Guida comparativa alle lavorazioni meccaniche, chimiche ed elettrochimiche

Con l'evolversi dell'ingegneria moderna, la domanda di processi di lavorazione avanzati continua a crescere. Ciò ha spinto i produttori a ricorrere sempre più spesso a nuovi metodi per soddisfare requisiti di produzione sempre più esigenti.

La lavorazione meccanica, chimica ed elettrochimica si avvalgono di tre meccanismi fondamentalmente diversi per la rimozione del materiale. La scelta tra questi non dipende certo dal fatto che uno sia migliore o preferibile rispetto agli altri. I fattori principali da considerare sono la geometria della forma, la durezza del materiale, la tolleranza alle tensioni residue o lo spessore delle pareti.

La presente guida analizza le tre famiglie in termini di finitura superficiale, tolleranze, compatibilità dei materiali e costi di progettazione, in modo che i team addetti agli acquisti possano selezionare il processo più adatto prima di richiedere i preventivi.

Cosa contraddistingue queste tre famiglie di lavorazioni?

La lavorazione meccanica utilizza un processo di produzione sottrattivo per asportare materiale da un pezzo grezzo. Il processo prevede il contatto diretto con un utensile da taglio, come una punta da trapano o una fresa rotante, per ottenere la forma desiderata, avvalendosi del taglio meccanico e della deformazione plastica localizzata per generare trucioli ^[1]. La qualità superficiale e i parametri dimensionali del prodotto finale dipendono da fattori quali la materia prima, l’utensile da taglio e i parametri della macchina. La lavorazione svizzera (tornitura di tipo svizzero) e la fresatura CNC rientrano in questa categoria.

La lavorazione chimica asporta materiale dissolvendo parti della superficie metallica in soluzioni chimiche corrosive. Per proteggere le aree che devono rimanere intatte si utilizza un mascherante o un fotoresist. La fotoincisione (fotochimica), la fresatura chimica e la tranciatura si basano tutte sullo stesso principio di asportazione del materiale. La scelta del metodo dipende dallo spessore del materiale e dalla geometria.

La lavorazione elettrochimica (ECM) asporta il materiale esclusivamente tramite dissoluzione anodica, senza alcun contatto meccanico o termico. D'altra parte, la lavorazione a scarica elettrica (EDM e WEDM) si avvale dell'erosione da scintilla. Poiché in questi processi non tradizionali non viene esercitata alcuna forza di taglio fisica, essi sono particolarmente adatti alla lavorazione di acciai per utensili temprati e di contorni complessi che causerebbero la rottura di una fresa convenzionale.

In che modo si differenziano la finitura superficiale e la tolleranza?

Siamo consapevoli che le capacità di lavorazione variano notevolmente; pertanto, i dati specifici hanno un valore maggiore rispetto alle affermazioni generiche. Comprendere questa relazione è fondamentale, poiché le indicazioni relative alle tolleranze e le specifiche sulla finitura superficiale determinano solitamente le decisioni di approvvigionamento.

Il fisica fondamentale influisce anche sul modo in cui il processo di lavorazione asporta il materiale e sul suo comportamento.

Nella fresatura chimica, gli ingegneri devono tenere conto delle variazioni dimensionali dovute alla fresatura, prevedendo dei margini di incisione per il pezzo iniziale. Ciò comporta l'aggiunta di materiale pari alla profondità di incisione prevista più un fattore di tolleranza compreso tra 10 e 20%.

Infatti, nell'incisione fotochimica, la compensazione del sottosquadro è un aspetto fondamentale a causa della natura isotropa dell'incisione chimica. Questa rimuove il materiale al di sotto della maschera di fotoresist man mano che procede l'incisione lungo lo spessore verticale. Il fattore di incisione varia da 1:1 a 3:1 a seconda del processo e del materiale.

Nell'EDM, il valore Ra (rugosità superficiale) e la tolleranza sono strettamente correlati. Finiture lisce con un controllo più rigoroso del valore Ra <1,5 μm dovrebbero essere abbinate a una tolleranza di ±0,010 mm. Se si richiede una finitura a specchio senza allentare la tolleranza dimensionale, il tempo di ciclo aumenterà in modo significativo.

