Guida per progettisti di prodotti: Conoscere il funzionamento del magnesio e delle sue leghe

Essendo il metallo strutturale più leggero, il magnesio presenta interessanti proprietà fisiche e meccaniche. È un metallo molto importante per i progettisti il cui compito principale è quello di creare qualcosa di leggero e resistente. La sua colabilità, l'elevata resistenza specifica e le favorevoli proprietà di schermatura elettromagnetica rendono le sue leghe più importanti. Le leghe sono utilizzate prevalentemente nel settore automobilistico, aerospaziale, elettronico e dei dispositivi medici.

Inoltre, la sua disponibilità naturale e la sua riciclabilità fanno del magnesio un obiettivo di design di prodotto sostenibile. È quindi una scelta auspicabile per i produttori attenti all'ambiente. La capacità delle leghe di magnesio di smorzare le vibrazioni e il rumore rafforza ulteriormente gli usi migliori di queste leghe. La sua applicabilità e le sue applicazioni sono comuni negli alloggiamenti delle apparecchiature elettroniche e meccaniche. Questo attributo migliora le prestazioni generali per gli utenti. Inoltre, protegge gli elementi interni dalle vibrazioni esterne.

In particolare, il magnesio può essere formato con un minor consumo di energia. Ciò può rendere la produzione più efficiente, con tassi di usura degli utensili potenzialmente inferiori in alcune lavorazioni. Sebbene il costo iniziale del materiale del magnesio sia tipicamente più alto di quello dell'alluminio, fattori come velocità di lavorazione più elevate, maggiore durata degli utensili in pressofusione, e il potenziale di consolidamento dei pezzi possono, in applicazioni specifiche ad alto volume, compensare alcuni di questi costi, portando potenzialmente a costi di produzione complessivi competitivi o addirittura inferiori in alcuni scenari.

Inoltre, la flessibilità visiva e la resistenza del magnesio consentono ai progettisti di raggiungere frontiere inedite del design leggero. La capacità della lega di rivestirsi in forme dettagliate e la sua ricettività a varie finiture superficiali ne determinano la flessibilità. Ciò le consente di soddisfare sia le proprietà funzionali che quelle decorative.

Con la crescita della domanda di prodotti leggeri ed efficaci, aumenta la preferenza per i nuovi materiali leggeri. Inoltre, il magnesio è un materiale sempre più importante e strategico per i progettisti di prodotti che puntano su leggerezza e prestazioni.

Leghe di magnesio fondamentali per i progettisti

L'applicazione non frequente di un prodotto puro magnesio nell'industria richiede lo sviluppo di leghe per scopi pratici. Il magnesio si combina con alluminio, zinco, manganese, silicio e metalli delle terre rare. Ne migliora le proprietà meccaniche e ne aumenta la resistenza alla corrosione. Sebbene i progettisti prediligano diverse leghe, come AZ91D, AM60 e ZK60, tutte e tre presentano vantaggi distinti che possono servire ai loro scopi.

L'AZ91D è una lega di magnesio straordinaria, più adatta di qualsiasi altra per la pressofusione. Contiene circa 9% di alluminio e circa 1% di zinco. Le sue caratteristiche sono prestazioni superiori alla corrosione. Ha un elevato rapporto resistenza/peso, comunemente utilizzato per le parti automobilistiche. Altri settori includono l'edilizia abitativa e i prodotti fusi in generale. Grazie alle sue caratteristiche di stabilità, i progettisti scelgono spesso l'AZ91D per applicazioni strutturali leggere e affidabili.

AM60 è una lega di magnesio e alluminio con capacità di assorbimento dell'energia e duttilità e, pertanto, è adatta per l'uso in componenti di crash automobilistici, telai di sedili e volanti. L'elevata duttilità dell'AM60 rispetto all'AZ91D indica che l'AM60 può sopportare una maggiore deformazione prima di rompersi, garantendo una maggiore sicurezza nelle situazioni di impatto.

Gli elementi di lega principali della ZK60 sono lo zinco e lo zirconio, che conferiscono alla lega un'eccellente resistenza e una buona resistenza alla fatica. Una lega di questo tipo viene solitamente utilizzata nel settore aerospaziale, nelle attrezzature sportive e nei componenti automobilistici ad alte prestazioni per ottenere un risparmio di peso senza perdere in struttura. Nelle applicazioni meccaniche esigenti e ad alta sollecitazione, la lega ZK60 offre una soluzione stabile ed efficace.

