Eurotec: una “camicia” in metallo duro!

Eurotec: una “camicia” in metallo duro!

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Eurotec: una “camicia” in metallo duro!

FIG. 1 – Torre refrattaria per la cottura di cilindrici ceramici, costituita da mattoni cruciformi (nel riquadro) che vengono realizzati mediante formatura su pressa.

Poche volte ci siamo occupati di stampi per la formatura di materiale refrattario, pur essendo attrezzature di elevata tecnologia e con peculiarità progettuali e costruttive decisamente interessanti ed evolute. Per tale ragione, abbiamo di recente coinvolto la Eurotec S.r.l. di Ballò di Mirano (VE), impresa nata nel 2001 specializzata nello sviluppo di stampi per la formatura di prodotti in materiale refrattario.

L’ing. Andrea Mason, socio dell’impresa, spiega: «Eurotec è in grado di realizzare uno stampo a partire dalla matematica del prodotto finito del cliente, e di dare indicazioni utili per l’ottimizzazione  dei cicli di pressatura». Tra le altre attività dell’azienda segnaliamo la capacità di sviluppare e costruire stampi a iniezione di materiale plastico, per pressofusione, per sinterizzazione e la lavorazione di parti in metallo duro realizzando particolari a disegno o parti-stampo soggette a usura.

FIG. 2 – Inserimento di un elemento in metallo duro all’interno dello stampo.

Una commessa particolare
Andrea Mason propone lettori della nostra rivista la descrizione dello stampo che Eurotec ha sviluppato e realizzato per la KeraTech S.p.A. di Romans d’Isonzo (GO), per lo stampaggio di un mattone in carburo di silicio, con sezione a forma di croce, di lato pari a 200 mm e altezza pari a 300 mm. Si tratta di un elemento che serve a comporre una “torre refrattaria”, alta anche 8 metri, in cui avviene cottura di “cilindri speciali” in materiale ceramico. Mason spiega: «I cilindri in questione servono a movimentare pezzi quali mattonelle e piastrelle all’interno impianti di trattamento termico che possono raggiungere i 100 metri di lunghezza. Ovviamente, tali cilindri devono essere preventivamente cotti per acquisire le giuste caratteristiche fisiche e chimiche, e a tal fine vengono calati all’interno delle torri realizzate, come dicevamo prima, mediante i “nostri” mattoni. Poiché le temperature in gioco sono elevatissime, dopo un determinato numero di cicli di cottura le torri si usurano e devono essere smantellate e ricostruite, mattone per mattone».

Ecco perché fu richiesto alla Eurotec di costruire uno stampo in grado di stampare mattoni in carburo di silicio, che è una ceramica di eleva durezza e con alta resistenza chimica e termica. «Un mattone particolarmente resistente alle alte temperature avrebbe permesso alla torre di essere utilizzata per un maggiore numero di cicli di cottura», precisa Mason.

FIG. 3 – Il render 3D dello stampo.

Progettazione raffinata
La progettazione degli stampi avviene, all’interno dell’ufficio tecnico della Eurotec, mediante il software di modellazione 3D SolidWorks e, nei casi più complessi, con l’ausilio di SolidWorks Simulation per la simulazione agli elementi finiti (FEM), software grazie al quale è possibile prevedere i carichi di pressione sugli stampi e sulle casseforme, azzerando eventuali rischi di deformazione o addirittura di rottura. Nel caso in esame, la principale difficoltà è stata quella di dimensionare lo stampo in modo da contenere le gravose sollecitazioni generate dalla fase di stampaggio. Mason: «Per stampare questo mattone, il cliente utilizza una speciale pressa vibrante che attua, oltre alle tipiche vibrazioni di formatura, una compressione che viene generata con alcuni martelli pneumatici. Ciò determina una serie di colpi molto forti che si ripercuotono su tutti gli elementi che compongono lo stampo, anche e soprattutto quelli più delicati come le saldature che, ciclicamente, si rompono». Per arrivare alla configurazione ideale, dunque, fu disegnata e costruito un primo stampo in acciaio temprato. Tuttavia, presentò da subito alcuni problemi funzionali: «La sua durata – precisa Mason – non era particolarmente elevata; il carburo di silicio, infatti, è un materiale decisamente abrasivo, e all’incirca dopo un migliaio di pezzi stampati, l’attrezzatura risultava non più servibile essendo troppo usurata e consumata. Poiché il nostro cliente necessitava di produrre un maggior numero di mattoni per stampo, decidemmo di optare per un altro tipo di materiale». Fu scelto il carburo di tungsteno, cioè il metallo duro, in quanto materiale maggiormente resistente all’abrasione del carburo di silicio. «Avevamo tuttavia alcune riserve, e non relative al maggiore costo, ma dovute al fatto che il metallo duro è molto fragile e quindi maggiormente predisposto alle rotture da sollecitazioni meccaniche, almeno in linea teorica», precisa Mason

FIG. 4 – Lo stampo posizionato sulla pressa per la fase di formatura.

