© PST Galileo - Novembre 2013

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Materiali e soluzioni innovativeper il settore della meccanica

Una delle principali problematiche nel settore della meccanica è sicuramente rappresentata dall’usura a cui sono sottoposti molti ingranaggi, meccanismi o elementi in movimento. Tra le soluzioni più recenti sul mercato si evidenziano i rivestimenti ceramici, depositati tramite processi termici a spruzzo.

Uno dei processi di deposizione più innovativi è la tecnica HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), che spara ad altissima velocità delle particelle ceramiche facendole passare attraverso una fiamma ad alta temperatura.

A seconda delle tipologia di particelle sparate, le caratteristiche del deposito superficiale cambiano, privilegiando la resistenza all’usura e all’abrasione, alla corrosione e all’ossidazione (anche ad alta temperatura) oppure il basso coefficiente d’attrito.

Lo strato superficiale che si forma è comunque sempre molto denso, duro e ben adeso al substrato, con porosità minima pari all’1%.

Se il substrato è in alluminio, oltre ai noti processi di anodizzazione e di anodizzazione dura (caratterizzata da uno spessore e da una resistenza all’usura maggiori), sono disponibili oggi due anodizzazioni dure speciali: la prima consente di mantenere le dimensioni originale del pezzo, dato che lo spessore di ossido di alluminio penetra per il 90% all’interno della superficie (rispetto al 50% del processo tradizionale), e in più offre colorazioni finora non raggiungibili; la seconda è in grado di sigillare le microporosità dello strato d’ossido superficiale, che si forma a seguito del processo elettrolitico, con degli ioni d’argento.

In questo modo aumentano la resistenza all’usura, alla corrosione e anche l’effetto autolubrificante (coefficiente d’attrito pari a 0.025 rispetto allo 0.15 dell’ossidazione dura tradizionale). L’impiego di ioni d’argento permette di aggiungere buone proprietà di conducibilità termica ed elettrica, capacità di assorbire e riemettere calore con onde ultra-infrarosse e proprietà antibatteriche. I settori di impiego vanno dalla componentistica per macchine industriali e per l’elettronica, all’automotive, agli scambiatori termici, ai filtri per condizionatori d’aria e a elementi di elettrodomestici.

Per aumentare la resistenza all’usura di una superficie è importante diminuire l’attrito tra le parti. A tale scopo è disponibile un nuovo rivestimento superficiale che all’interno di una soluzione acquosa deposita delle microsfere di lubrificante. La superficie rimane asciutta al tatto finché, in situazioni di sfregamento, le microsfere si rompono e le microgocce d’olio che fuoriescono permettono di ridurre l’attrito e, di conseguenza, aumentare la vita del prodotto.

Questo rivestimento viene applicato tramite immersione, spruzzo o spalmatura, e l’essicazione avviene a temperatura ambiente.

Per la riduzione d’attrito si può ricorrere anche al rivestimento ‘nanocomposito’ combinato, che unisce una finitura isotropica, in grado di eliminare meccanicamente i picchi di rugosità superficiale, con un deposito di spessore nanometrico di bisolfuro di tungsteno, che copre la superficie riempiendo gli avvallamenti che derivano dalla rugosità residua. Questo trattamento presenta un’ottima resistenza al graffio, alla delaminazione e un buon effetto lubrificante (coefficiente 0.04). Viene impiegato su ingranaggi, cuscinetti, pistoni, alberi a camme, camicie di cilindri per l’industria automotive, eolica e meccanica in generale.

Rivestimento ceramico per alluminio Rivestimento in PEEK

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Tra i rivestimenti polimerici ‘low-friction’, segnaliamo il trattamento superficiale a base PEEK, un polimero ad alte prestazioni che, depositato con spessori tra 75 e 1000 micron, permette a substrati metallici o ceramici di raggiungere coefficienti d’attrito di 0.15-0.3 e una resistenza all’abrasione di gran lunga superiore (del 50% fino al 200%) rispetto a quella garantita dai rivestimenti fluorurati.

