La colata in stampi a perdere è un processo flessibile di produzione di beni metallici attraverso il versamento di metallo fuso in stampi che vengono distrutti dopo ogni processo di produzione. Stampi sacrificabili. A differenza degli stampi permanenti, che possono essere rigenerati, gli stampi sacrificabili sono costituiti da materiali come sabbia, gesso o ceramica e sono usa e getta dopo la realizzazione della colata. È il modo giusto per produrre pezzi con forme intricate, estrema precisione e dettagli minuscoli che molto probabilmente non sarebbero semplici o fattibili con altri processi. 

I settori industriali che richiedono una produzione di alta qualità in volumi medio-bassi per la creazione di stampi comprendono l'aerospaziale, l'automobilistico, il medicale e la difesa, e altri ancora. Il processo può essere inadatto per la produzione su larga scala, perché comporterebbe la realizzazione di nuovi stampi per ogni pezzo prodotto e quindi si rivelerebbe costoso, ma la sua capacità di realizzare progetti complessi lo rende inestimabile nel caso di produzione di articoli che richiedono resistenza, durata e precisione.

Storia della colata di stampi a perdere

Colata in stampo a perdere ha una lunga storia e la sua presenza può essere fatta risalire a migliaia di anni fa. Le civiltà che hanno utilizzato questo processo per fondere gli oggetti sono gli Egizi, i Greci e i Romani e gli oggetti fusi includono gioielli, monete e armi. Con il passare del tempo il processo è cambiato con l'emergere di nuovi materiali e miglioramenti tecnologici che hanno permesso una fusione più complicata e accurata.

La nascita delle moderne tecniche di fusione con stampi monouso può essere fatta risalire alla rivoluzione industriale del XVIII e XIX secolo, quando si registrarono intensi progressi nelle tecnologie di lavorazione dei metalli. Con l'avvento di metodi come la fusione in sabbia e la fusione a cera persa, è diventato possibile produrre pezzi di metallo in modo totalmente diverso e oggi il fatto che gli stampi monouso siano utilizzati nel processo di produzione è un dato di fatto. 

Che cos'è la colata di stampi a perdere?

La colata in stampi a perdere può essere definita come un processo di fabbricazione applicato alla produzione di pezzi in metallo, in quanto i pezzi fabbricati vengono inseriti in uno stampo che è deliberatamente progettato per essere distrutto dopo un singolo utilizzo. Rispetto alla colata in stampo permanente, che consente di riutilizzare lo stampo più volte, la colata in stampo sacrificabile prevede stampi riutilizzabili. Dopo il raffreddamento e la solidificazione del metallo fuso, il modello o lo stampo viene distrutto per ottenere il prodotto finito.

Questo processo è particolarmente indicato per la fusione di pezzi complicati che possono essere di alta precisione, altrimenti costosi e persino impossibili da creare con altre tecniche. Il termine "sacrificabile" significa che lo stampo si consuma in un solo ciclo, ovvero che dopo ogni utilizzo è necessario sviluppare un nuovo stampo per realizzare un pezzo diverso.

Come utilizzare la colata di stampi spendibili

Creazione di modelli

Nella colata in stampo sacrificabile, la fase iniziale consiste nel realizzare un modello del pezzo da colare. Il modello è composto da materiali come cera, schiuma o metallo ed è configurato per imitare la forma del prodotto finale.

Formazione di stampi

Una sostanza stampo, che può essere sabbia, gesso o ceramica, circonda il modello e il materiale può essere rimosso con diversi metodi a seconda del processo di fusione utilizzato.

Rimozione del modello

Una volta che il materiale dello stampo si è indurito, il modello viene estratto e, nella maggior parte dei casi, viene fatto fondere, bruciare o frantumare. In questo modo si forma un foro vuoto nello stampo che ha la forma esatta del modello originale.

Colata di metallo

Una volta preparata la cavità dello stampo, il metallo fuso viene introdotto nello stampo e riempie la cavità lasciata dal modello. Il metallo viene raffreddato e fatto solidificare.

Distruzione delle muffe

Una volta che il metallo è raffreddato e solido, lo stampo viene distrutto (di solito mediante rottura e frantumazione o dissoluzione) per recuperare la colata.

Post-elaborazione

Una volta rimosso dallo stampo, il getto può essere ulteriormente perfezionato con tecniche di finitura secondaria come processi di lavorazione o lucidatura per ottenere le specifiche richieste.

