MATERIALI
LA FUSIONE DELLA
COMPLESSITÀ
Casting complexity
La tecnologia del metal part casting
quale strumento per realizzare parti
e pre-serie di geometria complessa
in tempi e a costi competitivi.
Metal part casting technology as a
tool for making geometrically complex
parts and pre-series that are competitive
in terms of both time and cost.
La realizzazione di prototipi ‘definitivi’ e preserie è da sempre il cavallo di battaglia di
Partec. È stato quindi di buon grado che,
incentivata dalle richieste dei clienti, l’azienda
ha deciso 3 anni fa di affiancare all’originaria
specializzazione nella prototipazione rapida di
parti in materia plastica un reparto dedicato
alla fusione di leghe metalliche con una tecnologia innovativa che si ispira alla fusione a
cera persa.
“Per fornire un servizio di qualità anche
nell’ambito della fabbricazione di parti metalliche – afferma Ernesto Marchesi, amministratore delegato di Partec – abbiamo innanzitutto scelto persone dotate delle competenze
tecniche necessarie ad accompagnarci in
questa evoluzione.
Dopodiché abbiamo acquistato gli strumenti
tecnologici adatti ad offrire al cliente un servizio di metal part casting che dal grezzo arriva
al pezzo definitivo, con il materiale del prodotto di serie ma con i prezzi e i tempi delle tecnologie rapide e, soprattutto, con complessità
geometriche talvolta irrealizzabili attraverso le
lavorazioni convenzionali”.
The task of making ‘definitive’ prototypes and
pre-series has always been Partec’s strong
point. Therefore, three years ago, spurred on by
customer requests, the company willingly decided to flank its original specialisation in rapid
prototyping plastic parts with a section set
aside for casting metal alloys using a form of
technology that was inspired by lost wax
casting. “To be able to provide a quality service, even within metal part fabrication circles –
said Ernesto Marchesi, Partec’s Managing
Director – we first selected a number of people
who had the necessary technical skills to be
able to accompany us in this undertaking. We
then bought the most suitable technological
tools so as to be able to offer the customer a
metal part casting service. The service begins
with the raw product and ends with the final
part, made out of standard materials but with
the price and timescale of rapid technologies
and, above all, with complex geometries that,
at times, are impossible to obtain using conventional machining processes”.
1.
Fully functional
“Being well versed in any form of technology –
explained Gianni Beretta, the Research &
Development Manager – means that it is possible to make the most of the benefits that it has
to offer and correctly deal with any possible
limitations. Casting in the plastic vacuum
moulds in a controlled atmosphere as used by
Partec brings with it highly beneficial in terms of
the quality of the final product, however, the
vacuum process reduces the dimensional possibilities and the controlled atmosphere means
that casting temperatures can be no higher
than about 1050°C. So, the systems that we
have at our disposal are mainly capable of
casting aluminium, brass and zama which are
used to make parts that are a maximum of 320350 mm in size. Unlike what happens when it
comes to rapid prototyping plastic components, also of a functional type, here it is possible to also use metallic materials that do not
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Funzionali a tutto tondo
“La conoscenza approfondita di una tecnologia
– spiega Gianni Beretta, responsabile Ricerca e
Sviluppo– permette di sfruttarne al meglio i vantaggi e gestirne correttamente i limiti. La fusione
nello stampo di gesso sotto vuoto in atmosfera
controllata utilizzata da Partec comporta significativi vantaggi in termini di qualità del prodotto
finale, tuttavia la lavorazione sotto vuoto riduce
le possibilità dimensionali e l’atmosfera controllata impone di non superare temperature di fusione intorno ai 1050 °C. Pertanto gli impianti a
nostra disposizione sono in grado di fondere principalmente alluminio, ottone e zama per ottenere parti che raggiungono i 320-350 mm massimi.
