Pallet in Alluminio 5083: Rivoluzione Superplastica e Design Intelligente per Prestazioni Top!

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi dietro le quinte di un progetto affascinante che unisce ingegneria dei materiali, design avanzato e processi produttivi innovativi. Parliamo di come abbiamo affrontato la sfida di creare un pallet industriale in lega di alluminio 5083 con cavità multiple e profonde, ottimizzandone la struttura e utilizzando una tecnica chiamata formatura superplastica (SPF) diretta-inversa. Sembra complicato? Tranquilli, vi guido passo passo in questa avventura tecnologica!

Perché l’Alluminio e Perché la Formatura Superplastica?

Le leghe di alluminio, come la nostra fidata 5083 (una lega Al-Mg-Mn), sono da decenni protagoniste nell’industria aeronautica, ma anche nei trasporti ferroviari e navali. Il motivo? Hanno un rapporto resistenza-peso eccezionale, resistono bene alla corrosione e possiedono buone proprietà meccaniche. La lega 5083, in particolare, è considerata ideale per la formatura superplastica.

Ma cos’è questa formatura superplastica (SPF)? Immaginate di poter “stirare” un foglio di metallo come fosse una gomma da masticare (ok, quasi!), permettendogli di adattarsi a stampi con geometrie complesse, il tutto in un unico passaggio. È una tecnologia avanzata, perfetta per creare strutture leggere e intricate, sempre più richieste per migliorare l’efficienza energetica. Il “lato oscuro” dell’SPF? A volte, durante la formatura, lo spessore del materiale può ridursi eccessivamente in alcune zone critiche.

Esistono leghe di alluminio 5xxx a grana fine (sotto i 10 µm), che mostrano allungamenti superplastici incredibili (anche oltre il 700%!), ma ottenerle richiede processi complessi e costosi (deformazioni plastiche severe, trattamenti termomeccanici…). Noi, invece, abbiamo puntato sulla superplasticità a grana grossa (sopra i 10 µm), che si basa su un meccanismo chiamato “solute drag creep” (scorrimento viscoso controllato dai soluti). Questa non dipende dalla dimensione fine dei grani e permette comunque di ottenere grandi allungamenti, ma con un vantaggio non da poco: riduzione dei costi! Ecco perché esplorare l’SPF su leghe 5083 a grana grossa per strutture di grandi dimensioni è così interessante.

La Sfida: Un Pallet Complesso

Il nostro obiettivo era realizzare un pallet industriale (dimensioni 1165 mm x 1165 mm x 110 mm) con ben nove cavità profonde e a gradini. Un pezzo decisamente non banale! La sfida principale? Garantire robustezza e resistenza meccanica, evitando al contempo i problemi di assottigliamento eccessivo tipici dell’SPF, specialmente in corrispondenza delle profonde cavità.

Fase 1: Ottimizzazione Strutturale con l’Aiuto del Computer

Un pallet piatto non resisterebbe a grandi carichi. La soluzione? Introdurre delle nervature di rinforzo. Ma come disporle? Qui entra in gioco la magia della simulazione numerica, o Finite Element Method (FEM). Utilizzando il software ANSYS, abbiamo progettato e messo alla prova virtualmente tre diverse configurazioni di nervature:

• Radiali
• Anulari sfalsate
• Rettilinee sfalsate

Abbiamo simulato test di compressione (carico di 80 kN), test di flessione (carico di 40 kN) e test di sollevamento con carrello elevatore (carico di 24 kN). I modelli FEM sono stati semplificati sfruttando la simmetria della struttura per velocizzare i calcoli.

E indovinate un po’? I risultati hanno parlato chiaro: la struttura con nervature di rinforzo radiali ha mostrato le migliori prestazioni in termini di capacità di carico e minor deformazione in tutti e tre i test. Ad esempio, nel test di compressione, la deformazione massima è stata di soli 4.065 mm, contro i 5.124 mm e 6.78 mm delle altre due configurazioni. Anche nei test di sollevamento e flessione, il design radiale si è dimostrato il più rigido. Decisione presa: avremmo fabbricato il pallet con nervature radiali!

Fase 2: Fabbricazione Intelligente: Split Forming e SPF Diretta-Inversa

Realizzare un pezzo così complesso, con cavità profonde 110 mm, tutto in una volta con l’SPF tradizionale sarebbe stato rischioso. Il pericolo di assottigliamenti critici o addirittura rotture era dietro l’angolo. Perciò, abbiamo adottato una strategia di “split forming” (formatura separata). Abbiamo diviso idealmente il pallet in due parti:

• Il corpo principale: la superficie superiore, le nervature e la parte alta delle cavità.
• I supporti inferiori: la parte bassa delle cavità.

Ci siamo concentrati sulla fabbricazione del corpo principale. E qui arriva un’altra chicca tecnologica: la formatura superplastica diretta-inversa. Questa tecnica prevede prima una “gonfiatura” preliminare del foglio in direzione opposta allo stampo finale (reverse SPF) e poi la formatura vera e propria nello stampo (direct SPF). Il vantaggio? Migliora notevolmente l’uniformità dello spessore finale! I supporti inferiori, invece, potevano essere realizzati più semplicemente tramite stampaggio a freddo, per poi essere uniti al corpo principale tramite rivettatura.