Tipi di colata di stampi spendibili

Approfondiamo un po' il tipo di colata di stampi a perdere:

1. Fusione in sabbia

Colata in stampo a perdere. Uno dei metodi più comuni di colata è la colata in sabbia. Per farlo è necessario creare uno stampo, che si ottiene impacchettando la sabbia, comunemente mescolata con una miscela di argilla e acqua, intorno a un modello (modello di ciò che deve essere colato). In genere si utilizza un modello in metallo o in cera e, dopo che lo stampo si è solidificato, il modello viene rotto o fuso.

Panoramica del processo:

• Un materiale, come il metallo o la cera, viene realizzato sotto forma di modello.
• La miscela di sabbia, argilla e acqua viene quindi spalmata intorno al disegno.
• Il modello viene respinto e la sabbia si indurisce riscaldando lo stampo.
• La cavità lasciata dal modello viene riempita con metallo fuso che viene colato.
• Dopo che il metallo si è solidificato, lo stampo viene rotto per esporre la colata.

Vantaggi:

• Funziona in modo conveniente quando il volume di produzione è basso o medio.
• In grado di produrre getti sfusi con una geometria semplice.
• Multiuso, può essere realizzato in diversi materiali, alluminio, ferro e acciaio.
• dilagante nell'industria automobilistica, pesante e dei macchinari.

Svantaggi:

• La finitura superficiale non è liscia come quella degli altri metodi di fusione.
• I disegni molto fini non funzionano bene.

2. Colata a investimento (fusione a cera persa)

Un altro metodo di fusione in stampo sacrificabile molto accurato è la microfusione, nota anche come fusione a cera persa. Si tratta di un processo che prevede l'applicazione di un modello di cera con un guscio di ceramica che si asciuga e si indurisce. La cera viene poi fusa e drenata, lasciando uno stampo di ceramica cavo in cui viene versato il metallo fuso.

Panoramica del processo:

• Il disegno in cera è formato da un modello che viene modellato nel disegno preferito.
• Per ottenere un guscio spesso, il modello in cera viene ricoperto da uno strato di impasto e poi sabbiato.
• Lo stampo viene quindi riscaldato e la cera fusa viene svuotata.
• L'involucro di ceramica viene poi ricoperto di metallo fuso.
• Una volta che il metallo ha avuto il tempo di solidificarsi, il guscio di ceramica viene staccato per mostrare il calco.

Vantaggi:

• Tali qualità di elevata precisione e ottime finiture superficiali.
• Il meglio se usato per fondere i piccoli dettagli e i pezzi complessi.
• Può essere applicato a un ampio spettro di metalli, come l'acciaio inossidabile, il titanio e i metalli preziosi.

Svantaggi:

• I termini speciali sono più costosi della colata in sabbia.
• Richiede più tempo.
• Adatto a piccole serie di componenti, non adatto a produzioni in serie.

3. Stampaggio della conchiglia

Stampaggio in conchiglia Anche lo stampaggio in conchiglia è un processo di colata strettamente correlato alla microfusione, ma il modello è ora un guscio di sabbia attorno a un modello in metallo. Il processo è accreditato anche per l'elevata precisione di dimensionamento dei pezzi e per le finiture superficiali lisce dei pezzi.

Panoramica del processo:

• Un modello di metallo viene temperato e immerso in un impasto di sabbia fine.
• Il disegno si fissa nella sabbia, formando la conchiglia.
• Quando il guscio è pronto, viene riscaldato fino a quando non rimane più nulla del materiale del modello.
• Il guscio riempito di metallo fuso viene versato e, quando il metallo si solidifica, il guscio viene rotto per rimuovere la colata.

Vantaggi:

• Produce pezzi di superba precisione dimensionale e bordi stirati.
• È adatto per la fusione di pezzi complicati.
• Può lavorare su metalli ad alto punto di fusione, come acciaio e ferro.

Svantaggi:

• È più costoso rispetto alla colata in sabbia.
• Poiché la creazione di un guscio preciso richiede molto tempo, si limitano a pezzi più piccoli.
• Per quanto riguarda la scelta del materiale, non è così diversificata come la colata in sabbia.

4. Colata di schiuma persa (LFC)

La fusione a schiuma persa (LFC) è una nuova forma di fusione a stampo spendibile che utilizza modelli in schiuma anziché in metallo o cera. Il modello in schiuma viene ricoperto di sabbia e il metallo fuso viene versato all'interno del foro, rendendo meno evidente l'uso della schiuma.

Panoramica del processo:

•  Viene realizzato uno stampo in schiuma del pezzo da fondere.
• Sul modello della schiuma viene poi applicato uno strato di sabbia, che viene pressato per ottenere uno stampo.
• Lo stampo viene riscaldato e vi si versa il metallo fuso.
• Il modello ricoperto di schiuma viene vaporizzato dal metallo fuso, mentre il resto è la sezione solidificata.

