiale può essere inferiore rispetto a quella del materiale forgiato. Ciò rende i pezzi fusi inadatti a luoghi in cui sono importanti una resistenza e una durata eccezionali, soprattutto in presenza di forti sollecitazioni.
• Costi della muffa: Lo sviluppo di costi di stampaggio di alta qualità per la fusione, soprattutto per pezzi complessi o per piccole quantità, può essere molto costoso da creare. Questo può far lievitare il prezzo del processo di colata nel suo complesso, e quindi non è molto adatto alla produzione di bassi volumi.

Svantaggi della forgiatura:

• Forme limitate: La forgiatura funziona bene su pezzi di forma semplice e non è il metodo più adatto per creare forme geometricamente complesse. Questo processo è adatto a pezzi che devono essere robusti ma non complicati.
• Aumento delle spese per le piccole tirature: Rispetto alle grandi serie, la forgiatura di piccoli lotti comporta costi elevati per l'allestimento degli utensili e degli stampi, ma è conveniente quando si producono grandi quantità di prodotto.
• Selezione ristretta di materiali: La forgiatura può avvenire solo per i metalli che possono sopportare le alte temperature, come l'acciaio, l'alluminio e il titanio. Il processo è meno versatile per quanto riguarda l'idoneità di materiali difficili da forgiare alle temperature necessarie.

Materiali di fusione e forgiatura

Materiali per la fusione

Questo processo di fusione è un processo diversificato che può essere condotto utilizzando un'ampia gamma di materiali in relazione alle esigenze dell'applicazione. I metalli comunemente utilizzati in le fusioni sono in alluminioL'alluminio è un materiale che si presta ad essere utilizzato in diversi settori industriali, come l'acciaio, il ferro, il bronzo e l'ottone, che sono caratterizzati da proprietà uniche che ne consentono l'utilizzo. Ad esempio, l'alluminio è leggero e ha una buona resistenza alla corrosione, ideale per i mercati automobilistico e aerospaziale. L'acciaio e il ferro sono preferiti per la loro durata e resistenza e vengono solitamente utilizzati nei componenti di macchinari e industrie pesanti. Il bronzo e l'ottone possono essere utilizzati quando è necessario un elemento di forza, ma anche una resistenza alla corrosione e un aspetto gradevole, come nel caso di pezzi decorativi o di attrezzature per le navi.

Oltre a questi metalli comuni, la fusione può comportare anche leghe specializzate, come il magnesio, le leghe di zinco e le leghe di base di rame, che vengono selezionate per adattarsi a determinate applicazioni perché possiedono proprietà di funzionamento specifiche. Le leghe di magnesio, ad esempio, sono impiegate nelle industrie che necessitano di componenti leggeri, mentre le leghe di zinco possono essere utilizzate in vari settori in cui è necessario fondere parti che non devono essere vulnerabili all'usura. Le leghe di rame sono dominanti nei lavori elettrici e idraulici grazie alla loro elevata resistenza alla corrosione e alla conducibilità elettrica. La fusione può utilizzare diversi metalli e leghe, il che significa che i produttori possono modificare i pezzi per adattarli al meglio all'applicazione.

Materiali per la forgiatura

I materiali utilizzati per la produzione di fucinati sono solitamente scelti in base alla loro forza in termini di resistenza alle sollecitazioni e alla pressione. Le leghe di acciaio che comprendono l'acciaio al carbonio, l'acciaio inossidabile e l'acciaio per utensili sono i materiali più utilizzati nella forgiatura. L'acciaio al carbonio è forte e duro e viene quindi utilizzato per la costruzione di strutture e componenti di macchinari pesanti. L'acciaio inossidabile ha il vantaggio di non potersi corrodere facilmente ed è quindi ideale in luoghi inospitali, come l'industria automobilistica e medica. L'acciaio per utensili è particolarmente resistente all'usura ed è quindi applicabile a utensili, stampi e altre parti di macchine ad alte prestazioni.