Fu dunque ricostruito in metallo duro il settore interno dello stampo, cioè la “camicia” che viene messa a contatto con l’impasto di carburo di silicio durante la fase di pressatura. Mason: «Al termine delle prove verificammo che la scelta del metallo duro non solo garantiva una durata 6-7 volte superiore rispetto all’acciaio temprato, ma anche una maggiore resistenza alle sollecitazioni meccaniche delle parti più delicate».

Fu dunque scelto definitivamente di utilizzare il metallo duro per costruire le parti d’usura della matrice mediante la saldobrasatura di piccole lastre e di fodere con spessore di circa 5 mm. «Essendo il metallo duro molto costoso, abbiamo scelto di utilizzarne solo lo stretto indispensabile», precisa Andrea Mason. Fu altresì deciso di lasciare in acciaio temprato alcuni altri elementi (per esempio i punzoni) e di costruire in acciaio al carbonio C40 o in acciaio bonificato 1.2312 la cassaforma.

Un altro elemento chiave della progettazione riguardò la facilità di smontaggio. «Questo tipo di stampo, come detto, necessita di operazioni di manutenzione e rigenerazione abbastanza frequenti; dunque, il nostro obiettivo era quello di realizzare un’attrezzatura solida, cioè in grado di resistere alle diverse sollecitazioni e vibrazioni della fase di stampaggio, ma che fosse anche facilmente smontabile».

FIG. 5 – Esecuzione delle casseforme su centri di fresatura a 5 assi Roller XL OMV. Nel riquadro, un dettaglio della lavorazione.

Quattro mesi per la costruzione
Una volta definita la matematica dello stampo, attività che ha richiesto non più di due settimane di lavoro, si è passati alla fase di costruzione. «Nel nostro reparto di lavorazioni meccaniche – riprende Andrea Mason – lavorano macchine utensili a CNC di ultima generazione programmate mediante il CAM PowerMill della Delcam». Le macchine più evolute sono: un centro di fresatura Roller XL a 5 assi della Parpas, con area di lavoro di (2000x1800x1000) mm, una fresatrice Parpas THS 100 con area di lavoro 2500x1100x1000 e un centro di lavoro verticale MV-205 CP della Quaser; inoltre, operano in officina un cambio pallet automatico e due cambi utensili motorizzati da 120 posti, entrambi della FCS System. «Abbiamo anche torni a controllo numerico, foratrici, rettificatrici tangenziali e in tondo e macchine di elettroerosione a filo grazie alle quali lavoriamo il carburo di tungsteno», precisa Andrea Mason. Nel caso specifico, la maschera in metallo duro è stata costruita a partire da piastrine grezze in carburo di tungsteno le quali sono state dapprima saldobrasate sulle parti in acciaio (operazione molto delicata e complessa) e successivamente rettificate. Andrea Mason: «L’unione delle diverse piastrine in metallo duro saldobrasate costituisce il cuore dello stampo, e la relativa rettifica, con raggiungimento di precisioni dell’ordine del centesimo di millimetro, è stata senz’altro la lavorazione più ostica e impegnativa». Del resto, rettificare il metallo duro è operazione per nulla semplice: una lavorazione non perfettamente eseguita, infatti, può generare diversi problemi come il surriscaldamento della mola e/o del pezzo in lavorazione con conseguente deformazioni non controllate e errori fuori tolleranza. «Non a caso – riprende Mason – sono poche le aziende che riescono a lavorare con successo il carburo di tungsteno; si tenga presente che è un materiale molto caro e quindi eventuali errori e scarti possono incidere notevolmente sul costo di produzione di uno stampo».

Parallelamente alla rettifica del metallo duro, tutti gli altri elementi in acciaio, e cioè i punzoni, i diversi accessori e le casseformi, sono stati realizzati mediante lavorazioni per asportazione truciolo e finiti, a seconda del caso, mediante rettifica, elettroerosione a filo o direttamente in fresatura. «La costruzione dei diversi componenti è durata all’incirca 4 mesi, soprattutto per il notevole tempo di approvvigionamento del metallo duro; successivamente si è passati al montaggio finale, il che ha richiesto pochi giorni di lavoro», precisa Mason.

FIG. 6 – Lavorazioni meccaniche dei pezzi in acciaio su centro di fresatura MV-205 CP Quaser.

Esperienza e tecnologia
Alcuni anni fa il primo stampo fu consegnato alla KeraTech, dopo le fasi di regolazione sulla pressa, è partito con la produzione. Andrea Mason conclude: «La soddisfazione del cliente è la nostra maggiore gratificazione. Lo stampo con la camicia interna antiusura in metallo duro è ormai in produzione da tempo e, nonostante il costo iniziale sia superiore rispetto a quello in acciaio temprato, assicura notevoli benefici: l’aumento della capacità produttiva da 1.000 pezzi a circa 8.000 pezzi, quindi con un aumento della durata da poche settimane a circa 4 mesi prima della rigenerazione/ricostruzione; riduzione dei fermi macchina; miglioramento della qualità dei manufatti stampati essendo il carburo di tungsteno materiale più duro dell’acciaio. Benefici significativi che è stato possibile raggiungere grazie a un perfetto connubio tra esperienza e tecnologia».

