A causa dell'aumento delle normative, i fornitori di tecnologie di produzione in tutto il mondo si trovano di fronte alla sfida di integrare materiali ad alte prestazioni e rispettosi dell'ambiente. Quali soluzioni sono già disponibili sarà visibile all'EMO Hannover 2025, la fiera mondiale per la tecnologia di produzione, dal 22 al 26 settembre. In particolare, i materiali schiumosi in metallo e le sostanze sostitutive per le sostanze per- e polifluorurate (PFAS) stanno attirando l'attenzione.
Le schiume metalliche aiutano a rendere le macchine più efficienti, leggere e allo stesso tempo più stabili. Il materiale altamente poroso presenta, simile ai suoi modelli naturali come ossa o legno, una struttura cellulare che può assorbire energia sotto forma di vibrazioni, urti o suoni.
Come fare il pane
La schiuma di alluminio può essere prodotta con un processo che, in linea di principio, è simile alla cottura del pane. Si prendono polveri, agenti espandenti e calore, e la schiuma di alluminio è pronta. Tuttavia, nei dettagli, la produzione di questo materiale ad alta tecnologia è un po' più complessa. "Per la produzione di schiume di alluminio, una polvere di lega di alluminio e una polvere di agente espandente vengono mescolate, di solito precompattate tramite pressatura assiale e successivamente densificate tramite estrusione in filamenti schiumabili", spiega Carsten Lies, responsabile del dipartimento di costruzione leggera integrata funzionalmente presso l'Istituto Fraunhofer per le macchine utensili e la tecnologia di formatura (IWU) a Chemnitz. "Per la produzione di sandwich in schiuma di alluminio, i filamenti di alluminio schiumabili tagliati vengono posizionati tra due lamiere di copertura disposte a distanza l'una dall'altra", descrive ulteriormente l'ingegnere il processo di produzione.
Nella successiva trattamento termico, l'alluminio espandibile si espande di molte volte. La schiuma risultante si unisce saldamente ai due pannelli superiori formando un sandwich. Dopo il raffreddamento, il sandwich viene tagliato alle dimensioni finali. "Le schiume metalliche, in particolare le schiume di alluminio, vengono principalmente utilizzate come materiale di nucleo nei sandwich", spiega Lies. I loro pannelli superiori sono solitamente realizzati in acciaio o alluminio. "I pannelli superiori assorbono i carichi applicati, mentre il nucleo mantiene i pannelli a distanza costante", spiega il ricercatore del Fraunhofer le proprietà particolari del materiale high-tech. Il legame tra i pannelli superiori e il nucleo avviene generalmente attraverso un collegamento metallico.
Leggero, arioso e rigido: Sandwich con ripieno in schiuma
„I sandwich presentano, a seconda della progettazione, una rigidità a flessione molto elevata. Questo effetto viene sfruttato per rendere i gruppi più leggeri mantenendo o addirittura migliorando la rigidità del gruppo“, afferma Lies. Essi sostituiscono elementi massicci del gruppo convenzionale. A seconda del criterio di ottimizzazione, secondo il ricercatore, è possibile ottenere significativi risparmi di peso a parità di rigidità (fino al 30 percento) oppure aumenti significativi della rigidità a peso costante. I vantaggi concreti nell'uso della schiuma metallica nella macchina, in termini di efficienza e sostenibilità, sono quindi, secondo Lies, „una smorzatura notevolmente migliorata grazie al nucleo in schiuma e un significativo risparmio di peso grazie all'uso dei sandwich“.
Positivo per il bilancio ambientale è inoltre che le schiume metalliche possono essere riciclate senza problemi. "Poiché non viene utilizzata alcuna colla per la produzione dei sandwich, il materiale può essere inserito nei circuiti esistenti per il trattamento dei rottami metallici in acciaio e alluminio", afferma il ricercatore di Chemnitz.
Su misura dal 3D printer
Componenti in schiuma metallica – o, per essere più precisi, componenti in materiali ibridi porosi (HyPo) – possono essere realizzati anche tramite stampa 3D. Il vantaggio della schiuma metallica prodotta additivamente: le camere d'aria possono essere disposte in modo accurato. I componenti così realizzati possono essere ottimizzati per casi d'uso specifici, poiché la regolazione graduale della struttura porosa all'interno del componente offre più opzioni rispetto alle bolle d'aria nel metallo, che si formano durante la schiumatura tramite gas. In questo modo, nel 3D printer possono essere creati componenti meccanici su misura e con proprietà esattamente definite.
