Modelli per la fusione dei metalli: tipologie, materiali e guida alla scelta

Che cos’è un modello nella fusione dei metalli?

Nel settore della fonderia, un modello è una replica fisica dell'oggetto finale da fondere. Il modello in metallo definisce la cavità dello stampo, nella quale viene versato il metallo fuso per ottenere il pezzo desiderato. Pertanto, la progettazione e l'accuratezza del modello determinano direttamente la precisione, la finitura superficiale e la qualità del pezzo fuso finale.

In generale, gli stampi utilizzati nella fusione dei metalli si classificano in due categorie fondamentali in base alla loro durata operativa:

1. Modelli riutilizzabili: Sono comunemente utilizzati nella fusione in sabbia e nella fusione in gesso. Questi modelli consentono di realizzare più stampi senza essere distrutti.
2. Modelli di materiali di consumo (usa e getta): Utilizzato nella fusione a cera persa o nella fusione a schiuma persa. Il modello viene fuso, bruciato o vaporizzato prima o durante il processo di colata del metallo.

12 tipi di modelli utilizzati nella fusione in sabbia

La scelta del tipo di modello più adatto dipende dal volume di produzione, dalle dimensioni del pezzo fuso, dalla complessità geometrica e dal metodo di formatura. Ecco i 12 tipi più comuni di modelli per la fusione dei metalli utilizzati nelle fonderie moderne:

• 1. Motivo a pezzo unico (continuo)
• 2. Modello a due pezzi (diviso)
• 3. Cartamodello a più pezzi
• 4. Modello della piastra di accoppiamento
• 5. Motivo a recinzione
• 6. Motivo a scheletro
• 7. Schema di spazzamento
• 8. Schema dei pezzi sciolti
• 9. Schema di coping e trascinamento
• 10. Motivo a conchiglia
• 11. Seguire lo schema della tavola
• 12. Modello segmentale

1. Motivo a pezzo unico (continuo)

Un modello monoblocco o solido è il tipo di modello di fusione più semplice ed economico. Realizzato senza giunti o sezioni separate, viene tipicamente utilizzato per forme semplici, produzione in piccoli lotti o prototipi di fusioni. Poiché l’intero modello è contenuto in un unico cassero (di solito quello di trascinamento), richiede una superficie di separazione piana per facilitare la rimozione senza danneggiare la sabbia.

2. Modello a due pezzi (diviso)

Quando un pezzo fuso presenta una geometria complessa o una linea di divisione irregolare, è preferibile utilizzare un modello in due parti (diviso). Il modello viene diviso orizzontalmente in due metà: la parte superiore viene collocata nello stampo superiore (cope), mentre quella inferiore viene collocata nello stampo inferiore (drag). Nelle superfici di divisione sono integrati dei perni di centraggio per garantire un allineamento preciso tra le due metà.

3. Cartamodello a più pezzi

Per i componenti altamente complessi che non possono essere estratti utilizzando uno stampo diviso in due parti, si ricorre a uno stampo composto da più parti. Esso è costituito da tre o più sezioni (ad esempio, superiore, centrale e inferiore). Nelle configurazioni a tre parti, la sezione centrale viene stampata all’interno di una fossa intermedia denominata scatola per guance.

4. Modello della piastra di accoppiamento

In un modello a piastra di accoppiamento, le metà dello stampo superiore e inferiore sono montate sui lati opposti di una piastra centrale in metallo o legno. I modelli a piastra di accoppiamento ottimizzano il processo di fusione, riducono il fabbisogno di manodopera e garantiscono una precisione dimensionale superiore. Sono ampiamente utilizzati nelle fonderie automatizzate ad alto volume e per la fusione di piccoli componenti in alluminio, ottone o ghisa.

5. Motivo a recinzione

I modelli con canali di colata integrano direttamente i pezzi del modello con il sistema di colata e i canali di colata. Grazie alla formazione automatica dei canali di colata durante lo stampaggio in sabbia, il metallo fuso scorre in modo efficiente nelle diverse cavità dello stampo con un’unica colata. Sebbene i costi iniziali di produzione siano più elevati, i modelli con canali di colata aumentano notevolmente la resa e l’efficienza nella produzione di massa.

6. Motivo a scheletro

Un modello a scheletro è un'armatura in legno o metallo a forma di nervature utilizzata per fusioni particolarmente grandi e semplici (come tubi di grandi dimensioni, valvole o basamenti di macchinari). Anziché realizzare un modello in legno massiccio, all'interno dell'armatura vengono compattati sabbia o argilla, che vengono poi livellate a mano lungo l'armatura stessa. Questo sistema consente di ridurre i costi dei materiali e di alleggerire notevolmente il peso del modello.

