La progettazione dei profilati d’alluminio ed i limiti tecnologici del processo d’estrusione

E’ importante che ogni progettista, di fronte a profilati di forma innovativa, abbia gli strumenti per disegnare la ottimale matrice al primo tentativo. La forte interazione fra le variabili di processo rende comunque difficile fare previsioni centrate in sede progettuale e per ottenere un buon risultato è indispensabile uno stretto confronto fra progettisti e tecnologi

di Maurizio Grillo

Uno dei punti di forza di progettare usando i profilati estrusi è la libertà di forma della sezione: essa si scontra tuttavia con tutta una serie di esigenze di carattere tecnologico che è bene conoscere per ottenere una progettazione ottimizzata. Le variabili a disposizione di chi progetta, cui vanno assegnati limiti tecnologici, sono le seguenti:
• Tipo di lega
• Cerchio circoscritto e peso a metro
• Spessori di parete
• Lunghezza del profilato
• Numero e tipo delle cavità
Le matrici meritano un’attenzione particolare, essendo elemento essenziale di successo o fonte di elevati rischi, con conseguenti extra-costi e ritardi di consegna. Per il progettista è importantissimo conoscere l’impatto del disegno sulla matrice: vanno completamente evitate le rotture premature, lasciandola lavorare tonnellata dopo tonnellata, fino a raggiungere i limiti della naturale usura, quando gli spessori crescono mediamente del 5-10% rispetto ai valori nominali ed essa viene sostituita.

Tipo di lega, cerchio circoscritto e peso a metro
E’ ben noto che la scelta della lega ha un sensibile effetto sulla velocità di estrusione e quindi sui costi. La tabella 1, con il valore 100 di estrudibilità relativa attribuito alla lega 6060, sintetizza la situazione. Il valore del cerchio circoscritto è una grandezza fondamentale in estrusione: dal punto di vista del progettista è un chiaro orientamento al tipo di pressa necessaria e quindi dell’estrusore da contattare. Dal diametro del cerchio circoscritto, con un incremento di circa il 10%, si arriva al diametro della billetta da usare; per prevedere la spinta ci sono tre metodi, il primo abbastanza approssimato ma semplice, il secondo più complesso con visibilità dell’effetto di alcune variabili di processo, il terzo, da usare in casi complessi e importanti, che prevede l’uso della simulazione numerica. La complessità e il costo del terzo metodo lo rendono di fatto inapplicabile nelle fasi di progettazione preliminare dell’estruso. Il primo metodo prevede semplicemente di moltiplicare l’area da estrudere per la pressione massima di estrusione (600-800 MPa per le leghe 6xxx, valori superiori per le leghe meno estrudibili).
Il secondo metodo, utile per il progettista che debba solo fare una previsione grossolana, prevede l’uso di formule empiriche che hanno però il vantaggio della semplicità e dell’immediatezza. Questo approccio semplificato e approssimato ha anche il vantaggio di quantificare il peso di alcune variabili fondamentali legate al processo. Utilizzando ad esempio una formula piuttosto datata proposta dal prof. Carlo Panseri [2], si può avere immediatamente una miglior comprensione degli elementi che concorrono a determinare il valore della massima pressione di estrusione e anche il loro peso nei valori finali. L’effetto del materiale è racchiuso nel termine s, che l’autore suggerisce di determinare sperimentalmente a ritroso partendo dalle pressioni indicate dalla pressa di estrusione con i parametri di processo effettivi (temperature, velocità di estrusione, tipo di lega). Usando invece la simulazione numerica si può ottenere lo stesso risultato.

L’espressione che dà il valore della pressione massima di estrusione secondo [2] è la seguente:

Dove:
p= pressione di estrusione (MPa)
s= carico unitario di snervamento a compressione del materiale, alla temperatura e alla velocità di deformazione corrispondenti alle condizioni di estrusione (MPa)
ß = coefficiente di forma, generalmente pari a 1,5
A= area del contenitore (mm2)
a = area del profilato da estrudere (mm2)
µ = coefficiente d’attrito con le pareti del contenitore (0,07÷0,12)
L = lunghezza della billetta (mm)
D = diametro del contenitore (mm)