Scenari per l'utilizzo di materiali alternativi al magnesio

Sebbene il magnesio presenti diversi vantaggi, potrebbe non essere adatto a tutti i produttori. I progettisti devono anche valutare i limiti del magnesio.

Costo e disponibilità

I materiali a base di magnesio possono essere molto più costosi delle materie plastiche o delle leghe di alluminio standard in piccole serie. Gli strati protettivi aggiuntivi o le caratteristiche di protezione dalla corrosione possono aumentare significativamente i costi di produzione complessivi. Le applicazioni che devono risparmiare sui costi possono preferire l'uso di materiali in alluminio o polimeri.

Suscettibilità alla corrosione

Il magnesio è più suscettibile alla corrosione galvanica. È necessario pianificare il suo utilizzo quando entra in contatto con l'umidità o l'esposizione al sale. I trattamenti superficiali sono essenziali per evitare la degradazione incontrollata dei componenti in magnesio. Altrimenti, l'acciaio inossidabile o l'alluminio rivestito sono di solito un materiale più affidabile in caso di umidità o condizioni avverse.

Infiammabilità e complessità di lavorazione

Le qualità combustibili del magnesio allo stato di particolato e fuso aumentano il rischio per i lavoratori durante la lavorazione, la saldatura o la fusione. Questo livello di sicurezza richiede standard unici e limita l'uso del magnesio in ambienti di produzione controllati. Le aziende di solito scelgono materiali più stabili, come l'alluminio o il titanio, se le fabbriche non sono preparate ad affrontare i rischi della lavorazione del magnesio.

Magnesio e processi produttivi

Esistono numerosi metodi di produzione delle leghe di magnesio. La scelta della tecnica di produzione dipende da fattori quali la lega specifica, la complessità del pezzo, le proprietà meccaniche richieste, il volume di produzione e le considerazioni sui costi. Ogni tecnica ha livelli diversi per ottimizzare le caratteristiche e le prestazioni uniche. La pressofusione, la forgiatura (un tipo di lavorazione a caldo), l'estrusione (un altro tipo di lavorazione a caldo), la lavorazione e la produzione additiva sono i principali processi di produzione delle leghe di magnesio. La pressofusione è di gran lunga il metodo più diffuso per la produzione di componenti in magnesio. Facilita la produzione di massa di tali componenti con specifiche precise e una superficie ordinata. È adatto alla produzione di componenti automobilistici ed elettronici. Questi componenti richiedono una precisione e una consistenza molto elevate. Le prestazioni meccaniche delle leghe di magnesio sono efficaci grazie all'affinamento della struttura dei grani. L'efficacia è dovuta anche all'aumento della resistenza alla fatica per forgiatura.

I componenti in magnesio forgiato sono ampiamente applicabili in applicazioni attive. Si tratta di settori come l'aerospaziale e le auto da corsa, ma anche di biciclette esclusive. La forgiatura è una strategia efficace se si vuole che i pezzi si dimostrino eccezionalmente forti e affidabili. Grazie alla sua bassa resistenza al taglio e alla sua natura morbida, il magnesio è generalmente facile da lavorare, consentendo velocità di taglio elevate e una buona finitura superficiale. Tuttavia, una considerazione critica è che i trucioli di magnesio sono altamente combustibili e richiedono rigorose misure di prevenzione degli incendi. La lavorazione del magnesio richiede speciali controlli di ventilazione e protezione antincendio nell'ambiente di produzione. Utilizzando protocolli di sicurezza appropriati, la lavorazione crea la possibilità di produrre componenti in magnesio lavorati su misura e con dettagli elevati. La produzione additiva rappresenta una soluzione promettente per la fabbricazione di pezzi complessi o di geometrie complesse. La produzione additiva di magnesio è in aumento nella produzione di componenti aerospaziali. Inoltre, nei componenti biomedici, aiuta a ridurre il peso e consente di personalizzare le forme degli oggetti.

Opzioni di finitura superficiale per il magnesio

Il magnesio è altamente reattivo e adatto alle finiture superficiali. L'obiettivo è migliorare le sue caratteristiche di corrosione e di aspetto.

