Riproduzione di un pezzo in alluminio senza documentazione: dalla scansione 3D al getto finito

Un pezzo in alluminio si può riprodurre senza disegno: l'originale viene scansionato in 3D, su questa base si realizza il modello CAD e da esso il modello di fonderia, il getto e la lavorazione delle superfici funzionali. È la soluzione per reparti manutenzione, centri di assistenza e proprietari di macchine datate, quando il pezzo non è reperibile e la riparazione non è praticabile.

In sintesi

• Per la riproduzione basta l'originale, anche usurato o rotto; meglio se si sono conservati tutti i frammenti.
• Il modello 3D del pezzo finito non è ancora il modello del getto: occorre aggiungere sovrametalli di lavorazione, angoli di sformo e ritiro.
• Per uno o pochi pezzi si sceglie solitamente la forma in sabbia, che il manuale accademico «Odlewnictwo» (WNT) considera economica per qualsiasi dimensione di serie.
• La riproduzione di un getto pressofuso realizzata in forma di sabbia richiede spesso pareti più spesse: qui il minimo è di 3–6 mm, e non di 0,7–1,5 mm come nella pressofusione.
• La lega si determina con l'analisi della composizione chimica dell'originale oppure si sceglie in base alla funzione del componente.

Quando ha senso riprodurre un componente e quando è meglio ripararlo o acquistarlo

Rifare un pezzo a partire dall'originale conviene quando non è possibile acquistarlo o i tempi di consegna sono troppo lunghi. Prima di commissionare la scansione, confronti tre strade.

Situazione	Di solito la soluzione migliore
Macchina fuori produzione, costruttore non più esistente o che non fornisce più ricambi	riproduzione dall'originale
Singola cricca in una lega ben saldabile, pezzo poco sollecitato	riparazione per saldatura
Pezzo disponibile presso il costruttore a tempi e prezzo accettabili	acquisto dell'originale
Servono alcuni pezzi subito e altri in futuro	riproduzione – modello e documentazione restano disponibili per gli ordini successivi
Il pezzo si rompe sempre nello stesso punto	riproduzione con correzione progettuale

La rottura ricorrente nello stesso punto è di norma un indizio di progetto e non un caso: brusco passaggio di spessore, raccordo assente o nodo massivo. In fase di riproduzione è possibile correggerlo, dato che comunque viene realizzato un nuovo modello. Quando la riparazione di una cricca per saldatura ha senso e quando no, lo spieghiamo in un articolo dedicato.

La riproduzione del pezzo passo dopo passo

1. Valutazione dell'originale. Il tecnologo verifica se il pezzo è completo, quanto è usurato e con quale tecnologia è stato realizzato. Da ciò dipende se basti la scansione o se occorra ricostruire le parti mancanti.
2. Raccolta dei requisiti. Funzione del pezzo, carichi, temperatura di esercizio, contatto con fluidi, tenuta, accoppiamenti con i componenti abbinati e quantità.
3. Scansione 3D e misurazioni. Lo scanner rileva la superficie del pezzo. Fori con accoppiamento, filettature e piani di riferimento vengono misurati inoltre con strumenti a contatto.
4. Modello CAD. Dalla scansione si ricava un modello solido che ricostruisce l'intento del progettista: assi, piani e raggi, con compensazione dell'usura.
5. Scelta della lega. In base all'analisi della composizione dell'originale o ai requisiti funzionali.
6. Scelta della tecnologia. In funzione di quantità, dimensioni e precisione richiesta: forma in sabbia, conchiglia o, per grandi serie, stampo per pressofusione.
7. Progetto del getto e modello di fonderia. Al modello del pezzo si aggiungono sovrametalli, angoli di sformo, ritiro e portate d'anima; poi si realizza il modello, ad esempio in legno, resina, stampa 3D o alluminio.
8. Colata e lavorazione. Dopo la colata e la pulizia, le superfici funzionali vengono lavorate a CNC.
9. Controllo e documentazione. Misurazione, prova di montaggio con il componente abbinato e – se concordato nell'ordine – consegna del modello e del disegno, in modo che l'ordine successivo non richieda una nuova scansione.

La scansione 3D è solo l'inizio: cosa occorre fare con il modello

Il risultato della scansione è una mesh che descrive la superficie, di solito salvata in formato STL. Questo formato serve per la stampa 3D e la prototipazione rapida, ma per la progettazione e la lavorazione meccanica occorre un modello solido, per lo più fornito in formato STEP.