A differenza di quanto avviene nella prototipazione rapida di componenti in materia plastica,
anche di tipo funzionale, è possibile usare materiali metallici che non simulano quelli che saranno usati in fase di produzione, ma sono esattamente della stessa lega metallica scelta per il
pezzo definitivo. Sebbene persistano delle differenze a livello metallurgico rispetto al prodotto in
serie, i componenti ottenuti tramite metal part
casting possono essere tranquillamente montati
sul prodotto finale e utilizzati come prodotti di
serie. Ne sono un esempio alcune parti che
abbiamo realizzato per un motore montato su
un veicolo usato in competizioni automobilistiche. Inoltre, a differenza di quanto avviene per i
prototipi in materia plastica, quelli in metallo
sono impiegati, nella maggior parte dei casi, per
sperimentare a tutto tondo le funzionalità del
pezzo. Si parla quindi di resistenza meccanica,
trasferimento / dispersione del calore, duttilità e
così via. Non si tratta di prototipi rispondenti solo
a requisiti geometrici o dimensionali, ma anche
e soprattutto ad esigenze di carattere tecnologico”.
I vantaggi del processo
“Uno dei principali vantaggi del metal part
casting rispetto alle tecnologie ‘tradizionali’ di
fusione dei metalli – prosegue Beretta – è la possibilità di realizzare parti geometricamente
anche molto complesse senza che ciò influisca
sui costi e i tempi del processo. Quando si utilizza
la fusione in gravità o la pressofusione, i fattori
economici e le tempistiche cambiano enormemente se si fabbrica un oggetto semplice o uno
complesso. Il processo utilizzato da Partec, invece, non risente quasi per nulla della complessità
geometrica dei pezzi. Pertanto, più le parti da
ottenere sono complesse più il metal part
casting risulta competitivo. Fino ad arrivare a
rendere fattibili componenti irrealizzabili con altri
metodi di fusione. Ne consegue anche la possibilità di ridurre il numero dei componenti di un
prodotto e, quindi, i tempi e i costi di montaggio.
Un esempio di come il metal part casting può
essere risolutivo è dato dalle palette dei turbocompressori. La loro forma viene spesso semplificata in fase di progettazione per renderla fattibile con i metodi usati nelle produzioni in serie.
Utilizzando il metal part casting noi possiamo
invece fornire palette con qualsiasi tipo di curva-
2.
simulate those that will be used during production, but are exactly the same metal alloy as
chosen for the final part. Even though there are
differences on a metallurgical level compared to
standard products, components that are made
using metal part casting can easily be fitted onto
the final product and used as standard products.
A good example here is a number of parts that
we made for an engine fitted on a vehicle used
in car racing circles. What’s more, unlike what
happens with plastic prototypes, those made out
of metal are used, in most cases, to carry out indepth experiments with regards to the functionality of the part. Therefore, we are talking about
mechanical resistance, heat transfer / dispersion,
ductility and so on. These prototypes do not comply with just geometrical or dimensional requirements, but also, and above all, needs of a technological nature”.
The advantages of the process
“One of the main advantages that metal part
casting has over ‘traditional’ metal casting technologies – Mr. Beretta went on – is the possibility to
make parts that are also geometrically very complex without this having an effect on the time
and costs of the process. When using gravity or
pressure die casting, money and time factors
vary enormously depending on whether you are
making a simple or a complex object. The process that Partec uses, however, is not affected in
any way by the geometric complexity of the
parts. So, the more complex the parts that need
making are, the more metal part casting proves
to be competitive. Going as far as making feasible components that could not be made using
other casting methods. As a result, it is also possi-
1. Particolare in ottone grezzo e post-lavorazione di
ripresa da macchina utensile Sullo sfondo master in
cera usato per la realizzazione del grezzo.
2. Fasi di realizzazione di un pezzo in alluminio mediante Metal Part Casting: prototipo in stereolitografia, modello sacrificale in cera e, sullo sfondo, stesso modello
in PS; pezzo ricavato dalla fusione.
1. A part made out of untreated brass and post-machined on a machine tool. In the background, the wax
master used to make the untreated part.
2. Manufacturing phases for an aluminium part made
using Metal Part Casting: Stereolithographic prototype,
wax pattern and, in the background, the same model
made out of PS; part made by casting.