Anodizzazione

L'anodizzazione si riferisce a processi elettrochimici che creano uno spesso strato di ossido sul magnesio. Migliora significativamente la resistenza del magnesio alla corrosione e all'abrasione. Inoltre, il trattamento fornisce una finitura flessibile per scopi sia funzionali che decorativi. Le variazioni nelle leghe di magnesio causano solitamente difficoltà nell'applicazione di soluzioni di anodizzazione standard, a causa delle diverse proprietà superficiali e della reattività di queste leghe. Quando gli approcci standard sono inadeguati, l'ossidazione elettrolitica al plasma (PEO) o l'ossidazione a micro-arco sono fondamentali per ottenere prestazioni protettive ottimali e un rivestimento uniforme. 

Rivestimenti di conversione

I processi di rivestimento di conversione prevedono un trattamento chimico per creare superfici resistenti alla corrosione sui pezzi di magnesio. Si tratta di rivestimenti come il cromato e il fosfato. I rivestimenti costituiscono un primer affidabile per il fissaggio della superficie in qualsiasi altra operazione di finitura. Il loro uso è molto apprezzato nell'industria militare, aerospaziale e manifatturiera. Questi settori prediligono le prestazioni e l'affidabilità, che sono le caratteristiche più importanti.

Rivestimento in polvere

L'applicazione della vernice in polvere ai componenti in magnesio prevede l'applicazione a secco. Il processo successivo consiste nel riscaldare la vernice e sviluppare una superficie robusta e uniforme. Questo processo offre ai progettisti un'ampia gamma di colori e texture. Inoltre, lo rende più resistente a scheggiature, graffi e all'esposizione ambientale. Le applicazioni sono evidenti e toccabili, tra cui dispositivi elettronici, biciclette e mobili per interni. Le parti sono adatte all'applicazione di vernici in polvere per il loro aspetto affidabile e la loro durata. La verniciatura a polvere, che non prevede l'uso di solventi, attira l'attenzione come stile di rivestimento ecologico.

Galvanotecnica

La galvanizzazione del magnesio inizia con la deposizione di uno strato metallico, come nichel, cromo o oro. Il fissaggio avviene sul componente, in genere dopo l'applicazione del promotore di adesione. Oltre a fornire una superficie esteticamente gradevole, questa finitura migliora significativamente la durata e la protezione dalla corrosione del prodotto. Si applica regolarmente agli interni delle automobili e agli strumenti medici. È importante anche nei casi in cui l'aspetto e la durata sono fondamentali. L'elevata reattività del magnesio è tale che le necessarie fasi di pretrattamento devono essere eseguite con attenzione. Deve avvenire insieme all'inclusione di strati intermedi per ottenere risultati galvanici efficaci e una durata effettiva dei componenti.

Studio di caso

Alloggiamento per elettronica leggera: Le applicazioni frequenti della lega di magnesio sono utilizzate per realizzare alloggiamenti leggeri per l'elettronica. Si applica anche a dispositivi robusti come i gusci dei laptop e i design dei corpi macchina. I progettisti hanno scelto la lega di magnesio AZ91D per la sua eccellente colabilità e resistenza alla corrosione. L'obiettivo era quello di rendere l'oggetto più leggero. Tuttavia, è anche solido e ha una finitura metallica di qualità eccellente. Gli impianti di pressofusione producono progetti complessi con pareti fragili che non necessitano di ulteriori trattamenti. In questo modo si accelera il processo di produzione e si risparmiano i costi. Dopo che i pezzi sono stati trattati con due fasi protettive, ciascuno è stato sottoposto a un rivestimento di conversione. Sono stati inoltre sottoposti a una verniciatura a polvere nera per evitare sudore, oli e lievi abrasioni sul magnesio. La stretta collaborazione tra i team di progettisti e produttori ha portato alla produzione di pezzi funzionali. Il prodotto ha soddisfatto gli obiettivi funzionali e i requisiti estetici. Inoltre, ha sostenuto gli sforzi del marchio in termini di sostenibilità e portabilità.

Come i progettisti di prodotti lavorano senza problemi con i loro partner di produzione

Il successo delle prestazioni dei materiali nei prodotti dipende in modo significativo dai progettisti e dai produttori in modo semplice, in particolare con materiali complicati come le leghe di magnesio.

Disegno tecnico e CAD

I progettisti dovrebbero fornire modelli CAD completi con le dimensioni chiave, i requisiti di finitura e i livelli di tolleranza, nonché le specifiche della lega di magnesio. L'aggiunta di tali annotazioni aiuta i produttori a comprendere correttamente le rappresentazioni e riduce le possibilità di problemi durante lo stampaggio o la lavorazione. Il magnesio presenta differenze rispetto all'alluminio (e all'acciaio) in termini di ritiro, angoli di sformo e spessore delle pareti, il che lo rende essenziale.

