Molto spesso, devono trascorrere molti anni prima che un’intuizione si trasformi in una tecnologia. È il destino toccato anche al metallo liquido. L’idea che ha portato al suo sviluppo – nata al California Institute of Technology (CalTech) nel 1959 – ha visto infatti le prime applicazioni industriali solo nei primi anni 2000, quando Liquidmetal Tecnologies (titolare della proprietà industriale dal 1987) ha cominciato a esplorarne le potenzialità nella produzione di componenti per l’elettronica di consumo. Il business si è rivelato così interessante da risvegliare l’interesse del colosso Apple, che nel 2010 ne ha acquisito la licenza in esclusiva, dando un nuovo impulso al materiale che, in occasione del Symposium Engel 2015, ha fatto il suo debutto nel comparto delle materie plastiche.
Ma cosa accomuna il metallo liquido ai polimeri plastici? Molto più di quanto non si possa pensare: non solo alcune proprietà, ma anche la tecnica per trasformarlo. Uno dei punti che finora ne ha frenato la diffusione è appunto l’assenza di una tecnologia che permettesse di ottenere manufatti in modo efficiente ed economico su vasta scala. Engel sembra aver trovato la soluzione, e lo scorso giugno ha presentato un processo e una macchina dedicati: la tecnologia Liquidmetal.
Cos’è il metallo liquido
La struttura molecolare dei metalli liquidi è molto diversa da quella dei tradizionali metalli, tanto che sono stati classificati vetri metallici o metalli amorfi. Seppure chiamati liquidi, questi materiali – di fatto leghe metalliche (si veda la composizione nella tabella 1) – sono solidi a temperatura ambiente: la definizione, infatti, è riconducibile alla loro struttura molecolare che, a differenza dei metalli, non è cristallina ma amorfa. Questo significa che gli atomi che li costituiscono non si dispongono secondo geometrie regolari e ricorrenti, ma in modo disordinato e casuale – amorfo – esattamente come le molecole dei liquidi e dei metalli fusi, o dei polimeri amorfi.
| LM001B | LM105 | |
|---|---|---|
| Zirconio | 67,02 | 65,67 |
| Titanio | 8,8 | 3,28 |
| Rame | 10,61 | 15,6 |
| Nichel | 9,8 | 11,75 |
| Niobio | - | - |
| Berillio | 3,76 | - |
| Alluminio | - | 3,7 |
Perché il metallo abbia una struttura amorfa è necessario fonderlo e quindi raffreddarlo in modo rapido, facendogli subire uno sbalzo termico che può arrivare fino a 1.000 gradi centigradi in pochi minuti, analogamente a quanto accade alla lava vulcanica. Come in ogni liquido, nel metallo fuso gli atomi si muovono in modo casuale, senza un ordine preciso; il repentino e veloce raffreddamento causa un “congelamento” degli atomi nella loro posizione di disordine, dal momento che non hanno avuto il tempo per disporsi secondo un reticolo cristallino.
Proprietà fisiche e finitura superficiale
La struttura amorfa è l’unica responsabile delle straordinarie proprietà di questi materiali (tabella 2). L’assenza di una struttura molecolare cristallina rende i manufatti in metallo liquido resistenti, ma anche, esattamente come quelli stampati a iniezione con polimeri plastici amorfi, decisamente meno soggetti a ritiro. Altra caratteristica interessante è l’elevata elasticità, che consente un rapido recupero della forma iniziale in caso di deformazione. Per esempio, l’elasticità dei manufatti in acciaio è di circa lo 0,2% e di quelli in titanio dell’1%, mentre le parti realizzate con leghe Liquidmetal raggiungono un valore del 2%.