Quali materiali è effettivamente in grado di trattare ciascun processo?

La fresatura CNC / lavorazione svizzera consente di lavorare un’ampia gamma di leghe, metalli e tecnopolimeri. Tra le leghe figurano, ad esempio, gli acciai inossidabili, l’ottone e le leghe di alluminio (Al7075, 6061), il titanio e materiali plastici quali il PEEK e il Delrin. La lavorazione multiasse consente di realizzare geometrie 3D complesse e sottosquadri che la lavorazione svizzera non è in grado di eseguire a causa delle sue parti rotanti di forma affusolata.

La fresatura chimica è comunemente utilizzata con l’alluminio e le sue leghe. Anche altri metalli come il magnesio, il titanio, il rame e alcuni metalli refrattari (tantalio, molibdeno) sono malleabili. La fresatura chimica risolve un particolare problema metallurgico che i metodi meccanici non riescono a risolvere. È in grado di rimuovere lo strato superficiale alfa, di natura fragile, dai pezzi forgiati in titanio; in questi casi, se effettuata meccanicamente, la rettifica introduce tensioni residue e comporta il rischio di formazione di crepe nei materiali. Questa capacità contribuisce a ridurre il peso su superfici curve complesse, come i pannelli di rivestimento dei produttori OEM del settore aerospaziale.

La fotoincisione/sagomatura chimica è applicabile a metalli quali acciaio inossidabile, leghe di nichel, ottone, rame, Kovar, Invar e acciai per molle. È adatta a lamine e fogli con uno spessore compreso tra 0,01 mm e 2 mm.

L'EDM / WEDM è ideale per qualsiasi materiale elettricamente conduttivo. Tra i materiali più comuni figurano l'acciaio temprato, l'ottone, il carburo e le leghe di titanio. Il vantaggio principale dell'EDM è quello di consentire la lavorazione di precisione di metalli duri e conduttivi che risultano difficili o impossibili da lavorare con altri processi.

Fattori di costo e tempi di esecuzione in ciascun processo.

I costi e i tempi di consegna relativi alla fresatura CNC e alla lavorazione svizzera dipendono principalmente dai seguenti fattori:

• La scelta del materiale incide sul costo sia in termini di prezzo della materia prima che di lavorabilità. Ad esempio, un blocco di titanio è costoso rispetto all’alluminio; tuttavia, la sua lavorazione richiede un tempo tre volte superiore.
• La geometria dei pezzi, come pareti sottili, cavità profonde e sottosquadri, richiede utensili speciali e operazioni con più configurazioni.
• La complessità di configurazione, come nel caso di tolleranze strette (ad esempio +/- 0,005″), comporta costi maggiori poiché richiede una velocità di taglio più bassa, una maggiore frequenza di ispezione e ulteriori operazioni di finitura per ottenere parametri esatti.

I fattori che determinano i costi e i tempi di consegna della lavorazione chimica sono:

• Lo spessore del materiale: con materiali più spessi (>1,5 mm) aumentano il tempo di incisione, il consumo di energia e quello di sostanze chimiche.
• Quantità del lotto in cui i pezzi vengono fatturati per foglio anziché per singolo taglio, riducendo così il costo unitario.
• Le operazioni secondarie, quali la placcatura, il trattamento termico o specifici controlli di qualità, comportano costi aggiuntivi.

I costi dell'EDM e del WEDM dipendono in larga misura dalle tariffe orarie delle macchine, dallo spessore dei pezzi e dai costi di configurazione.

• Le tariffe orarie delle macchine per lavori standard e i costi delle macchine in outsourcing variano tra $75 e $120/ora, mentre quelle per lavori specialistici ad alta precisione vanno da $100 a $150/ora. Inoltre, i tempi di consegna per i pezzi su misura variano da 3 a 10 giorni, sia per la prototipazione che per la produzione.
• Il tipo di materiale e la sua durezza determinano una differenza di prestazioni: materiali come gli acciai per utensili temprati consentono una velocità di taglio maggiore rispetto all’acciaio laminato a freddo ricotto. L’acciaio laminato a freddo presenta impurità che interrompono la scarica. Le velocità di taglio diminuiscono all’aumentare dello spessore del materiale.
• La qualità della superficie viene migliorata grazie a ulteriori passate di rifinitura. L'elettroerosione a filo, essendo un processo a più passaggi, consente di ottenere un valore Ra compreso tra 2,5 e 3,2 µm. Un singolo passaggio di rifinitura consente di ottenere un valore Ra di 0,4 µm, mentre da due a tre passaggi consentono di ottenere un valore Ra pari o inferiore a 0,25 µm. Ogni passaggio comporta un aumento dei tempi di lavorazione e costi aggiuntivi per gli utensili.