Usi della fusione e della forgiatura

La fusione e la forgiatura hanno applicazioni simili in diversi settori industriali e ogni tipo è specializzato per soddisfare le esigenze del prodotto finale. Il tipo di colata o forgiatura è determinato dalla resistenza, dalla complessità, dalle proprietà del materiale utilizzato e dall'uso finale. Le principali applicazioni dei processi sono le seguenti.

Usi della colata

La colata si è rivelata utile anche nella produzione di pezzi di forme complesse o di grandi volumi. Alcune delle applicazioni più importanti nelle industrie sono le seguenti:

• Industria automobilistica: Parti come i blocchi motore, gli alloggiamenti della trasmissione e i collettori di scarico sono tra i componenti realizzati mediante fusione. Le forme di questi componenti sono solitamente complicate e le quantità da fondere sono in gran numero; di conseguenza, la fusione è un metodo efficiente da adottare. Inoltre, la fusione consente di utilizzare materiali leggeri ma resistenti, come le leghe di alluminio, necessarie per migliorare il risparmio di carburante dei veicoli.
• Aerospaziale: L'industria aerospaziale è un'altra industria che dipende molto dalla fusione, in quanto consente di produrre strutture sofisticate come gli alloggiamenti delle turbine, le strutture delle ali e le parti del motore. Il titanio e le leghe di alluminio sono altri materiali di fusione ampiamente utilizzati, che garantiscono resistenza e leggerezza, elementi fondamentali per le prestazioni degli aerei e il risparmio di carburante.
• Industria nautica: Nell'industria navale, vengono fusi elementi come eliche, parti di motori e altri importanti componenti navali. La maggior parte di questi componenti deve resistere alla corrosione dell'acqua salata e, pertanto, è possibile fondere leghe come il bronzo, l'ottone e leghe speciali. Il processo garantisce che tali componenti siano in grado di resistere alle inospitali condizioni marine.
• Arte e scultura: La fusione gioca un ruolo importante anche nella produzione di arte e scultura. Le capacità di dettaglio degli stampi consentono agli artisti di creare modelli non descrittivi su altri materiali come il bronzo e l'alluminio, tra gli altri metalli. La fusione può essere utilizzata per creare un mezzo espressivo versatile nella storia e nell'arte contemporanea.

Usi della forgiatura

Forgiatura. Nei casi in cui il prodotto finale richiede un'elevata resistenza, durata e integrità del materiale, il processo viene eseguito mediante forgiatura. Queste sono le industrie e le parti comuni in cui la forgiatura è importante:

• Industria automobilistica: Anche l'industria automobilistica utilizza la forgiatura nella produzione di automobili. In questo settore, la forgiatura viene applicata in aree come l'interno del motore che sono a bassa e ad alta sollecitazione. Alcune delle parti altamente sollecitate che utilizzano la forgiatura sono gli alberi a gomito, le bielle e i componenti delle sospensioni. Questi componenti sono sottoposti alle forze maggiori e sono esposti a un ambiente operativo brutale; pertanto, la resistenza e la durata del processo di forgiatura sono fondamentali per il successo e la durata di questi componenti.
• Aerospaziale: Anche il settore aerospaziale si affida alla forgiatura per la produzione di componenti ad alta resistenza come carrelli di atterraggio, dischi di turbine e parti strutturali. Questi componenti fusi devono operare a temperature e carichi elevati e la maggiore struttura dei grani che si può ottenere nella forgiatura fornisce le proprietà meccaniche richieste, garantendo sicurezza e affidabilità nell'industria aeronautica.
• Petrolio e gas: Il settore petrolifero e del gas è uno dei settori più vitali per la forgiatura di componenti quali valvole, raccordi e pompe, sottoposti a forti pressioni e corrosione. Le leghe metalliche forgiate comprendono componenti in grado di sopportare i rigori estremi dell'alta pressione e delle alte temperature, nonché la corrosione chimica e dei gas.
• Difesa e attrezzature pesanti: L'industria della difesa e dei macchinari pesanti utilizza comunemente parti realizzate mediante forgiatura. Le parti di automobili come i bulldozer, gli escavatori e i vari equipaggiamenti militari costituiti da carri armati sono costruiti con la forza e la rigidità di quelli fusi, poiché sopportano sollecitazioni maggiori del normale nel corso del loro utilizzo. La forgiatura conferisce inoltre integrità a questi componenti e consente loro di gestire carichi elevati in modo affidabile.