| Forza (MPa) | Forza/peso | Durezza (Vickers) | Elasticit (% della forma originale) | |
|---|---|---|---|---|
| (MPa x cm3/g) | ||||
| Magnesio | 150 | 83 | 71 | 0,35% |
| Alluminio | 159 | 57 | 100 | 0,10% |
| Titanio | 790 | 180 | 340 | 0,69% |
| Acciaio inox | 870 | 112 | 325 | 0,44% |
| Leghe Liquidmetal | 1.640 | 272 | 576 | 2,00% |
Questi materiali si contraddistinguono inoltre per peso specifico ridotto, grande resistenza alla corrosione, capacità di saldatura eccellenti e per la possibilità di ottenere, mediante stampaggio a iniezione, una finitura superficiale di qualità superiore senza la necessità di trattamenti secondari. La superficie del manufatto, infatti, riflette la struttura dello stampo, e questo permette di ottenere senza difficoltà finiture con rugosità inferiori a 0,1 micron, fino a raggiungere, in alcuni casi, addirittura 0,05 micron: un risultato che, con le altre tecnologie di lavorazione dei metalli, richiede generalmente operazioni di finitura lunghe e costose.
La tecnologia Liquidmetal
Il processo messo a punto da Engel parte da pastiglie o lingotti in Liquidmetal, del peso fino a 100 grammi, che vengono riscaldati a una temperatura superiore a 1.000 °C fino alla completa liquefazione. Il metallo fuso viene quindi iniettato a elevata pressione in stampi molto simili a quelli tradizionali, la cui temperatura viene controllata in modo da far raffreddare la lega molto rapidamente e in assenza di ossigeno, facendola solidificare in un manufatto che, al termine del processo di stampaggio, presenta una struttura amorfa.
Da questa breve descrizione si può facilmente dedurre che lo stampaggio a iniezione del metallo liquido si svolge in modo completamente diverso rispetto a quello delle materie plastiche, e che richiede un controllo preciso della temperatura e della viscosità del fuso in condizioni di vuoto. Il processo, pertanto, non può essere effettuato con una macchina a iniezione tradizionale. La progettazione della nuova pressa, partita dalle elettriche della serie e-motion, ha portato il costruttore austriaco allo sviluppo di una nuova unità di iniezione: il gruppo vite-cilindro è stato sostituito da un sistema di fusione e iniezione dotato di una camera in cui viene posizionato il lingotto, che viene fuso da uno speciale sistema di riscaldamento a induzione. L’intero sistema viene mantenuto in condizioni di vuoto spinto, per impedire la formazione di cristalli e ossidi e per garantire la produzione di manufatti in lega amorfa di qualità elevata.
Un processo integrato
Al fine di garantire la massima semplicità operativa, la pressa a iniezione è stata riprogettata per monitorare una serie di controlli di processo specifici, concepiti per agevolare una produzione completamente automatizzata. Un robot Engel viper provvede infatti al prelievo dei lingotti da un magazzino e al loro carico nell’apposita camera e, al termine del ciclo, rimuove i manufatti finiti posizionandoli su un nastro trasportatore equipaggiato con ventole di raffreddamento.
Per gestire la complessa combinazione di parametri di processo critici, quali temperatura, livello di vuoto e velocità di iniezione, la macchina è dotata dell’unità di controllo CC300. Questo sofisticato sistema di gestione in tempo reale monitora l’intero processo di stampaggio, compresa la fase più delicata, ovvero la fine del ciclo di iniezione, che termina in maniera repentina una volta concluso il riempimento delle impronte dello stampo. Questo perché il materiale non può essere compresso, come invece accade per i materiali plastici.
L’unità CC300 gestisce anche gli accessori, eliminando così i problemi di comunicazione con i dispositivi esterni, e consentendo il funzionamento efficiente e ripetibile dell’intera isola di produzione, che include, tra le altre funzioni, la creazione del vuoto, il riscaldamento a induzione e la misura della temperatura.
Una volta stampati, i manufatti vengono sottoposti a una serie di lavorazioni di finitura, che però non includono la rimozione del materiale accumulato attorno a punti di iniezione e canali, effettuata con metodi differenti in base ai requisiti che la parte dovrà rispettare. Se, per esempio, la presenza di un residuo di materiale in corrispondenza del punto di iniezione viene considerato accettabile, è possibile ricorrere al taglio a getto d’acqua, mentre in caso contrario si opta per una lavorazione CNC.