„Un'impostazione graduale della struttura porosa e dei profili delle proprietà è difficile, se non impossibile, in un materiale prodotto monoliticamente, poiché il processo di produzione o la lavorazione successiva fino alla geometria finale del componente non corrispondono alle condizioni di richiesta finali per il carico“, spiega Thomas Hassel dell'Istituto di Scienza dei Materiali dell'Università Leibniz di Hannover (LUH). La produzione additiva riesce, come sottolinea l'ingegnere con dottorato, a consentire una „produzione vicina alla forma finale“ dei componenti e, allo stesso tempo, a introdurre la gradazione „in modo tale che venga posizionata esattamente nel profilo di richiesta“.
Quali applicazioni concrete ci sono nella costruzione di macchine utensili e come il materiale innovativo può contribuire a migliorare l'efficienza e la sostenibilità in fabbrica è oggetto di ricerca. L'attenzione è rivolta ai componenti di una macchina utensile (cambiatori di utensili, portautensili, slitte del mandrino) in termini di rigidità, smorzamento, comportamento termoelastico, squilibrio, durezza e qualità della superficie, spiega Hassel. Attraverso l'implementazione dei componenti HyPo, ad esempio in una fresatrice, si sta studiando quali vantaggi derivano dai componenti graduali. "In questo caso, si intende analizzare il comportamento operativo durante la lavorazione, poiché la fresatura comprende una vasta gamma di diversi casi di carico", afferma Hassel. "In questo modo sarà possibile determinare l'influenza del componente HyPo sulle proprietà meccaniche e termiche della macchina e migliorare significativamente le prestazioni di tali macchine."
Sostituto per le sostanze chimiche perenni
Maggiore sostenibilità attraverso materiali leggeri è uno dei molti approcci per migliorare il bilancio ambientale nella produzione industriale. Nel frattempo, sono sempre più sotto i riflettori anche alternative ecologiche per quelle che vengono chiamate sostanze chimiche per l'eternità. Al centro dell'attenzione ci sono, tra l'altro, le sostanze chimiche per- e polifluoroalchiliche (PFAS), che vengono utilizzate nella produzione soprattutto dove ci sono condizioni estreme: alte temperature, forte usura o condizioni chimiche aggressive. I PFAS si trovano, tra l'altro, in guarnizioni, tubazioni o valvole.
Se la sostituzione dei PFAS sia possibile deve essere "valutata individualmente a seconda del caso d'uso e non può essere risolta in modo generico", afferma Frank Schönberger, responsabile del dipartimento di Sintesi e Formulazione presso l'Istituto Fraunhofer per la Resistenza dei Materiali e l'Affidabilità dei Sistemi LBF di Darmstadt. "Un sostituto 1:1 dei fluoropolimeri di solito non è possibile, ma dipende sempre dai requisiti individuali dell'applicazione specifica."
Ci sono casi in cui un fluoropolimero può essere sostituito da un altro polimero ad alte prestazioni (come PEEK, PEI o PPS) a seconda dei requisiti, ad esempio quando le esigenze di temperatura e di media sono moderate o nel campo dei composti tribologici. "Ma ci sono anche aree di applicazione in cui i requisiti complessi – ad oggi – non possono essere soddisfatti da nessun altro materiale", precisa il ricercatore. "I fluoropolimeri possiedono una resistenza chimica praticamente universale e hanno un'elevata resistenza alle temperature. In applicazioni in cui ciò è richiesto, come in pompe o impianti che devono resistere a diversi media in varie condizioni, i fluoropolimeri non sono ancora sostituibili", riassume Schönberger e aggiunge: "Le opportunità possono sorgere in applicazioni in cui non è necessario sfruttare appieno il potenziale dei fluoropolimeri e in situazioni in cui, ad esempio, è possibile un redesign."
La sostituzione dei PFAS è rilevante anche per gli USA
Secondo Schönberger, la sostituzione dei PFAS è rilevante anche per i mercati al di fuori dell'Europa, in particolare negli Stati Uniti. Inoltre, ci sono negli Stati Uniti regolamentazioni che dipendono in parte dallo stato. Questo dimostra anche: Maggiore sostenibilità nella tecnologia di produzione è una sfida globale a cui devono rispondere le fabbriche in tutte le nazioni industrializzate.
Autore: Daniel Schauber
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