Le principali differenze tra forgiatura e fusione

Sebbene la fusione e la forgiatura siano tecniche di produzione abbastanza simili, è importante rendersi conto delle principali peculiarità di ciascuna di esse per capire quale sia la più appropriata in un caso specifico:

I problemi di fusione e forgiatura

La fusione è decisamente vantaggiosa, ma ha anche i suoi lati negativi, così come la forgiatura. Il controllo della qualità può essere un grosso problema nella fusione. Spesso può essere necessario impiegare tecniche speciali e prestare molta attenzione per garantire che non vi siano difetti in una colata, e i problemi di ritiro, porosità o crepe di solito non deludono. Le decisioni di alta qualità sono molto importanti nei settori in cui la precisione è imperativa. Inoltre, la colata è un processo che richiede molta energia per fondere e riscaldare i metalli ad alte temperature, sollevando quindi alcuni problemi ambientali e di emissioni. L'attuale produzione di stampi, in particolare quelli che prevedono percorsi complessi e articolati, possono anche essere costosi, soprattutto quando si tratta di produrre basse quantità di pezzi. A ciò si aggiunge il fatto di elevare il costo iniziale.

Al contrario, la forgiatura pone le sfide dell'utensileria e ha fatto la sua comparsa. Per la forgiatura è necessario utilizzare stampi di qualità superiore e macchine di alto livello e, nella maggior parte dei casi, è necessario un investimento importante. Questo riduce le piccole produzioni in termini economici. La forgiatura è inoltre limitata per quanto riguarda la flessibilità della produzione di geometrie complesse. A differenza della fusione, che è in grado di creare forme complesse, la forgiatura è anche più restrittiva, dato che si possono produrre strutture e forme più semplici. Inoltre, durante il processo di forgiatura si creano scarti di materiale, perché è comune trovare piccoli pezzi che devono essere tagliati mentre il metallo viene modellato. Questi sprechi possono contribuire al costo di produzione, incidendo quindi sull'efficienza del processo.

Il modo in cui le industrie si stanno adattando

L'industria della fusione e della forgiatura sta cambiando con l'evolversi della tecnologia. I progressi più recenti comprendono:

Fusione: La realizzazione di stampi e fusioni tramite stampa 3D sta diventando comune e ha dato l'opportunità di avere una prototipazione più rapida e forme complesse. La produzione additiva viene adottata anche nel processo di fusione per creare un maggior numero di pezzi con meno difetti e problemi.

Forgiatura: L'uso di linee di forgiatura automatizzate e di attrezzature robotizzate aumenta la precisione e il prezzo. Anche i nuovi trattamenti termici stanno migliorando le proprietà dei pezzi forgiati, in quanto in situazioni estreme è possibile ottenere prestazioni ancora migliori.

La fusione e la forgiatura sono il futuro

Sia le tecnologie di fusione che quelle di forgiatura stanno sperimentando progressi tecnologici per aumentare l'efficienza e le loro capacità:

• Casting: Le tecnologie più avanzate per la creazione di stampi, come la stampa 3D, vengono applicate per sviluppare stampi più complicati e complessi a un costo inferiore. Inoltre, i materiali e i processi di colata vengono continuamente migliorati, consentendo di ottenere fusioni migliori e con meno difetti.
• Forgiatura: Il prossimo passo nella forgiatura è rappresentato dai sistemi automatizzati e dai processi controllati da computer che consentono di ottenere una maggiore precisione e costi inferiori. Inoltre, l'uso di nuovi materiali e trattamenti termici amplierà l'ambito di applicazione dei pezzi forgiati a settori quali l'industria aerospaziale e l'industria energetica.