Grazie alla sua composizione chimica, la superficie trattata è resistente a sostanze aggressive come sali, acqua e vapore, prodotti alcalini, acidi, o idrocarburi aromatici. Questo trattamento trova impiego in diversi settori tra cui quello meccanico (rulli, boccole o guarnizioni), chimico, farmaceutico e alimentare, in quanto idoneo al contatto alimentare.

Il materiale di base con cui viene realizzato il rivestimento sopra descritto è un polimero termoplastico che, stampato con processo di iniezione, garantisce ottime prestazioni meccaniche, termiche, chimiche e tribologiche, tali da poter sostituire in alcuni casi il tradizionale metallo nella realizzazione, per esempio, di valvole per compressori o ingranaggi di alberi motore. Si tratta di un materiale molto versatile che, grazie alle sue proprietà isolanti, la biocompatibilità e l’idoneità al contatto alimentare, trova impiego in diversi settori, tra cui il biomedicale, come matrice termoplastica in prodotti compositi (viti per impianti).

Di grande interesse e attualità per il settore della meccanica è la sostituzione del metallo con altri materiali, più leggeri, più semplici da processare, in alcuni casi anche più economici, in grado di garantire le medesime prestazioni.

Ne sono un esempio i polimeri conduttivi (termicamente e/o elettricamente) che per alcune applicazioni – come i sistemi dissipativi per luci a LED – rappresentano una soluzione ottimale, pur avendo conducibilità molto inferiori a quelle dei metalli. Questi materiali garantiscono la dissipazione termica necessaria, permettendo la realizzazione di forme più complesse e assicurando una forte riduzione dei pesi.

Un altro esempio è rappresentato da una nuova lega semileggera a base Zinco che, pur essendo un metallo, è iniettabile direttamente negli stampi utilizzati comunemente per le materie plastiche, senza nessun particolare processo di preparazione (pre-processing) e senza l’utilizzo di particolari strumentazioni, come quella necessaria per l’utilizzo di gas inerte. Si tratta di un materiale che non sfrutta le note tecniche di colata, del MIM (Metal Injection Molding) o del Thixomolding, e si differenzia completamente da un polimero caricato. Grazie allo stampaggio ad iniezione, questo materiale permette di ottenere componenti a porosità ridotta, con una buona finitura superficiale e basse tolleranze, e di ridurre i consumi energetici (non sono previsti forni fusori) e le lavorazioni secondarie (near net shape).

La leggerezza, in stretta simbiosi con la strutturalità, è un’altra tematica d’interesse per il settore della meccanica. Tra le soluzioni più innovative presenti sul mercato si evidenziano dei pannelli sandwich in acciaio inox, caratterizzati da un cuore costituito da milioni di fibre microscopiche di acciaio inox, orientate perpendicolarmente.

Ne risulta un prodotto strutturale con proprietà del tutto simili all’acciaio inox puro ma più leggero (2.3-4.2 kg/m² rispetto a 8kg/m²) e più facile da lavorare. Grazie a spessori totali sottili (da 0.7 fino a 2 mm al massimo), a parità di resistenza a flessione questi pannelli offrono pesi inferiori (da 1,5 a 4,2 kg/mq). Resistono al fuoco, alla corrosione, al graffio, all’umidità e al calore, sono atossici e riciclabili.

L’imbutitura e la curvatura possono essere applicate direttamente al materiale composito. La superficie può essere trattata per conferire l’aspetto estetico desiderato. I colori utilizzati per i trattamenti estetici diventano parte integrante del materiale e consentono pertanto di processare il materiale già colorato. Questi materiali vengono utilizzati nel settore aeronautico (linee di raffreddamento, trolley per il ristoro in cabina passeggeri, pattumiere, lavelli), dell’automotive (volante e particolari degli interni), dell’architettura (rivestimenti di facciate planari), biomedicale e alimentare.