Specifiche del materiale

I materiali sono disponibili sotto forma di specifiche del materiale, di cui si può verificare l'allineamento. Devono essere conformi agli standard ASTM B93/B93M o ISO 16220. Gli ingegneri possono sempre essere coerenti e chiari durante il processo di selezione delle leghe di magnesio. La composizione chimica, le proprietà meccaniche e le aspettative di lavorazione eliminano l'incertezza nella selezione dei materiali durante la produzione. I progettisti possono così consentire ai fornitori e ai produttori di soddisfare accuratamente le specifiche dei materiali. La conformità a un riferimento standard semplifica la selezione dei materiali e migliora la collaborazione internazionale.

Prototipi di loop di feedback

Con la plastica stampata in 3D si può ottenere una rapida valutazione della forma, dell'adattamento e del funzionamento. Si può ottenere anche attraverso un prototipo campione in magnesio lavorato a CNC. I modelli fisici in questa fase consentono a entrambe le parti di identificare i problemi che si presentano. In questo modo, la produzione completa viene messa a punto in modo perfetto per la qualità e l'efficienza. Il coinvolgimento dei produttori in questa fase garantisce che gli aspetti pratici della produzione facciano parte delle fasi successive al miglioramento del progetto. In questo modo, gli sviluppatori possono evitare le ingenti spese di revisione successive.

Discussione sulla tolleranza

I progettisti devono considerare l'espansione termica e la morbidezza quando definiscono le specifiche dimensionali. L'imposizione di tolleranze irrealistiche o troppo strette può causare distorsioni. Altri fattori sono il fallimento del prodotto o l'aumento dei costi di produzione. I progettisti possono garantire che le loro richieste di prestazioni possano essere soddisfatte durante la produzione. Produttori e progettisti mirano a migliorare l'efficienza della produzione e l'affidabilità del prodotto.

Integrazione dei processi

La collaborazione con gli ingegneri di produzione nella fase iniziale della progettazione identifica e risolve tempestivamente i problemi emergenti. I progettisti possono suggerire caratteristiche complesse o combinate che sembrano interessanti, ma che potrebbero essere difficili e costose da produrre in magnesio. I suggerimenti del team di produzione possono includere la segmentazione. Possono anche riprogettare i pezzi per renderli più pratici alla fusione o alla lavorazione. La producibilità viene migliorata senza compromettere il significato del progetto.

Allineamento terminologico

Un glossario o un documento di riferimento correttamente definito è utile sia per i gruppi di progettazione che per quelli di produzione. Assicura che tutti siano consapevoli di cosa significhi "anodizzazione", "rivestimento di conversione" o "grado di durezza". I problemi di finitura, lavorazione o selezione dei materiali possono sorgere a causa della confusione terminologica. Una nomenclatura standard all'inizio facilita la comprensione reciproca dei requisiti e delle fasi. Questo allineamento garantisce una migliore comunicazione tra i team.

Conclusione

I materiali in magnesio presentano vantaggi unici per i progettisti di prodotti. In termini di peso, resistenza e formabilità, sono i migliori nei settori che ricercano prestazioni ed efficienza. La scelta dei metodi di lega e delle finiture superficiali aiuta i progettisti a ottenere risultati leggeri, robusti e visivamente accattivanti. Tuttavia, i progettisti devono prestare la dovuta attenzione ai punti deboli del magnesio. Questi punti deboli includono la vulnerabilità alla corrosione, la combustibilità e i prezzi delle materie prime tipicamente più elevati rispetto ad alcune alternative. Tuttavia, una stretta collaborazione con i produttori può aiutare a ottimizzare i progetti e i processi per mitigare queste sfide e gestire efficacemente i costi complessivi. Una conoscenza approfondita del ciclo di vita dei prodotti in magnesio fornisce ai progettisti le conoscenze necessarie. La conoscenza è fondamentale per la logica e la creatività successive: le tecnologie avanzate e l'aumento delle preoccupazioni per la sostenibilità fanno sì che il magnesio cresca nella progettazione dei prodotti.

Suggerimenti: Ulteriori informazioni sugli altri metalli per i designer di prodotti