Passare dalla scansione al modello CAD (ingegneria inversa, in inglese reverse engineering) è un lavoro di progettazione e non una semplice conversione di file. La scansione mostra il pezzo così com'è oggi: con superfici consumate, deformazioni e tracce di corrosione. Il progettista ricostruisce le quote nominali, raddrizza i piani, allinea gli assi dei fori e definisce gli accoppiamenti con i componenti abbinati. Le parti mancanti vengono completate sfruttando la simmetria o la geometria degli elementi con cui il pezzo si collega.

Il secondo passo consiste nel trasformare il modello del pezzo finito in un modello del getto grezzo. Si aggiungono:

• sovrametalli sulle superfici che verranno lavorate – la loro entità deriva da tolleranze dimensionali e sovrametalli di lavorazione dei getti,
• angoli di sformo nella direzione di estrazione del modello dalla forma,
• ritiro di fonderia – il modello è più grande del getto di un valore scelto in funzione della lega e del metodo di formatura,
• portate d'anima per fori e canali che non si possono ottenere direttamente nello stampo,
• raccordi e transizioni graduali degli spessori, che limitano le cricche.

Il ritiro viene scelto dal tecnologo. Il modello deve tenere conto persino del metodo di formatura: con la compattazione meccanica della terra a pressioni elevate il ritiro lineare previsto si riduce di circa il 30%, perché la terra ha un ritorno elastico dopo la rimozione della pressione (p. 280). Un modello per formatura manuale e un modello per linea automatica non sono quindi intercambiabili.

Quale lega? Analisi dell'originale e vecchie designazioni

La via più sicura è l'analisi della composizione chimica dell'originale con uno spettrometro. È lo stesso tipo di apparecchio con cui le fonderie controllano di continuo la composizione delle colate. L'analisi richiede in genere la preparazione di una piccola zona piana sul pezzo, quindi conviene stabilire in anticipo dove poterla eseguire.

Il risultato viene confrontato con le leghe secondo PN-EN 1706. Sui vecchi disegni e sulle targhette si incontrano le storiche designazioni polacche, ad es. AK7, AK9 o AK11, nelle quali il numero dopo le lettere AK indica il tenore medio di silicio (p. 147). Come tradurle nelle leghe attuali lo spieghiamo nell'articolo sui vecchi simboli AK e i loro equivalenti EN AC.

Quando l'analisi non è possibile, la lega si sceglie in base alla funzione del pezzo: resistenza richiesta, impiego in ambiente corrosivo, tenuta, lavorazione successiva e rivestimento. La stessa lega ha inoltre proprietà diverse a seconda della tecnologia. Ad esempio, per AlSi9Mg la resistenza minima a trazione è più alta in conchiglia e in pressofusione che in forma di sabbia.

Identificare la tecnologia dell'originale prima di scegliere quella della copia

Le tracce sul pezzo indicano come è stato realizzato. Le impronte circolari degli estrattori rivelano uno stampo metallico, cioè una conchiglia o uno stampo di pressofusione. Pareti molto sottili e superficie liscia indicano in genere un getto pressofuso. Una superficie granulosa e pareti più spesse suggeriscono un getto in sabbia.

La tecnologia della copia non deve per forza essere la stessa dell'originale, ma in tal caso cambiano le possibilità:

Parametro (leghe di alluminio)	Forma in sabbia	Conchiglia	Pressofusione
Spessore minimo della parete	3–6 mm	2,5–5 mm	0,7–1,5 mm
Rugosità Ra della superficie grezza	4–10 µm	4–6 µm	0,8–1,6 µm
Dimensione economica del lotto	qualsiasi	da ca. 400 pz. (getti semplici), da ca. 1000 pz. (complessi)	da ca. 2500 pz.

Fonte: manuale «Odlewnictwo» (WNT), tab. 3.20, 3.22 e 3.23. Valori indicativi, dipendenti dalle dimensioni e dalla forma del pezzo.