Vantaggi:

• È perfetto per la fusione di geometrie complesse con un basso grado di distruzione del lavoro.
• È in grado di produrre parti molto dettagliate e incredibilmente lisce.
• Conveniente per volumi bassi e medi.

Svantaggi:

• Si limita a piccoli pezzi.
• Stampi costosi rispetto alla tradizionale fusione in sabbia.
• Non si applica a tutti i tipi di metalli perché la temperatura e la pressione devono essere regolate con attenzione.

5. Calco di gesso

La colata in gesso incorpora il processo di modellazione del gesso. Il gesso viene combinato con l'acqua e poi applicato su un modello, che viene poi rimosso una volta indurito. Si applica soprattutto a piccole parti con dettagli.

Panoramica del processo:

• Una sagoma è realizzata in metallo o in una sostanza affine.
• Il modello viene immerso in una soluzione di gesso, acqua e altri materiali per ottenere uno stampo.
• Lo stampo viene poi indurito e riscaldato per la colata del reticolato.
• La produzione della colata avviene versando i metalli fusi nello stampo.

Vantaggi:

• Produce pezzi di buona qualità con una buona finitura superficiale.
• Applicabile a pezzi di piccole dimensioni e a pezzi caratterizzati da dettagli fini.
• È applicabile nella produzione di bassi volumi.

Svantaggi:

• Metodi come questi sono costosi e richiedono molto tempo.
• Limitato ai componenti più piccoli e ai metalli che fondono a bassa temperatura.

6. Modello permanente - Colata in sabbia

Si tratta di un approccio riutilizzabile (che utilizza un modello riutilizzabile, in contrapposizione a un modello sacrificabile), sebbene il modello riutilizzabile sia uno stampo monouso. Si tratta di un metodo combinato in cui lo stampo viene riciclato ma lo stampo in sabbia viene demolito dopo ogni colata.

Panoramica del processo:

• Viene realizzata una cassaforma con un modello permanente al suo interno e sabbia intorno.
• Dopo aver realizzato lo stampo in sabbia, il modello viene portato via e il metallo fuso viene versato nella cavità.
• Il processo di fusione distrugge la sabbia per ottenere il prodotto finale.

Vantaggi:

• Nella produzione di volumi medio-bassi, è più conveniente dello stampaggio a iniezione.
• È adatto per i pezzi più grandi, come blocchi motore e telai.

Svantaggi:

• Poca precisione e finitura superficiale se accostata alla microfusione.

7. Processo CGP o Cold Box

I getti in sabbia a legame chimico provenienti da stampi in sabbia a legame chimico vengono colati con il processo a cassa fredda. La sabbia viene combinata con un agente legante e il set di formatura viene utilizzato senza riscaldamento. Questo processo è utilizzato soprattutto per la produzione di parti di industrie che necessitano di durabilità e resistenza, come quelle del petrolio e del gas.

Panoramica del processo:

• Lo stampo è costituito da sabbia combinata con un legante chimico e compattata.
• Una volta nello stampo, la polimerizzazione avviene in un ambiente freddo e lo stampo si indurisce senza bisogno di utilizzare il calore.
• Si versa il metallo fuso nello stampo, si lascia solidificare e si rimuove lo stampo.

Vantaggi:

• Si applica nei casi in cui è necessario un elevato livello di resistenza dei pezzi da colare.
• Fusioni ideali: adatte a metalli che potrebbero essere difficili da fondere nei normali stampi in sabbia.

Svantaggi:

• I leganti chimici necessari nel processo di costruzione degli stampi potrebbero non essere adatti a tutti i metalli.
• È limitato ai materiali e alle applicazioni.

Materiali applicati nella colata in stampo sacrificale

Nella colata in stampo sacrificabile, lo stampo deve essere costruito con un materiale progettato per essere distrutto dopo un solo utilizzo. Il materiale utilizzato è determinato anche dal processo di colata, dal materiale da colare e dalle esigenze di un particolare pezzo. Di seguito sono riportati alcuni dei materiali più frequentemente utilizzati nella colata in stampo sacrificabile:

1. Sabbia

Gli stampi a perdere fatti di sabbia sono i più utilizzati e più comunemente nella colata in sabbia. Essa viene combinata con un qualche tipo di legante (ad esempio, argilla o resina) e colata in uno stampo in grado di resistere al calore del metallo fuso. Gli stampi in sabbia sono flessibili, economici e possono essere utilizzati per realizzare componenti di grandi dimensioni.