Fase 3: Prevedere il Processo con la Simulazione (FEM per SPF)

Prima di mettere mano alla pressa, abbiamo simulato l’intero processo di formatura diretta-inversa del corpo principale usando un altro software FEM specializzato, MSC.MARC. Abbiamo modellato un quarto della struttura (sempre per efficienza computazionale) e simulato le tre fasi:

1. Imbutitura iniziale (Drawing): Una pre-formatura leggera.
2. SPF Inversa: Gonfiaggio controllato contro uno stampo inverso, limitando lo spessore minimo a circa 1.4 mm per avere materiale sufficiente per la fase successiva.
3. SPF Diretta: Formatura finale nello stampo definitivo.

Le simulazioni, impostando una velocità di deformazione target di 0.0005 s⁻¹ (ottimale per la superplasticità della nostra lega a 520°C, come determinato da test preliminari di trazione ad alta temperatura), ci hanno permesso di prevedere la distribuzione dello spessore. Il punto più critico? L’angolo alla base delle cavità, dove lo spessore minimo previsto era di 1.14 mm, con un rapporto di assottigliamento massimo del 43%. La simulazione ci ha dato il via libera: il processo era fattibile!

Fase 4: Dalla Teoria alla Pratica: La Fabbricazione

È arrivato il momento della verità! Abbiamo utilizzato una pressa SPF da 5000 kN, impostando la temperatura a 520 °C. Il gas argon è stato usato per “soffiare” il foglio di alluminio nello stampo. La chiave del successo? Trovare il giusto “percorso di pressione” del gas, ovvero come variare la pressione nel tempo durante le fasi di SPF inversa e diretta.

Abbiamo provato tre piani diversi (Plan A, B, C), ottimizzando i tempi e le pressioni massime basandoci sulle simulazioni FEM ma adattandoli al controllo reale della macchina.

• Plan A: Troppo aggressivo nella fase inversa (9 min, 0.4 MPa max). Risultato? Rottura locale sulla parete della cavità durante la fase diretta. Ops!
• Plan B: Ridotti tempo e pressione inversa (7 min, 0.3 MPa max), aumentati quelli della fase diretta (26 min, 1.4 MPa max). Risultato? Successo! Pezzo fabbricato senza rotture, solo un leggero imbarcamento ai bordi. Ci siamo quasi!
• Plan C: Leggera modifica del Plan B, riducendo pressione e tempo massimi nella fase diretta (27 min, 1.2 MPa max). Risultato? Perfetto! Il corpo principale del pallet è stato fabbricato con successo, senza difetti evidenti, buon riempimento degli angoli e ottima planarità del fondo delle cavità. Missione compiuta!

Fase 5: Verifica dei Risultati: Spessore e Proprietà Meccaniche

Un pezzo ben formato è bello, ma deve anche essere funzionale. L’uniformità dello spessore è cruciale per le proprietà meccaniche. Abbiamo quindi misurato lo spessore del corpo principale fabbricato utilizzando un misuratore a ultrasuoni in 68 punti strategici lungo due linee (a 90° e 135°), concentrandoci sulle aree piane (misurare gli angoli arrotondati è complicato).

I risultati sperimentali hanno confermato le previsioni della simulazione FEM in modo impressionante! Lo spessore minimo misurato è stato di 1.13 mm, localizzato proprio vicino agli angoli delle cavità (punti 13, 36, 40), con un rapporto di assottigliamento massimo del 43.5%, esattamente come previsto. Lo spessore nelle zone delle nervature era molto più uniforme, tra 1.70 mm e 1.80 mm. La differenza massima tra lo spessore simulato e quello misurato nello stesso punto è stata di appena 0.1 mm. Questo dimostra l’affidabilità della simulazione FEM nel predire questo complesso processo.

Infine, abbiamo prelevato dei campioni dal pezzo finito e testato le loro proprietà meccaniche a temperatura ambiente (resistenza a trazione, carico di snervamento, allungamento). Confrontandoli con il materiale di partenza (“as-received”), abbiamo notato una leggera diminuzione:

• Resistenza a trazione: da 235 MPa a 227 MPa (-8 MPa)
• Carico di snervamento: diminuito di 5 MPa
• Allungamento a rottura: da 29.5% a 26.3% (-3.2%)

Questa lieve riduzione è normale ed è dovuta all’evoluzione della microstruttura del materiale durante l’esposizione prolungata all’alta temperatura (520°C) e alla deformazione subita, che possono causare un leggero ingrossamento dei grani cristallini.

In Conclusione

Cosa abbiamo imparato da questo viaggio?

1. L’ottimizzazione strutturale tramite FEM è fondamentale: le nervature radiali hanno reso il nostro pallet più robusto.
2. La strategia di split forming è vincente per pezzi complessi con cavità profonde.
3. La formatura superplastica diretta-inversa è una tecnica efficace per fabbricare il corpo principale del pallet in lega 5083, garantendo una buona uniformità di spessore (anche se un assottigliamento massimo del 43.5% negli angoli è da considerare).
4. Le simulazioni FEM sono state incredibilmente accurate nel predire il comportamento del materiale e la distribuzione finale dello spessore (max differenza 0.1 mm).
5. Le proprietà meccaniche del materiale post-formatura subiscono solo una leggera riduzione, mantenendo ottime prestazioni.

Insomma, combinando design intelligente, simulazione avanzata e processi produttivi innovativi come l’SPF diretta-inversa, siamo riusciti a realizzare un componente complesso come questo pallet in alluminio, aprendo la strada a nuove possibilità per strutture leggere e performanti!

Fonte: Springer