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3.
tura. Un’altra possibilità offerta da
questa tecnologia consiste nella
realizzazione di pezzi in più materiali: metallo e plastica o differenti leghe metalliche. Ad esempio,
si può iniettare la resina più
adatta sopra una parte precedentemente fusa e posta in
uno stampo al silicone. Oppure,
si possono co-fondere viti prigioniere, pipette o altri particolari in
metalli diversi inserendoli nello
stampo di gesso e fondendoli direttamente insieme. Questo comporta
non solo un risparmio a livello operativo, ma
spesso anche un miglioramento in termini di
precisione e affidabilità del risultato. Nelle teste
dei motori raffreddate ad acqua, per esempio, sono spesso presenti pipette in metallo solitamente inserite per interferenza e incollate
con mastici, sulle quali vengono poi montati i
collettori in gomma che portano l’acqua di
raffreddamento. Si tratta di oggetti che subiscono sbalzi termici notevoli e, di conseguenza, possono verificarsi delle perdite. Se la pipetta viene co-fusa con il collettore, si superano
tali inconvenienti, evitando problemi di tolleranze di lavorazione, montaggi per interferenza, collanti, raggiungendo inoltre un’affidabilità superiore. Per contro, esiste nel metal part
casting un limite legato ai numeri. Il processo
di fusione è relativamente lento rispetto alla
produzione in serie. Seppure possiamo organizzare lo stampo per utilizzarne al meglio gli
spazi, rimane un limite alla quantità di fusioni
ottenibili nell’unità di tempo. Il servizio di Partec
è quindi rivolto principalmente alla fornitura di
prototipi da utilizzare per verifiche immediate
dei componenti o delle soluzioni progettuali.
Tuttavia, la tendenza del mercato a ridurre
progressivamente i numeri delle produzioni, sta
estendendo il servizio in misura crescente
anche alle pre-serie e alle piccole serie”.
Un servizio in evoluzione
“Per Partec il servizio legato al metal part
casting è relativamente giovane ma sta crescendo rapidamente. – sottolinea Beretta –
Alle lavorazioni meccaniche tradizionali da
effettuare sul pezzo grezzo abbiamo aggiunto
trattamenti termici volti a condizionare la cristallografia del componente ottenuto per
fusione in modo da portare le prestazioni meccaniche (allungamento a rottura, snervamenti,
durezza superficiale ecc.) a valori molto vicini
a quelli delle parti prodotte per fusione ‘tradizionale’, gravità o pressofusione. Inoltre, abbiamo stretto rapporti di fattiva collaborazione
3. Fusione di un pezzo in alluminio ottenuto da master
in polistirene data la complessità della geometria.
4. La sede di Partec.
3. Casting an aluminium part that was obtained from a
polystyrene master given the complexity of the geometry.
4. The Partec plant.
ble to reduce the number of components in a product and, therefore, also the amount of
time and money spent on
assembling them. One
example of how metal
part casting can be the
right solution are the blades found in turbo-compressors. Their shape is often
simplified during the design
phase so as to make them
feasible when using methods earmarked for standard production runs. By
using metal part casting, however, we can supply
blades that have any kind of curvature. Another
possibility on offer from this form of technology is
that of being able to make parts out of different
materials: metal and plastic or different metal
alloys. For instance, you can inject the most suitable
resin over a part that has been previously cast and
put into a silicone mould. Or, you can co-cast studs,
pipettes or other parts made out of different metals
by putting them into a plaster mould and casting
them together directly. This means not only a
saving on an operational level, but also an improvement in terms of the precision and reliability of
the result. In the heads used in water-cooled engines, for example, you often find metal pipettes that
are usually interference fit and glued using mastics,
which are then fitted with rubber manifolds that
convey the cooling water. These are objects that
are exposed to vast temperature swings and, as a
result, they can start to leak. If the pipette is co-cast
with the manifold, you can get round this problem,
so avoiding any drawbacks in terms of machining
tolerances, interference fitting or bonding agents,
whilst also achieving a higher level of reliability.
Having said this, there is a limit linked to the numbers within metal part casting circles. The casting
process is relatively slow compared to standard
production runs. Even though we can set up the
mould in such a way to make the most of the
space available, the number of casts that can be
obtained in the time span is still limited. So, the service on offer from Partec is geared mainly towards
supplying prototypes that can be used to carry out
immediate inspections of components or design
solutions. Nevertheless, the tendency on the market
to progressively reduce production numbers means
that the service, to a growing extent, can also be
applied to pre-series and small batches”.