La formula racchiude nel termine s le caratteristiche di estrudibilità del materiale, la temperatura del processo e la velocità di estrusione: considerare questo valore come costante e caratteristico del materiale è una consistente semplificazione, quindi anche i risultati vanno visti con la dovuta cautela. Il riferimento bibliografico [3] dà per tre leghe di uso comune e per un certo set di parametri di processo i seguenti valori per la pressione p di estrusione:
Lega 6063: p = 440 MPa
Lega 6005A: p = 520 MPa
Lega 7020: p = 630 MPa

Con una stima dell’area del profilato (4150 mm2) usato in [3] e con il valore indicato del diametro della billetta (11”) è stato calcolato il rapporto di estrusione E=(∏2792/4)/4150≈ 15; usando nella formula [2] i valori indicati in [3] si può calcolare a ritroso il carico unitario di snervamento del materiale in quelle condizioni di estrusione (per le tre leghe indicate si ottengono i seguenti valori: 37,1 – 43,9 – 53,2 MPa). L’ultima variabile da definire è la lunghezza della billetta: anche in questo caso si può usare la formula [2] fissando la pressione di estrusione p, il diametro della billetta e il tipo di lega. In questo modo si può ottenere la lunghezza teoricamente estrudibile: a essa vanno applicate percentuali di scarto variabili fra il 30 e il 50% a seconda dei casi. Fare delle previsioni preliminari sulla massima lunghezza estrudibile in sede di progetto evita sorprese soprattutto in quelle applicazioni che richiedono lunghezze notevoli (settore ferroviario, navale, alcune applicazioni delle costruzioni civili). Mediante le stime indicate in precedenza si può quindi stabilire il massimo valore del peso a metro dell’estruso: in sede di progetto queste considerazioni, note le caratteristiche delle presse, permettono di stabilire, per successivi tentativi, la dimensione ottimale dei profilati.

I limiti di lunghezza del profilato
Si tratta di una grandezza che a disegno viene definita in termini di prodotto finito: è solitamente compito dei responsabili di produzione dare i valori di sovrametallo richiesto dalle lavorazioni intermedie. Valori non trascurabili sono richiesti ad esempio dallo stretch bending per consentire la presa delle estremità dei profilati da curvare; nel caso invece dei grandi estrusi usati nel settore ferroviario (lunghezze fino a 26 m) usati sotto forma di barre rettilinee, i sovrametalli sono decisamente più ridotti (10 cm circa), giusto per compensare gli errori di taglio e di posizionamento sugli scali di montaggio. Il limite tecnologico è costituito dalla lunghezza dei banchi di stiratura: al termine dell’estrusione il profilato, una volta raffreddato, viene afferrato a entrambe le estremità e sottoposto a una forza di trazione di poco superiore al carico unitario di snervamento del materiale. Questa operazione, che comporta naturalmente lo scarto delle estremità, permette di ottenere profilati sufficientemente rettilinei oltre che caratteristiche meccaniche più uniformi in senso trasversale rispetto a quelle longitudinali. Sul limite di lunghezza occorre osservare che in molti casi questo è del tutto inesistente dato che, per esigenze di economia di trasporto, la fornitura dei profilati avviene usando lunghezze di barra pari a 6 o a 12 m, del tutto rispondenti alle esigenze di trasporto su strada. In altri casi invece (settore ferroviario ad esempio), essendo richiesti estrusi molto lunghi, si fa ricorso al trasporto via nave o su rotaia, usando eventualmente anche trasporti eccezionali su strada. La lunghezza dei profilati, oltre a richiedere banchi di stiratura di lunghezza adeguata, dà delle limitazioni anche sul massimo peso a metro del profilato. Infatti i contenitori delle presse prevedono lunghezze limitate delle billette (1÷1,5 m circa). Queste ultime, inizialmente di lunghezza ben maggiore, vengono pre-riscaldate, tagliate alla lunghezza voluta e inserite nella pressa. Per una previsione della massima lunghezza estrudibile occorre calcolare il volume della billetta, dividerlo per l’area del profilato e tenersi un certo margine di scarto in testa e coda (scattivazione). Ad esempio, facendo riferimento a una pressa a estrusione diretta da 5000 t, il peso della billetta di maggiori dimensioni (420 mm di diametro x 1180 mm di lunghezza) è pari a 440 kg; se si desidera estrudere un profilato da 30 kg/m la lunghezza teoricamente ottenibile è pari a circa 14 m: considerando gli scarti, su una forma aperta si arriva a una lunghezza utile di circa 11 m, su una forma cava a circa 9 m. In generale la percentuale di scarto rispetto al volume iniziale della billetta è del 30-50% a seconda dei casi. Questo semplice esempio mostra come il progetto debba valutare sin dalle prime fasi l’ambito tecnologico per evitare dolorose sorprese finali.