I vantaggi del processo
Lo stampaggio a iniezione del metallo liquido si pone come alternativa alla lavorazione a controllo numerico o allo stampaggio a iniezione di polveri metalliche (MIM).
Nella lavorazione a controllo numerico, i singoli componenti vengono ricavati da blocchi di metallo mediante fresatura e foratura. In questo modo, è possibile realizzare manufatti di precisione con geometrie tridimensionali complesse e finiture superficiali di alta qualità, ma, rispetto allo stampaggio a iniezione, richiede tempi di lavorazione lunghi e costi elevati.
Come il processo Liquidmetal, anche il MIM si basa sullo stampaggio a iniezione. I materiali lavorati, però, non sono leghe metalliche, ma miscele di polveri metalliche, plastica e cere. Un’altra differenza è la durata del processo, che prevede una prima fase di deceratura, ovvero la rimozione termica del materiale plastico e delle cere dal pezzo stampato a iniezione, e quindi una fase di sinterizzazione per ottenere il manufatto finito. Tutte queste lavorazioni aggiuntive richiedono tempi piuttosto lunghi, variabili in funzione dello spessore delle pareti. Inoltre, la qualità della finitura superficiale che si ottiene con la sinterizzazione risulta inferiore a quella dello stampaggio del metallo liquido.
La tecnologia Liquidmetal permette di produrre componenti di precisione, che non richiedono ulteriori trattamenti di finitura. I tempi di ciclo variano da due a tre minuti, notevolmente inferiori ai tempi di lavorazione richiesti dalla tecnologia a controllo numerico. Un altro vantaggio è rappresentato dall’assenza di scarti, perché le materozze possono essere riciclate e reinserite nella catena di processo.
Una valida alternativa
Non esiste una tecnologia in grado di soddisfare ogni possibile requisito, né un’unica soluzione in grado di risolvere qualsiasi problema. Di conseguenza, durante lo sviluppo di nuovi prodotti, è bene prendere in considerazione le sia i processi collaudati, sia quelli innovativi, al fine di raggiungere gli obiettivi prestazionali, qualitativi ed economici prefissati. Nella tabella 3 sono illustrati i principali punti di forza della tecnologia Liquidmetal rispetto alle altre lavorazioni metalliche.
| Liquidmetal | Pressofusione | MIM | Microfusione | CNC | |
|---|---|---|---|---|---|
| Costi ridotti/complessit del manufatto elevata | sì | sì | sì | no | no |
| Finitura superficiale fine, con rugosit <0,05 micrometri | sì | no | no | no | sì |
| Limite elastico elevato (allungamento 2,0%) | sì | no | no | no | no |
| Fase di processo unica | sì | sì | no | no | no |
| Nessun trattamento termico richiesto per ottenere una durezza elevata | sì | no | no | no | no |
| Nessun trattamento termico richiesto per ottenere una resistenza meccanica elevata | sì | no | no | no | no |
| Scarti di processo ridotti | sì | sì | sì | no | no |
| Controllo delle tolleranze (% rispetto alle dimensioni originarie) | +/- 0,1 | +/- 0,4 | +/- 0,3 | +/- 0,5 | +/- 0,1 |
Oltre ai costi, ai tempi e ad altre variabili legate al processo, nella scelta della tecnologia da utilizzare è bene tener presente il requisito essenziale delle resine amorfe, cioè la combinazione unica di resistenza meccanica ed elasticità elevate. Le materie plastiche, infatti, seppur note per le loro proprietà elastiche, hanno una resistenza generalmente ridotta. D’altro canto, esistono numerose leghe metalliche cristalline in grado di offrire una vasta gamma di proprietà di resistenza, ma nessuna di esse combina l’elevata elasticità delle leghe amorfe. Il processo Liquidmetal, pertanto, diventa una soluzione interessante per la produzione di manufatti tridimensionali complessi, che richiedono precisione e ripetibilità particolarmente elevate, caratteristiche di prima qualità, finitura superficiale brillante, proprietà antigraffio e esistenza alla corrosione.
