Sotto pressione: come vengono realizzati gli estrusi di alluminio

In qualsiasi momento è probabile che io abbia più progetti in corso, e con questo ovviamente intendo in varie fasi di abbandono. Il mio attuale grande progetto è quello in cui finalmente sento di avere la possibilità di utilizzare alcuni materiali con vera credibilità da hacker, come i profili in alluminio estruso con scanalatura a T. Abbiamo visto tutti quella roba, il "Set di montaggio industriale" come a 80/20 piace chiamarne la versione. E abbiamo tutti visto i fantastici progetti realizzati con esso, dalle macchine CNC agli espositori per fiere e, in questi tempi di pandemia, anche occasionalmente come protezioni contro gli starnuti nei negozi al dettaglio.

È meraviglioso lavorare con i profili con scanalatura a T in alluminio: robusti, leggeri, facilmente collegabili con un'ampia gamma di elementi di fissaggio e infinitamente configurabili e riconfigurabili al variare delle esigenze. Non è affatto economico, ma se si tiene conto del tempo di fabbricazione risparmiato, potrebbe essere un vantaggio netto specificare le cose per un progetto. Tuttavia, con il previsto colpo al mio portafoglio, ho cercato alternative più convenienti.

La mia esplorazione mi ha portato nel mondo sorprendentemente ricco delle estrusioni di alluminio. Anche escludendo articoli banali come lattine di birra e soda, probabilmente in questo momento sei circondato da prodotti in alluminio estruso. Tutto, dai dissipatori di calore dei computer ai telai delle finestre fino alle parti che compongono le porte schermate, è realizzato in alluminio estruso. Allora come viene prodotta esattamente questa roba onnipresente?

Il processo di base per l’estrusione dell’alluminio è, apparentemente, semplice da comprendere quanto il processo di estrusione utilizzato da una stampante 3D: riscaldare il materiale e forzarlo attraverso uno stampo con la forma e le dimensioni desiderate. Ma quando il PLA viene sostituito da un gigantesco tronco di alluminio e un cavo Bowden e un motore passo-passo da un enorme pistone idraulico, i dettagli offuscano rapidamente la semplicità del concetto di base.

La progettazione della matrice è forse la parte più critica del processo di estrusione. Gli stampi devono resistere a forze enormi ad alte temperature e devono mantenere la loro stabilità dimensionale mentre lo fanno. Le matrici di estrusione nascono come barre tonde di acciaio per utensili con un diametro fino a un metro o più, ma in genere intorno ai 30 cm. Le matrici hanno solitamente un profilo abbastanza sottile rispetto al loro diametro, poiché quanto più lungo è il percorso seguito dall'alluminio mentre passa attraverso la matrice, maggiore è l'attrito che subisce. Più attrito significa più forza, il che significa presse più grandi, maggiore usura degli stampi e, in generale, costi più elevati.

Gli stampi sono generalmente creati da produttori specializzati che impiegano ingegneri e macchinisti esperti nella progettazione di stampi. Il processo di trasformazione di un disegno in uno stampo inizia solitamente con la sgrossatura del pezzo grezzo su un tornio CNC, quindi procede con una sequenza di operazioni di fresatura CNC. La lavorazione per elettroerosione (EDM) è ampiamente utilizzata per ottenere i dettagli più fini necessari per fornire una finitura liscia e per ottenere la geometria precisa necessaria per controllare il flusso dell'alluminio attraverso lo stampo.

La maggior parte delle estrusioni avrà una o più camere cave, come il lume di un tubo o, nel caso dei nostri profili 80/20, lo spazio negativo delle scanalature a T e del foro centrale. Lo stampo deve creare quelle caratteristiche che richiedono che parti dello stampo "galleggino" nel flusso in entrata di metallo ammorbidito. Gli stampisti ottengono questo risultato sospendendo queste caratteristiche su bracci che colmano lo spazio nella parte a monte dello stampo. La forma e la finitura superficiale di questi bracci devono essere progettate attentamente in modo che il metallo scorra attorno ad essi e si unisca per creare un flusso di materiale liscio e continuo senza vuoti, che potrebbero indebolire il prodotto finito.

Anche un'attenta considerazione delle forze idrodinamiche esercitate da e sul metallo che scorre è importante per la progettazione dello stampo. Mentre il lato di uscita della matrice ha praticamente esattamente la stessa dimensione e forma dell'estrusione finita, il lato di ingresso è tutt'altro. Secondo alcune stime, metà dell’energia utilizzata durante l’estrusione dell’alluminio serve a superare l’attrito tra il metallo e la matrice, quindi tutto ciò che può essere fatto per ridurre tali forze è come denaro in banca. L'ingresso dello stampo deve essere progettato per dirigere il metallo in entrata nel modo più fluido e semplice possibile nella forma finale, il che è uno dei motivi per cui i progettisti di stampi includono angoli di sformo molto generosi sulla larghezza dello stampo.