2. Intonaco

Con la colata in gesso, gli stampi vengono realizzati con una miscela di gesso e acqua. Il materiale può essere utilizzato per la fusione di pezzi piccoli e di grande dettaglio, dove sono richieste superfici lisce e dettagli fini. Gli stampi in gesso sono solitamente utilizzati per produrre metalli non ferrosi in volumi ridotti.

3. Ceramica

La microfusione (fusione a cera persa) e la formatura in conchiglia utilizzano materiali ceramici. Un modello viene ricoperto con una sottile barbottina di ceramica e, dopo l'asciugatura, viene creato uno stampo rigido adatto a resistere alle alte temperature. La fusione di acciai, titanio e leghe ad alte prestazioni viene effettuata con l'uso di stampi in ceramica.

4. Cera

La cera viene utilizzata principalmente nella microfusione (fusione a cera persa). Il modello viene realizzato in cera e viene aggiunto un guscio di ceramica. L'unico guscio che rimane dopo la rimozione del modello tramite fusione è quello in cui viene effettuata la fusione. La cera è ideale per realizzare pezzi molto dettagliati e intricati.

5. Schiuma

Nella fusione a schiuma persa, la schiuma funge da materiale per il modello. Il modello in schiuma è ricoperto di sabbia e, quando vi si versa il metallo fuso, la schiuma evapora, lasciando la colata di metallo fuso solidificato. Gli stampi in schiuma sono vantaggiosi anche per la fusione di disegni geometrici complicati con scarti ridotti.

6. La resina

In altre tecniche di colata avanzate, i materiali resinosi vengono applicati per formare stampi altamente precisi e robusti. La formatura a freddo di scatole e conchiglie avviene generalmente utilizzando sabbia legata alla resina. Le resine possono anche essere utili per ottenere una buona finitura superficiale e una colata dettagliata nella fusione finale.

7. Leghe metalliche (per avere modelli)

In alcuni sistemi di colata di stampi sacrificabili, come la colata in sabbia di modelli metallici, il modello è realizzato in leghe metalliche. Gli stampi vengono quindi fusi e il metallo fuso viene versato e i modelli metallici vengono estratti successivamente.

Vantaggi della fusione con stampi a perdere

La colata in stampo a perdere presenta una serie di vantaggi che ne fanno la scelta per molte applicazioni. Tra questi vantaggi vi sono:

1. Capacità di fusione di forme complesse

Le tecniche di colata per stampaggio a perdere (ad esempio, la microfusione e la fusione a schiuma persa) hanno il potenziale per produrre pezzi con design complessi che non potrebbero essere realizzati con metodi di produzione alternativi, come la lavorazione o lo stampaggio. Ciò ne qualifica l'utilizzo nei settori in cui sono necessari pezzi complicati, come l'industria aerospaziale e automobilistica.

2. Finitura superficiale e alta precisione

Alcune tecniche, come la microfusione e lo stampaggio in conchiglia, consentono di ottenere ottime finiture superficiali e piccoli dettagli sul pezzo. Ciò consente un minor numero di processi di lavorazione e finitura supplementari, che in alcuni casi risultano più economici.

3. Versatilità dei materiali

La colata in stampi a perdere ha un'ampia gamma di materiali che possono essere utilizzati, tra cui metalli come l'alluminio, l'acciaio e il titanio e leghe più esotiche. Questa adattabilità ne consente l'impiego in molti settori, tra cui quello automobilistico e medico.

4. Tempi di consegna brevi

Gli stampi nel processo di colata con stampo sacrificabile sono monouso, quindi la preparazione degli stampi e dei getti può richiedere relativamente meno tempo, a differenza di altri processi di colata che utilizzano stampi riutilizzabili. Il risultato è che la colata con stampo sacrificabile è adatta a produzioni di volumi medio-bassi.

5. Piccola tiratura Efficiente dal punto di vista dei costi

Il capitale necessario per l'installazione di tecnologie di colata di stampi spendibili, come la microfusione, può essere piuttosto elevato, ma il prezzo per pezzo si riduce sostanzialmente nei casi in cui sono necessarie produzioni di piccole e medie dimensioni. Ciò è particolarmente utile nelle industrie che richiedono piccole quantità di pezzi altamente precisi, ma che non vogliono sostenere i costi di una produzione su larga scala.

