Lavorazioni CNC in alluminio: progressi per soluzioni leggere nell'industria

Immagina un aereo che sfreccia nel cielo, la cui fusoliera leggera ma robusta è realizzata con componenti di alluminio di precisione. In un'epoca in cui l'efficienza del carburante e le prestazioni sono fondamentali, la tecnologia di lavorazione CNC dell'alluminio svolge un ruolo sempre più vitale. Ma come fa esattamente questa tecnologia a consentire la produzione rapida ed economica di parti complesse, promuovendo al contempo i progressi nell'alleggerimento in tutti i settori?

La lavorazione CNC (Computer Numerical Control) dell'alluminio è diventata una tecnologia mainstream nella produzione. Il suo vantaggio principale risiede nella produzione efficiente ed economica di componenti complessi e leggeri. Rispetto ai materiali tradizionali come l'acciaio e il titanio, l'alluminio si lavora più velocemente, rendendolo ideale per la produzione di grandi volumi.

L'alluminio è l'elemento metallico più abbondante nella crosta terrestre. Industrialmente, viene estratto principalmente dal minerale di bauxite, che contiene dal 30% al 60% di ossido di alluminio. Il processo di estrazione prevede due passaggi chiave:

• Estrazione dell'allumina: Il processo Bayer è il metodo più utilizzato a livello globale. Implica la frantumazione della bauxite, la miscelazione con acqua e soda caustica e la reazione ad alte temperature. La soda caustica scioglie l'allumina, che viene poi separata dalle impurità tramite filtrazione. I cristalli di idrossido di alluminio vengono aggiunti alla soluzione di allumina, che viene poi riscaldata e asciugata per produrre allumina pura.
• Fusione dell'alluminio: L'allumina viene sciolta in un bagno fuso a base di fluoruro e decomposta in alluminio metallico e ossigeno tramite elettrolisi. L'alluminio fuso viene raccolto, miscelato con alluminio riciclato e colato in varie forme come lamiere, billette, barre, tubi, piastre, strisce e fili. Questi semilavorati vengono ulteriormente trasformati in componenti finali.

La lavorazione CNC combina le tecniche di produzione tradizionali con sistemi controllati da computer. Consente il taglio e la modellatura di materie prime in parti complesse che sarebbero impossibili, richiederebbero molto tempo o sarebbero costose da produrre manualmente. I principali vantaggi della tecnologia includono precisione eccezionale, coerenza, produttività, controllo, flessibilità di progettazione e riduzione degli sprechi.

Le prime macchine CNC sono emerse alla fine degli anni '40, retrofittando le apparecchiature esistenti con motori. L'avvento dei computer negli anni '60 ha favorito lo sviluppo dei moderni sistemi CNC. Le macchine CNC comuni includono fresatrici, trapani, torni, taglierine al plasma, taglierine laser e getti d'acqua, che impiegano tutti metodi di produzione sottrattiva.

L'alluminio puro offre un'eccellente duttilità, resistenza alla corrosione, proprietà non magnetiche e conducibilità termica/elettrica. Tuttavia, la sua bassa resistenza limita le applicazioni commerciali. Per migliorare le prestazioni, l'alluminio viene legato con elementi come rame, litio, magnesio, manganese, silicio e zinco. Queste leghe migliorano la resistenza mantenendo i vantaggi intrinseci dell'alluminio.

La lavorazione CNC utilizza principalmente tre categorie di leghe di alluminio:

• Leghe di alluminio pressofuso: Prodotte versando metallo fuso in stampi, queste leghe sono economiche, versatili, leggere e durevoli. L'industria automobilistica è il loro maggiore consumatore, rappresentando i due terzi dell'utilizzo di alluminio nei veicoli. Tuttavia, generalmente presentano una minore resistenza alla trazione e una maggiore usura degli utensili rispetto alle leghe forgiate.
• Leghe alluminio-litio (Al-Li): La bassa densità del litio rende queste leghe significativamente più leggere dell'alluminio puro, ideali per applicazioni aerospaziali come rivestimenti alari, fusoliere e pale di ventole. Tuttavia, offrono una ridotta lavorabilità e tenacità alla frattura, oltre a costi più elevati a causa della produzione limitata.
• Leghe di alluminio forgiato: Formate allo stato solido tramite laminazione, forgiatura o estrusione, queste leghe dominano la lavorazione CNC grazie a proprietà meccaniche superiori, integrità strutturale, finitura superficiale e durata degli utensili. Sono più facili da lavorare rispetto alle leghe pressofuse.

Quando si sceglie tra alluminio e acciaio per la lavorazione CNC, considerare questi aspetti chiave:

• Costo: Mentre l'acciaio al carbonio è spesso più economico dell'alluminio, l'acciaio inossidabile tende ad essere più costoso. Anche la durata a lungo termine dovrebbe essere presa in considerazione nei calcoli dei costi.
• Resistenza alla corrosione: L'alluminio e l'acciaio inossidabile resistono naturalmente alla ruggine, mentre altri acciai richiedono rivestimenti protettivi, che aggiungono peso e costi di manutenzione.
• Peso: L'alluminio è da due a tre volte più leggero dell'acciaio, guidando la tendenza all'"alleggerimento" in tutti i settori.
• Resistenza: L'acciaio supera l'alluminio in termini di durata e resistenza alla deformazione sotto stress, calore o peso.
• Lavorabilità: La minore densità dell'alluminio consente velocità di lavorazione più elevate, tempi di raffreddamento ridotti e minore usura degli utensili rispetto all'acciaio.

I produttori impiegano varie tecniche CNC per lavorare l'alluminio:

• Fresatura CNC: Il metodo più versatile, che utilizza utensili da taglio rotanti per modellare blocchi di materiale stazionari. I moderni centri di lavoro sono dotati di configurazioni da 3 a 5 assi per geometrie complesse.
• Tornitura CNC: Ruota il pezzo mentre gli utensili da taglio rimuovono il materiale, ideale per parti cilindriche con operazioni come foratura e filettatura.
• Taglio al plasma CNC: Utilizza aria compressa surriscaldata per fondere rapidamente e con precisione lamiere di metallo spesse.
• Taglio laser CNC: Scioglie o vaporizza il materiale con un raggio laser ad alta potenza, offrendo un'eccezionale precisione per lamiere sottili.
• Taglio a getto d'acqua CNC: Impiega acqua ad altissima pressione (con abrasivi per materiali duri) per tagliare senza distorsioni termiche, consentendo un'incapsulamento stretto del materiale e uno spreco minimo.