An evolving service
“For Partec, the service linked to metal part casting
is quite recent but it is rapidly progressing. – Mr.
Beretta was keen to point – The traditional mechanical machining processes carried out on the raw
product have been flanked by heat treatments
which are aimed, at times, at conditioning the crystallography of the component achieved by
casting in such a way as to bring the mechanical
performances (elongation at break, yields, surface
hardness, etc.) up to levels that are very close to
those found in parts made using ‘traditional’
casting, namely gravity or pressure die casting.
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con aziende specializzate nei numerosissimi processi tecnologici applicabili ai metalli, in modo
da consegnare al cliente il pezzo meglio rispondente alle sue esigenze. Recentemente, ad
esempio, abbiamo fornito dei cilindri per motore a scoppio che richiedevano un processo di
nichelatura e la levigatura con pietre diamantate con tolleranze del micron. Un altro passo
che Partec sta affrontando per l’evoluzione del
servizio di metal part casting riguarda la certificazione dei pezzi. Riteniamo infatti che rappresenti un aspetto di correttezza nei confronti del
cliente accompagnare le parti fornite con una
sorta di ‘carta di identità’ che indichi quanto il
pezzo fisico (superfici fuse e superfici lavorate) si
discosti dal modello matematico originario. Si
tratta di un servizio di certificazione condotto
non con le macchine di tastatura tradizionali
ma con sistemi laser, radiografici, TAC o altre
tecnologie in grado di ricostruire rapidamente il
modello del pezzo finito e sovrapporlo ai dati
matematici del progetto di partenza per calcolare gli scostamenti, anche solo con mappe di
colore, in modo da informare il cliente delle
imprecisioni che inevitabilmente il processo di
prototipazione induce e che sono certamente
diverse da quelle indotte da processi di serie
quali ad esempio la pressofusione”. “Per divulgare ulteriormente le potenzialità della tecnologia del metal part casting e il servizio proposto
da Partec abbiamo deciso di aderire a RM
Forum che si terrà allo Sheraton Milan Malpensa
Airport Hotel il 20 e 21 settembre 2012. – conclude Marchesi – Riteniamo sia importante partecipare con una tecnologia che non va in concorrenza con quelle di sinterizzazione esposte
alla manifestazione, ma che si propone come
vantaggioso strumento complementare per
contribuire in maniera sinergica a rendere competitivi i nostri clienti sul mercato”.
o
What’s more, we have set up a number of relationships based on effective collaboration with various
companies that specialise in the vast range of technological processes that are applicable to metals,
so as to be able to supply customers with parts that
are the most suited to their requirements. For instance, we recently supplied the cylinders for an internal-combustion engine that needed a nickel-plating process and hone-boring with diamond-cut stones plus micron tolerances. Another challenge that
Partec is tackling in its attempts at developing the
metal part casting service regards part certification.
In fact, we feel that it is only right for the customer
that the parts that we supply are accompanied by
a sort of ‘identity card’ that lists any differences
between the physical part (cast surfaces and
machined surfaces) and the original mathematical
model. This is basically a certification service that
applies not to traditional touch probes, but laser,
radiograph and CAT systems or other forms of technology that are capable of rapidly reconstructing
the model of the finished part and overlap it with
the mathematical data of the initial project. This
makes it possible to calculate any variances, even
using just colour maps, and inform the customer
about any inaccuracies that inevitably crop up
when using the prototyping process and which are
certainly different from those that occur when using
standard processes, pressure die-casting for instance”. “To further promote the potential on offer from
metal part casting technology and the service provided by Partec we decided to attend the RM Forum
which is being held at the Sheraton Milan Malpensa
Airport Hotel September 20th and 21st. – concluded
Mr. Marchesi – We feel that it is important to take
part with a form of technology that is not in competition with the sintering technologies that will be on
display during the event, but which acts as an
advantageous additional tool that will help our
customers to be competitive on the market”.
o
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