Problemi della colata di stampi a perdere

Sebbene i vantaggi di questo metodo siano numerosi, anche la colata in stampo a perdere ha la sua parte di sfide:

1. Distruzione delle muffe

Ciò può causare costi elevati per le produzioni in grandi volumi, perché lo stampo si rovina dopo una sola colata. Ogni volta che la colata cade è necessario costruire nuovi stampi e questo può essere un processo costoso che rende la colata di stampi sacrificabili meno interessante per le produzioni di massa.

2. La riutilizzabilità dello stampo è limitata

Con una colata di stampi permanenti, gli stampi sono riutilizzabili e possono essere riutilizzati più volte; al contrario, gli stampi utilizzati nella colata di stampi sacrificabili devono essere riprodotti con ogni nuovo pezzo. Questo fa lievitare i costi in termini di materiali e manodopera coinvolti nel processo.

3. Produzione in piccole serie

Stampo sacrificabile Davvero, dato che le tirature di produzione sono più piccole, la colata di stampi sacrificabili è talvolta migliore, a seconda di quanto sia costoso e dispendioso in termini di tempo fondere un nuovo stampo. Altre tecniche, come la pressofusione o la fusione di stampi permanenti, sono più convenienti per la produzione di grandi volumi.

Impieghi della colata di stampi spendibili

La colata in stampo è utilizzata in molti settori industriali in cui sono necessarie geometrie complesse in pezzi di alta precisione. Uno dei principali utilizzi può essere delineato come:

1. Industria aerospaziale

Esempi di articoli prodotti nell'industria aerospaziale mediante colata in stampo sono le pale dei turbocompressori, gli alloggiamenti e altri componenti in cui sono richieste elevata resistenza, precisione e capacità del materiale di resistere a temperature elevate. La microfusione trova particolare favore in questo settore perché può produrre forme complicate, tendendo a finiture superficiali superiori.

2. Industria automobilistica

L'industria automobilistica dipende dalla colata di stampi sacrificabili per realizzare componenti come blocchi motore, alloggiamenti della trasmissione e altri componenti che devono essere robusti e durevoli. Questo settore utilizza normalmente la colata in sabbia e lo stampaggio in conchiglia.

3. Produzione di dispositivi medici

Le apparecchiature mediche, comprese quelle chirurgiche, gli impianti e le protesi, vengono prodotte utilizzando la colata in stampo sacrificabile. Questa tecnologia è particolarmente adatta al settore medico, in quanto l'adattamento e la funzionalità sono di fondamentale importanza e la complessità dei pezzi può essere facilmente garantita da questa tecnologia.

4. Militare e difesa

Nel settore della difesa, la colata di stampi sacrificabili viene utilizzata per la produzione di armi, armature e altri componenti di attrezzature militari. In questo settore, le prestazioni e l'affidabilità sono fattori importanti e la capacità di costruire componenti complessi e robusti è fondamentale.

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Conclusione

La colata in stampi a perdere è una procedura di produzione variabile e necessaria che ha fatto passi da gigante. Questo metodo consente di produrre pezzi dalle forme complesse, precisi e con eccellenti finiture superficiali, utilizzando negli stampi rivestimenti in materiale monouso. Sebbene non sia ideale per le applicazioni che richiedono grandi volumi di produzione, la sua capacità di produrre pezzi complessi e personalizzati lo rende prezioso in settori come quello aerospaziale, automobilistico, medico e della difesa.

Con l'avanzare della tecnologia, è probabile che si moltiplichino i modi e i mezzi di colata in stampo sacrificabile e che questo processo diventi sempre più significativo nell'ambito della produzione. Che si tratti di un dispositivo medico in miniatura o di un'enorme parte aerospaziale, la colata in stampo sacrificabile ha le caratteristiche necessarie in termini di flessibilità, precisione e versatilità dei materiali per tenere il passo con le sfide delle industrie moderne.

Domande che vengono poste di frequente 

1. Qual è il maggior vantaggio dell'utilizzo della colata in stampo sacrificabile?

Gli stampi vengono colati utilizzando modelli di stampo sacrificabili, in modo da poter creare pezzi con un modello complesso con un'elevata precisione. Dopo ogni colata, lo stampo deve essere distrutto, quindi è ideale per realizzare forme dettagliate e utilizzare un'ampia gamma di materiali.

2. Qual è il tempo di colata dello stampo spendibile?

A seconda della complessità e di altri fattori, come il tipo di stampo utilizzato, possono essere necessarie alcune ore o diversi giorni.

3. La colata in stampo sacrificabile è applicabile alla produzione su larga scala?

Il processo di colata in stampo sacrificabile non è adatto a grandi volumi di produzione, perché è necessario creare nuovi stampi ogni volta che si produce un pezzo, il che è piuttosto costoso su una vasta scala di produzione.