Profilati di forma aperta, semicavi e cavi
Come noto, i profilati estrusi vengono classificati in estrusi di forma aperta, semicavi e cavi. Questi ultimi sono realizzati usando matrici a ponte; i primi possono invece essere realizzati con matrici più semplici, in pratica una piastra con un’apertura avente il contorno esterno del profilato da realizzare. Il loro costo, al crescere delle dimensioni varia orientativamente fra 1500 e 12000 euro (presse da 1600 a 6000 t).
Nel caso di estrusi cavi, la forma non è più mono-connessa: per ottenere l’intera forma del profilo è necessario aggiungere alla linea esterna tante linee chiuse interne quante sono le cavità. In questo caso la matrice si complica notevolmente, dato che per ottenere le cave interne è necessaria la presenza di dispositivi che hanno la funzione di dividere il flusso del metallo a monte della cavità, per poi operare il ricongiungimento dei flussi appena dopo, ottenendo così la forma desiderata. In questo caso il costo varia da 2200 a 27000 euro a seconda delle dimensioni.
E’ importante che gli estrusi semicavi abbiano determinate proporzioni: la parte di matrice che permette di ottenere la cavità non è altro che una mensola a sbalzo soggetta alla pressione del metallo. La flessione che si genera sulla minima sezione resistente aumenta con la sezione della cava e al diminuire della lunghezza della cavità. La Figura 2 indica i valori massimi ammissibili.

Le camere di risaldatura
Gli estrusi cavi sono caratterizzati dalla presenza dei cosiddetti giunti di risaldatura (welding seams), presenti sull’intera lunghezza del profilato. I sostegni degli aghi provocano infatti prima la separazione e poi il ricongiungimento del flusso di metallo a valle. La convergenza dei flussi genera fenomeni di ricalcatura a caldo tali da ripristinare la continuità metallica nel profilato. Questo accade se le variabili di processo (temperatura, velocità di estrusione…) sono state correttamente regolate. Accade però che la presenza di lubrificanti, di gas intrappolati nel contenitore o altro concorrano nell’ottenere una saldatura di scarsa qualità, di difficile valutazione in termini oggettivi. E’ un difetto che può manifestarsi durante il controllo a valle dell’estrusione ma, anche in modo vistoso, dopo la consegna dei profilati. Gli estrusi più critici da questo punto di vista sono quelli sottoposti in esercizio a sforzi prevalentemente torsionali. La Figura 3 indica due punti di risaldatura evidenziati da attacco micrografico. L’enorme varietà delle forme impedisce l’adozione di metodi standardizzati di controllo: l’unico metodo sicuramente applicabile a tutti i tipi di estruso è quello dell’osservazione macro/micrografica, per verificare ad alto ingrandimento la continuità metallica perlomeno nella sezione in esame. Sarebbe auspicabile poter effettuare una valutazione più oggettiva, quale ad esempio una valutazione della resistenza in campo plastico della giunzione mediante prove di trazione, di piega o di imbutitura: purtroppo la varietà delle forme impedisce di fatto la loro effettuazione in molti casi.