Polimeri conduttivi Sandwich in acciaio

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Per quanto riguarda il tema della leggerezza, anche l’area delle nanotecnologie offre interessanti soluzioni, soprattutto per quel che concerne l’impiego di nanotubi di carbonio. Il composito metallico a base alluminio e carica di nanotubi di carbonio presenta caratteristiche simili all’acciaio (stessa resistenza a trazione, 700 MPa) ma risulta tre volte più leggero. La presenza di nanotubi in carbonio stabilizza termicamente il composito fino a temperature prossime ai 240 °C.

E’ disponile attualmente sotto forma di semilavorato, ovvero barre, tubi e tondi. Grazie alla sua resistenza meccanica e alla sua leggerezza, questo materiale trova impiego soprattutto nel settore dei trasporti, ove la riduzione del peso è importante al fine di ottenere una diminuzione dei consumi energetici, dell’impatto ambientale e dei costi. Ad esempio con questo materiale si realizzano parti di elicottero (albero rotore e mandrino), viti per biciclette, pignoni, dadi e altre parti meccaniche in svariate applicazioni.

Le nanotecnologie permettono infine di realizzare dei prodotti in materiale polimerico ma con resistenze termiche e meccaniche non ottenibili dalla sola plastica. Esiste infatti un rivestimento metallico nanostrutturato che, depositato per via galvanica, aumenta il comportamento a fatica e le proprietà meccaniche del polimero rivestito. In certi settori questa soluzione permette di sostituire pesanti componenti metalliche con particolari in polimero ad alte prestazioni: si possono ottenere pezzi non solo a geometria complessa, grazie al processo di stampaggio ad iniezione, ma anche molto più leggeri riuscendo così a ridurre i consumi energetici. Ad oggi trova applicazione in settori quali l’articolo sportivo, l’automotive, l’industria energetica e l’elettronica.

Nell’ultimo decennio si sono diffusi nel mercato molti rivestimenti ‘nanotecnologici’ che si caratterizzano per spessori minimi, trasparenza e processi applicativi semplici e consolidati, che sono in grado di conferire a superfici di varia natura nuove proprietà funzionali, tra cui le più diffuse sono: easy-to-clean, idrorepellenza, oleorepellenza, anti-impronta, antinebbia, antigraffiti, antibatterico, antigraffio e anticontraffazione.

Uno dei trattamenti più noti è l’”effetto loto”, un rivestimento idrorepellente così chiamato perché si può osservare in natura sulle foglie loto, dove le gocce di pioggia scorrono velocemente senza bagnare la superficie. Questo particolare fenomeno è dovuto alla struttura della sua superficie che, se osservata al microscopio, risulta micro-replicata e nanostrutturata.

Le nanotecnologie hanno permesso di replicare questo effetto sulla superficie di molti materiali non naturali, come tessuti, metalli, vetri o plastiche, impedendo a sporco, polveri e smog di penetrare all’interno della superficie.

Le prime applicazioni di questi rivestimenti hanno interessato facciate di palazzi, particolarmente esposte in zone ad alto traffico, e molti prodotti tessili, come tovaglie, tende, cravatte e giacche che restano pulite più a lungo; oggi queste soluzioni sono adottate anche su superfici di bus e treni, pavimentazioni navali e componenti meccanici industriali, che in questo modo risultano maggiormente protetti da sporco, grasso, unto, vernici e polveri.

Grazie ad un particolare processo brevettato, che prevede la tecnica spray seguita da un processo termico a 400-600 °C, è possibile oggi depositare rivestimenti funzionali ‘nano’ su metalli e offrire, a seconda della necessità, proprietà anti-impronta, easy-to-clean, resistenza al graffio e all’abrasione, resistenza all’ossidazione (ad alte temperature) o resistenza chimica (verso, ad esempio, detergenti per la pulizia).

Si tratta di un rivestimento durevole e invisibile, che non modifica l’aspetto metallico del substrato e che permette deformazioni elastiche e, entro certi limiti, anche plastiche. Adatto ad alluminio, acciaio e metalli non ferrosi, questo trattamento trova applicazione in elettrodomestici, arredo d’interni, reattori, sistemi di riciclo fumi esausti, scambiatori di calore e strumenti medicali.

Composito in alluminio e nanotubi di carbonio Rivestimento nano cristallino