Conclusione

La fusione e la forgiatura sono entrambi processi produttivi fondamentali che presentano vantaggi e svantaggi. La fusione è più adatta per realizzare forme intricate e volumi elevati a costi ridotti. È un'ottima soluzione quando i componenti non hanno la massima resistenza o durata. La forgiatura, invece, è la migliore per produrre pezzi che richiedono un'elevata forza e resistenza alle sollecitazioni. Si adatta meglio ai casi di parti critiche in cui la questione delle prestazioni e dell'affidabilità è più importante.

La scelta di fondere o forgiare è determinata dal progetto e dallo scopo del pezzo. I progetti complessi, i volumi elevati e i casi in cui il rapporto costo-efficacia è un problema sono favorevoli all'uso della fusione. In condizioni difficili e ad alte prestazioni, i pezzi vengono stampati utilizzando la forgiatura, che ha una maggiore resistenza del materiale.

Con l'evoluzione delle industrie, i due processi sono soggetti ai vantaggi del cambiamento tecnologico. L'automazione nell'uso di innovazioni come la stampa 3D nella fusione rende il processo più preciso ed efficiente. La capacità di distinguere le esigenze di un determinato progetto consente ai produttori di scegliere il processo appropriato, e questa strategia garantirà che il prodotto finale sia in grado di soddisfare tutte le richieste in termini di qualità, prestazioni e prezzo.

Domande frequenti

1. La principale differenza tra fusione e forgiatura?

La differenza principale è data dalla forma del metallo. La colata è il processo che prevede la fusione del metallo e il suo versamento in uno stampo che lo aiuta a diventare la struttura desiderata. La forgiatura, al contrario, piega il metallo esercitando una pressione elevata su un materiale in stato caldo che ne modifica la struttura. La fusione è adatta quando i progetti sono elaborati; la forgiatura, invece, produce elementi durevoli.

2. In quali condizioni dovrei fondere invece di forgiare?

La fusione è adatta quando si devono realizzare forme complesse o si richiedono volumi elevati di componenti con forme complicate. È più adatta a componenti che sarebbe problematico o costoso creare in altro modo, soprattutto quando sono richiesti particolari accurati e una produzione su larga scala. La fusione è anche più conveniente quando si tratta di pezzi a pareti sottili o di forme complesse.

3. I materiali che posso fondere sono gli stessi che posso forgiare?

No, i materiali per la fusione e la forgiatura possono essere diversi. La fusione può utilizzare decine di metalli e leghe diverse, alluminio, ferro, bronzo e materiali esotici come magnesio e zinco. Tuttavia, la forgiatura viene normalmente eseguita su metalli che non diventano fragili alle alte temperature, ad esempio leghe di acciaio, leghe di alluminio/titanio/rame.

4. Quali sono gli svantaggi della fusione e della forgiatura?

Nella fusione si verificano porosità e cricche e la resistenza del materiale è normalmente inferiore nei pezzi fusi rispetto a quelli forgiati. Si tratta inoltre di un processo costoso, soprattutto in caso di produzioni complesse o a basso volume, perché necessita di costosi stampi personalizzati. Tuttavia, sebbene sia in grado di produrre pezzi più resistenti e durevoli, può essere utilizzato solo per forme più semplici e, come la fusione, la forgiatura è più costosa da realizzare, soprattutto quando si tratta di piccole serie.

5. Quali sono le industrie che traggono i maggiori vantaggi dalla fusione e dalla forgiatura?

Le operazioni di produzione che richiedono la costruzione di forme e componenti delicati in grandi quantità, come la produzione automobilistica, l'industria aerospaziale, l'industria marina e quella artistica, richiedono in larga misura la fusione. I settori che preferiscono la forgiatura rispetto ad altri processi sono l'industria automobilistica, aerospaziale, della difesa e della produzione di petrolio e gas, dove la resistenza, la tenacità e la durata di parti critiche come alberi a gomito, pale di turbine e componenti strutturali sono fattori importanti.