La totale libertà di forma della sezione
Uno degli argomenti più utilizzati per descrivere le caratteristiche del processo di estrusione è la totale libertà di forma delle sezioni. In verità si tratta di libertà condizionata, dati i vincoli tecnologici. Un primo ed evidente limite è quello geometrico dettato dal diametro della billetta: nel caso di sezioni aperte, il margine anulare rispetto al contenitore è circa il 10% del raggio; è leggermente maggiore per le sezioni cave. A questa limitazione sfuggono, perlomeno in una dimensione, solo le presse dotate di dispositivo allargatore, una sorta di imbuto che, partendo dalla sezione circolare del contenitore, evolve allargandosi in una direzione. Si tratta di un dispositivo che permette di ottenere forme molto sviluppate in una direzione e poco in quella ortogonale: è il caso ad esempio delle sponde dei camion (Figure 4 e 5).
Un secondo vincolo tecnologico è il cosiddetto rapporto di estrusione E, fra la sezione della billetta e la sezione da estrudere. Non è evidentemente possibile che E<1 né conviene che si riduca a poche unità. D’altro canto, valori troppo alti di E significano forze di estrusione elevate se non impossibilità di estrudere. Nel caso delle leghe dure (2xxx, 5xxx, 7xxx e leghe 6xxx ad alto tenore di silicio e magnesio) E varia approssimativamente fra 10 e 35. Nel caso delle leghe tenere (1xxx, 3xxx e 6xxx a basso tenore di magnesio e silicio) fra 10 e 100.
Un altro vincolo tecnologico da tenere in considerazione è la massima forza di trazione applicabile dalla stiratrice. Dopo l’estrusione infatti il profilato, dopo il raffreddamento, viene afferrato alle estremità: il carico applicato viene calcolato in modo da produrre un allungamento residuo dell’1-2%. Soprattutto nel caso di leghe dure, anche se nello stato fisico del grezzo di estrusione, il carico unitario di snervamento assume valori non trascurabili (135 MPa per una 2014 e 165 MPa per una 7075) che possono costituire un limite alle massime dimensioni del profilato.

Gli spessori minimi
Una grandezza di notevole interesse per il progettista è lo spessore minimo che l’estrusione può produrre: si tratta di un confine ben preciso all’ottimizzazione strutturale che i moderni metodi di calcolo facilmente consentono. Osservando i profilati presenti sul mercato, si nota immediatamente il legame fra la dimensione tipica della sezione (cerchio circoscritto) e lo spessore minimo estrudibile: all’estremo inferiore troviamo i piccoli profilati estrusi speciali per scambiatori di calore (a sezione rettangolare, nove camere, dimensioni esterne 30×1,8 mm, spessore minimo di parete 0,3 mm) mentre l’estremo superiore è appannaggio dei profilati delle grandi presse da 20-24.000 t , con cerchi circoscritti di 900 mm. Profilati più facilmente reperibili (cerchio circoscritto da 400-600 mm) hanno spessori minimi di almeno 7-8 mm se si tratta di tubi senza setti interni; se invece si realizzano sezioni più complesse con molti setti interni (è il caso ad esempio dei grandi estrusi per uso ferroviario) si arriva a 2,7÷3 mm o anche meno. In tutti i casi citati si tratta di leghe 6xxx con buona estrudibilità (6063-6060-6005A). Se invece si passa alle cosiddette leghe dure (2xxx e 7xxx), o anche a leghe 6xxx con maggiori contenuti di Mg e Si (ad esempio la 6082) a parità di geometria occorre prevedere spessori minimi maggiori, indicativamente del 15-30%. Il progettista dovrà attentamente considerare l’effetto lega e il conseguente incremento di spessore richiesto per motivi tecnologici, verificandone gli effetti sul dimensionamento. Un esame dei dati reperibili in letteratura indica una certa dispersione nei valori dichiarati degli spessori minimi ottenibili, che, come si può facilmente immaginare, sono superiori ai minimi che vengono di fatto ottenuti. Il motivo risiede nella complessità e nel rischio di dichiarare a priori un certo spessore ottenibile solo considerando lega e cerchio circoscritto: è molto più opportuna una valutazione caso per caso facendo riferimento a precedenti esperienze e alla forma richiesta. In ogni caso si sottolineano i seguenti punti: Una relazione lineare fra valore del cerchio circoscritto e spessore minimo a parità di lega

Un effetto lega (dalle più estrudibili alle più dure, da valutare caso per caso).
Il passaggio da estrusi di forma aperta a profilati cavi comporta un incremento degli spessori minimi in percentuale crescente all’aumentare del valore del cerchio circoscritto. Su piccoli estrusi (50-70 mm) l’incremento è attorno al 15%; su estrusi di medie dimensioni (circa 200 mm) si può arrivare al 100%.