Confronto tra processi di lavorazione: CNC/svizzero vs. chimico vs. EDM.

La fresatura CNC e la lavorazione svizzera sono le soluzioni ideali per forme 3D complesse, alloggiamenti a blocco e parti cilindriche di alta precisione. I componenti che richiedono elevata precisione dimensionale, resistenza meccanica e finitura superficiale vengono realizzati al meglio mediante questi processi.

Quando produciamo componenti come alloggiamenti in alluminio e involucri in ABS per uso medico, la fresatura ci consente di controllare lo spessore delle pareti, la precisione delle filettature e la geometria dei salti in un’unica configurazione. Questo approccio riduce al minimo gli errori di riposizionamento e garantisce tolleranze strette su tutto il componente. La fresatura svizzera è ideale per componenti lunghi e rotanti di piccolo diametro, come alberi e perni.

La fresatura chimica è la scelta migliore per componenti di grandi dimensioni, a pareti sottili, con caratteristiche complesse e finiture lisce. Non altera la struttura interna del grano del metallo, evitando così sollecitazioni meccaniche. Il materiale dissolto chimicamente nella fotoincisione e nella tranciatura chimica non forma le bave tipiche della lavorazione meccanica standard. Rimuovendo il materiale solo dove necessario, questo processo riduce lo spreco di materiale e i costi aggiuntivi di finitura. La fresatura chimica eccelle nell’industria aerospaziale per la riduzione del peso su un’ampia superficie.

La lavorazione elettrochimica (ECM) è molto apprezzata per la sua capacità di lavorare forme complesse senza causare sollecitazioni termiche o meccaniche ai pezzi. Al contrario, l’EDM e il WEDM sono ideali per modellare metalli duri e conduttivi al fine di creare dettagli intricati come angoli interni acuti e fori fini senza esercitare forze di taglio fisiche. Sebbene la WEDM elimini la necessità di una pre-lavorazione con materiali più morbidi nella produzione di stampi e matrici, essa crea comunque uno strato di rifusione e una zona termicamente alterata (HAZ) a causa dell’erosione da scintilla, il che può richiedere una post-lavorazione per applicazioni sensibili, poiché l’elevata energia termica localizzata fonde e raffredda rapidamente la microstruttura superficiale ^[2].

Conclusione

Tra i processi di lavorazione presi in esame, non esiste un unico metodo valido per ogni pezzo né superiore agli altri. Per ottenere risultati migliori, è fondamentale combinare le loro potenzialità o scegliere il metodo più adatto alle proprie esigenze.

Noi di First Mold crediamo che decisioni migliori in ambito produttivo portino a risultati ingegneristici migliori. Ecco perché ci impegniamo a fornire approfondimenti pratici e collaudati sull’esperienza, su cui ingegneri e produttori possano fare affidamento con fiducia. Se state cercando di esplorare diverse tecniche di produzione, creare o ottimizzare progetti, la scelta del processo giusto è fondamentale. Con un team esperto in grado di fornirvi la giusta guida per la vostra applicazione, l’eccellenza è garantita.

Riferimento

[1] Davies, M. A. et al. (2007). Sulla misurazione della temperatura nella lavorazione meccanica. Annali del CIRP – Tecnologia di produzione, 56(2), 781-804. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2007.10.009

[2] Ho, K. H., & Newman, S. T. (2003). Lo stato dell'arte dell'elettroerosione (EDM). Rivista internazionale di macchine utensili e produzione, 43(13), 1287-1300. https://doi.org/10.1016/S0890-6955(03)00162-7