FIG. 7 – Preparazione della rettifica tangenziale di un blocchetto in metallo duro.

La crisi del refrattario
Eurotec realizza stampi per la produzione di mattoni refrattari, mattoni cioè utilizzati per la costruzione degli altoforni presenti nelle acciaierie e nei cementifici; oppure mattoni di forme particolari che vengono impiegati per rivestire le paniere negli impianti di colata continua, o le siviere, che sono recipienti atti a contenere il metallo fuso incandescente utilizzate nei centri siderurgici. Con la crisi del mercato, iniziata nel 2008, gran parte delle acciaierie e dei cementifici sono “emigrate” in Cina e India, con conseguente calo della domanda di mattoni refrattari e dei relativi stampi. Andrea Mason: «In Italia l’ILVA di Taranto è l’unica grande acciaieria rimasta che effettua la produzione dal ciclo primario, quindi con l’utilizzo di altoforni e di centrali che necessitano di elementi in materiale refrattario. Per fronteggiare questo fenomeno di delocalizzazione, da alcuni anni abbiamo deciso di diversificare la produzione allargando le nostre competenze al settore degli stampi a iniezione, per pressofusione, sinterizzazione, ecc. Gli stampi per formatura di materiale refrattario, in ogni caso, rimangono il nostro core business».

FIG. 8 – Elementi in metallo duro saldobrasati pre e post rettifica.

La formatura dei mattoni
Il ciclo di formatura, o meglio di pressatura, dei mattoni refrattari avviene su presse idrauliche particolari, a volte anche “vibranti” come in questo caso, di grandi dimensioni e con potenze che possono arrivare anche a 2.500 tonnellate. Il ciclo di lavoro è composto da tre fasi: la prima, manuale o automatica, consiste nel versamento all’interno dello stampo del materiale da compattare, che è una mistura di carburo di silicio in polvere, acqua e additivi chimici quali collanti. Segue la fase di stampaggio vera e propria che non è particolarmente rapida e, nel caso delle presse “vibranti”, può durare alcune decine di secondi: in genere, la pressa comprime attraverso un punzone superiore il materiale e, una volta imposta una certa pressione, alcuni meccanismi a camme generano dal basso la vibrazione necessaria a mescolare e omogeneizzare l’impasto fino alla completa compattazione. L’ultima fase è quella dello scaricamento del pezzo stampato, che in questo caso viene anch’essa svolta manualmente; quindi l’intero ciclo può durare quindi alcuni minuti. Una volta scaricato, il mattone si trova nella sua fase “cruda”: per raggiungere tutte le qualità fisiche e meccaniche richieste, deve successivamente essere essiccato e poi cotto in forni speciali.

Costruzione delle casseformi
In merito alla fase di pressatura del materiale refrattario, occorre specificare che le pressioni in gioco sono molto elevate, quindi lo stampo deve essere preventivamente montato su involucri (portastampi) di sostegno, dette “casseforme”, che possono essere in acciaio e di dimensioni anche molto generose. «Eurotec – sottolinea Andrea Mason – costruisce non solo gli stampi di formatura ma anche i relativi portastampi, che possono avere superfici anche di 1.900 x 1.500 mm».

FIG. 9 – L’ing. Andrea Mason, socio della Eurotec S.r.l. di Ballò di Mirano (VE).

Carta d’identità dello stampo
Pezzo finito: mattone in carburo di silicio per la costruzione di torri al cui interno avviene la cottura di cilindri ceramici.
Cliente: KeraTech S.p.A. di Romans d’Isonzo (GO).
Peso e dimensioni dello stampo: (40 x 40 x 60) cm; circa 800 kg.
Materiale dello stampo: camicia interna in carburo di tungsteno (detto anche widia o metallo duro); punzoni e altre parti dure in acciaio temprato; casseformi in C40 o acciaio bonificato 1.2312.
Fabbricante: Eurotec S.r.l., via Thomas Alva Edison, 53 – 30035, Ballò di Mirano (VE). Tel.: 041.430028 – www.eurotecstampi.it; email: info@eurotecstampi.it
Software di progettazione: SolidWorks.
Tecnologie di costruzione dello stampo: centri di fresatura a 5 assi Parpas Roller XL, Parpas THS100 e Quaser MV-205 CP, programmati mediante il CAM PowerMill di Delcam (lavorazione pezzi in acciaio); rettificatrici, elettroerosione a filo (finitura pezzi in acciaio); rettificatrici tangenziali e in tondo (lavorazione metallo duro).
Durata della progettazione/costruzione: 4-5 mesi.
Manutenzione programmata: ogni 8.000 pezzi circa.

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Source: Stampi
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