Le tolleranze geometriche
Una lavorazione di deformazione plastica a caldo è quanto richiesto per ottenere profilati estrusi di forma anche molto complessa: a questa semplicità di processo non corrisponde naturalmente un risultato estremamente preciso in termini di tolleranze dimensionali, quelle ad esempio tipiche delle lavorazioni per asportazione di truciolo. Di questo fatto non eludibile devono essere coscienti i progettisti, cui spetta il compito di trovare le giuste soluzioni in modo da tener conto dei limiti tecnologici. Il documento-base per ottenere tutte le informazioni è la norma EN 755-9 contenente un elenco abbastanza completo delle tolleranze geometriche che solitamente vengono incontrate: si rimanda a essa per gli opportuni approfondimenti. Soprattutto in ambito architettonico viene utilizzata la norma EN 12020 che è applicabile a leghe di facile estrusione (6060 e 6063), con diametro del cerchio circoscritto inferiore a 350 mm: ha tolleranze dimensionali più ristrette e prevede superfici più curate per favorire la successiva ossidazione anodica.
Per avere una prima idea grossolana delle tolleranze, le seguenti regole possono essere d’aiuto:
• Dimensione lineare: ± 1% del valore nominale
• Spessore di parete: ± 5÷10% del valore nominale;
valori più elevati sugli spessori più sottili
• Tolleranze sugli angoli: ± 2°
Il problema che spesso si presenta, partendo dai valori normati, è l’eccessiva ampiezza dei valori delle varie tolleranze: in questi casi non c’è altro da fare che intavolare una discussione con l’estrusore. La norma, dovendo avere contenuti generali, si prende qualche margine, per cui, davanti a esigenze progettuali significative e magari tenendo conto dei maggiori scarti a livello di costo, si può trovare la giusta mediazione. L’altra via è aguzzare l’ingegno: in campo ferroviario ad esempio c’è il problema di ottenere una larghezza di cassa entro pochi mm di tolleranza. Ma come fare dato che ad esempio il telaio è formato da almeno cinque estrusi lunghi 400 mm? Con l’1% di tolleranza in positivo dei cinque estrusi la tolleranza sul totale verrebbe compromessa; la soluzione sono i giunti di compensazione, a sovrapposizione anziché testa a testa, con penalizzazione sulla resistenza del giunto.

Il disegno ottimizzato
Come accennato in precedenza, l’assoluta libertà di forma in pratica non esiste, tuttavia le forme realmente estruse testimoniano quanto questo processo consenta di fare. I migliori risultati si ottengono seguendo alcune semplici regole base: Forme simmetriche, meglio se doppiamente simmetriche, consentono un flusso bilanciato del metallo senza dover adottare artifici empirici sulle matrici (per frenare il flusso del metallo se la sua velocità di uscita non è uniforme). Per la stessa ragione è bene che gli spessori non siano troppo diversi tra di loro: spessori elevati consentono un più facile deflusso del metallo, che evita passaggi stretti (attriti elevati). L’uguaglianza degli spessori, o perlomeno la loro uniformità a tratti, favorisce anche la saldatura: solitamente infatti i parametri di saldatura vengono impostati prima e rimangono costanti (a parte innesco e spegnimento dell’arco) durante la saldatura. L’estrusione non consente di realizzare spigoli vivi o forme appuntite: è sufficiente prevedere un raggio di raccordo di 0,5-1 mm per migliorare notevolmente la situazione prolungando anche la vita della matrice. Se esigenze di progetto richiedono variazioni di spessore, prevedere adeguati raccordi. Le anime interne di un profilato cavo devono avere spessori comparabili con quelli delle superfici esterne per favorirne il riempimento; è bene ricordare che le caratteristiche meccaniche delle anime interne sono sempre inferiori a quelle delle superfici esterne: queste ultime vengono infatti temprate più efficacemente. Le cave profonde devono avere proporzioni tali da rispettare i criteri indicati nella Figura 1. Se sono necessarie cavità più profonde si può ricorrere all’espediente della linguetta incisa alle estremità da rimuovere meccanicamente dopo l’estrusione. Se sono necessarie sedi per viti in direzione parallela all’estrusione evitare la sede chiusa in favore di una sede aperta con angolo di 60°. Esistono tre tipi di cave: per viti passanti (lato interno liscio), per viti autofilettanti (lato interno rigato) e per viti che richiedono maschiatura (di spessore adeguato).

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