7. Schema di spazzamento

Uno stampo a spazzata è costituito da una tavola di legno sagomata secondo il profilo desiderato che ruota attorno a un asse verticale centrale. Mentre la tavola scorre sulla sabbia compattata, forma una cavità dello stampo a simmetria rotazionale (ad esempio per grandi campane, cilindri o bacini circolari). Questo elimina la necessità di costosi modelli solidi a grandezza naturale per pezzi simmetrici di grandi dimensioni.

8. Schema dei pezzi sciolti

I modelli a pezzi separati sono progettati per getti che presentano sporgenze, protrusioni o sottosquadri situati sopra o sotto la linea di divisione principale. Le parti sporgenti sono fissate in modo non rigido al corpo principale tramite perni. Una volta estratto il modello principale dalla sabbia, i pezzi separati vengono recuperati singolarmente, evitando il cedimento delle pareti dello stampo.

9. Schema di coping e trascinamento

Analogamente ai modelli a due parti, i modelli “cope” e “drag” sono costituiti da due parti distinte montate su piastre di accoppiamento separate. Lo stampo “cope” e lo stampo “drag” possono essere realizzati contemporaneamente su macchine di formatura separate da squadre indipendenti. Questo metodo è fondamentale per i getti industriali pesanti o prodotti in grandi volumi.

10. Motivo a conchiglia

I modelli a guscio sono modelli metallici specializzati utilizzati principalmente nei processi di formatura a guscio o per strutture cave a pareti sottili. Le due metà del modello vengono montate su pannelli, riscaldate e rivestite con sabbia legata con resina per realizzare uno stampo a guscio in sabbia liscio e di alta precisione.

11. Seguire lo schema della tavola

Un’asse di sostegno non è un modello in sé, ma un’asse di legno dal profilo personalizzato utilizzata per sostenere modelli strutturalmente deboli o con pareti sottili durante la compattazione. Impedisce che le sezioni più delicate del modello si pieghino, si rompano o si deformino sotto la pressione meccanica esercitata dal riempimento di sabbia.

12. Modello segmentale

Un modello segmentale funziona secondo un principio simile a quello di un modello a scansione, ma invece di una rotazione completa di 360 gradi, utilizza una sezione (segmento) del profilo. Il segmento viene ruotato passo dopo passo attorno a un asse centrale per realizzare strutture circolari o ad anello (come grezzi di ingranaggi e flange di grandi dimensioni).

Materiali comunemente utilizzati per i modelli di fusione dei metalli

La scelta del materiale adeguato per il modello è fondamentale per trovare il giusto equilibrio tra durata del modello, costo e tolleranze dimensionali:

• Legno (teak, mogano, pino): Economico, facile da lavorare, leggero; ideale per fusioni in piccole serie o prototipi.
• Metalli (alluminio, ghisa, ottone): Elevata resistenza meccanica, eccezionale resistenza all'usura, elevata stabilità dimensionale; ideale per cicli di produzione prolungati.
• Plastiche e resine (epossidiche, poliuretaniche): Resistente alla corrosione, leggero, con finitura superficiale liscia; ottima alternativa ai modelli in metallo.
• Modelli stampati in 3D (PLA, ABS, resina): Tempi di consegna rapidi per la prototipazione rapida e geometrie personalizzate altamente complesse.

Tolleranze critiche dei modelli nella progettazione di fonderia

Un modello non ha mai le stesse dimensioni del pezzo fuso finale. Gli ingegneri della fonderia applicano specifici margini di tolleranza durante la realizzazione del modello per tenere conto del comportamento del metallo e dei processi di finitura:

• Margine di restringimento: Tiene conto della contrazione volumetrica che si verifica quando il metallo fuso si raffredda e si solidifica.
• Tolleranza di sformo (conica): Aggiunge una leggera conicità alle pareti verticali per consentire il distacco agevole del modello senza strappare le pareti dello stampo.
• Tolleranza di lavorazione (finitura): Aggiunge uno spessore supplementare alle superfici destinate alla lavorazione CNC o alla rettifica successive alla colata.
• Tolleranza di distorsione: Prevede sollecitazioni da raffreddamento non uniformi in sezioni sottili o asimmetriche.

Guida alla scelta dei modelli: come scegliere quello giusto per il tuo progetto

Conclusione

La scelta del modello ottimale per la fusione dei metalli influisce direttamente sull’investimento in attrezzature, sulla velocità di produzione e sulla precisione dei pezzi. Abbinando il volume di produzione e la geometria del pezzo al design e al materiale corretti del modello, le fonderie possono ridurre al minimo i difetti e abbassare i costi di produzione. Se state sviluppando un componente metallico su misura, rivolgetevi al nostro team di ingegneri di METALPIE per ottimizzare i vostri progetti di fusione e la strategia relativa ai modelli.