Conclusione per i pezzi singoli: la copia di un getto pressofuso si realizza in genere in forma di sabbia, quindi le pareti troppo sottili vanno ispessite e le superfici funzionali lisce lavorate meccanicamente. L'ispessimento modifica la massa e a volte lo spazio necessario al montaggio, perciò lo si verifica nel modello CAD prima di realizzare il modello di fonderia. Spesso cambia anche la lega: le leghe per pressofusione si scelgono per quella tecnologia, mentre per la forma di sabbia si sceglie una lega con buone proprietà in sabbia, talvolta con trattamento termico.

Modello di fonderia, getto e finitura

Con uno o pochi pezzi il costo del modello si distribuisce su un lotto minimo, perciò si sceglie l'esecuzione più semplice che basti per il numero di formature necessarie. L'attrezzatura si realizza una volta e serve a tutta la produzione di un dato getto, mentre le altre operazioni si ripetono per ogni getto (p. 106). I modelli durevoli si realizzano in legno, metallo o plastica (p. 111–112); oggi spesso si stampano in 3D oppure si fresano da pannelli per modelli. Materiali, durata e proprietà dei modelli sono descritti nel testo sui modelli di fonderia e le altre attrezzature.

I singoli getti si formano in genere a mano, e la formatura manuale è meno precisa di quella meccanica (tab. 5.2). Per i getti in leghe non ferrose da forme in terra argillosa a umido il manuale indica in generale una tolleranza di ±0,8 mm per dimensioni fino a 150 mm (tab. 3.21), senza distinguere il metodo di formatura. Per questo accoppiamenti, sedi dei cuscinetti, superfici di tenuta e filettature si progettano con sovrametallo e si realizzano su macchine CNC a 3 e 5 assi.

L'ultima fase è il controllo: misurazione delle quote critiche e prova di montaggio con il pezzo di accoppiamento. Se il pezzo lavora sotto la pressione di un fluido, conviene aggiungere all'ordine una prova di tenuta.

Cosa preparare prima di inviare la richiesta

Quante più informazioni fornisce all'inizio, tanto meno richieste di chiarimento e tanto più rapida sarà l'offerta. Prepari:

• foto del pezzo da più lati, con un metro nell'inquadratura, e foto del punto di montaggio,
• l'originale o tutti i suoi frammenti e, se possibile, i pezzi di accoppiamento,
• descrizione della funzione e delle condizioni di esercizio: carichi, temperatura, fluido, tenuta richiesta,
• elenco delle superfici di accoppiamento e delle quote da mantenere,
• numero di pezzi ora e in prospettiva dei successivi ordini,
• designazioni note: codice a catalogo, lega indicata sulla targhetta o sul vecchio disegno.

L'elenco completo dei dati utili per ogni ordine è disponibile nell'articolo su cosa preparare per la richiesta d'offerta. Come si articola la tempistica di un ordine lo spieghiamo nel testo su ciò da cui dipendono i tempi di realizzazione di un getto.

Il diritto di riprodurre il pezzo

Il pezzo può essere tutelato dalla proprietà industriale, ad esempio come disegno o modello industriale registrato o come soluzione coperta da brevetto. Prima di commissionare una copia, si assicuri di poterla realizzare, soprattutto se i pezzi sono destinati alla vendita. In caso di dubbi conviene chiarire la questione con il titolare dei diritti o con un consulente in proprietà industriale prima dell'ordine.

Domande frequenti

Riproduciamo il pezzo a partire dall'originale

La tradizione di famiglia della fonderia risale al 1950 e nasce dalla modelleria per fonderia. Oggi la fonderia di Poznań unisce scansione 3D e realizzazione di modelli per fonderia con la colata di alluminio e le lavorazioni meccaniche CNC. Ci invii le foto del pezzo per un preventivo e descriva a cosa serve: Le diremo se è meglio riprodurlo, ripararlo o realizzarlo in modo diverso.

Fonti e norme

• M. Perzyk (red.), Fonderia, WNT, Varsavia – cap. 2.1 (p. 106), 2.2 (tipi di modelli), 3.1 (leghe di alluminio, tab. 3.8), 3.2 (principi di progettazione per la fonderia, tab. 3.12), 3.3 (tab. 3.20–3.23), 4.2.6 (analisi della composizione chimica), 5.2–5.3 (costipazione della terra e formatura, tab. 5.2).
• PN-EN 1706:2020+A1:2021 – Alluminio e leghe di alluminio – Getti – Composizione chimica e proprietà meccaniche