L'alluminio, un metallo non ferroso, è il terzo elemento più abbondante (8.23%) nella crosta terrestre. Hans Orsted fu il primo a isolarlo nel 1827. Sebbene non sia così antico rispetto ai metalli ferrosi, è stata una scelta popolare in tutti i settori grazie alla sua resistenza, corrosione e, soprattutto, leggerezza.
In settori ad alto rischio, come quello aerospaziale e automobilistico , la precisione è fondamentale. Ogni grammo e ogni dimensione precisa possono influire sulle prestazioni e sull'efficienza complessive. Pertanto, l'alluminio deve essere sottoposto a meticolosi processi di lavorazione CNC per soddisfare questi standard rigorosi.
Questa guida dettagliata spiega il processo di lavorazione CNC dell'alluminio, le leghe di alluminio favorevoli alla lavorazione e le applicazioni chiave delle parti in alluminio lavorato CNC.
Lavorazione CNC dell'alluminio: processi e attrezzature
La lavorazione CNC dell'alluminio si riferisce all'utilizzo di apparecchiature computerizzate (macchine CNC) per tagliare e sagomare lamiere di alluminio con estrema precisione. Le macchine comunemente impiegate a questo scopo sono:
Fresatrici CNC
Le fresatrici CNC utilizzano un utensile da taglio rotante per tagliare, modellare e rimuovere materiale da un pezzo. L'utensile ha la flessibilità di muoversi su più assi (X, Y e Z) per ottenere la forma e le dimensioni desiderate. Le fresatrici CNC da 3 a 5 assi sono comuni per la fresatura dell'alluminio.
Tali macchine sono ideali per creare superfici dettagliate, fessure e forme complesse, quelle richieste nel settore automobilistico e aerospaziale. Per le operazioni di fresatura vengono utilizzati utensili da taglio rotanti (frese a candela, frese a spianare e frese a sfera).
Centri di tornitura CNC
Nella tornitura CNC , un pezzo fisso scorre contro un pezzo rotante, modellandolo secondo la forma desiderata. Questa lavorazione è principalmente destinata a componenti cilindrici e simmetrici in alluminio, come barre, alberi e elementi di fissaggio. Un utensile da taglio a punta singola viene utilizzato per rifilare la superficie e ridurre il diametro.
Taglierine laser CNC
La taglierina laser CNC utilizza un raggio di luce (laser) ad alta potenza per vaporizzare la superficie metallica e creare un taglio netto. A differenza degli strumenti meccanici, la dimensione dello spot del raggio laser è sottilissima e consente tagli netti estremamente precisi. Tuttavia, lo spessore di taglio è limitato.
Oltre a tagliare, questi strumenti possono marcare e incidere l'alluminio. Pertanto, le applicazioni ideali sono la marcatura di dispositivi nell'elettronica e in altri settori.
Tagliatori d'acqua
Un waterjet cutter utilizza un flusso d'acqua ad alta pressione, miscelato con particelle abrasive, per tagliare i materiali. Non induce stress termico sul materiale, preservando le proprietà meccaniche dell'alluminio.
Il getto d'acqua viene utilizzato per il taglio di lastre di alluminio più spesse ed è preferito negli scenari in cui è necessario evitare la distorsione termica.
Perché scegliere l'alluminio per le parti CNC?
L'alluminio è il metallo più abbondante nella crosta terrestre. E ha tutte le caratteristiche desiderate che soddisfano la maggior parte delle nostre esigenze di prodotto:
Elevato rapporto forza-peso
L'alluminio è noto per la sua natura leggera, ma vanta uno dei rapporti resistenza/peso più elevati tra i materiali tecnici. Questo attributo è prezioso in applicazioni critiche come quelle aerospaziali e automobilistiche, dove è necessario ridurre il peso senza compromettere la resistenza.
Grande lavorabilità
Ogni metallo richiede una qualche forma di taglio e modellatura tramite macchine. Sotto questo aspetto l’alluminio si comporta bene. È morbido e relativamente più facile da lavorare poiché si scheggia facilmente. Inoltre, richiede meno tempo, il che a sua volta riduce i costi di lavorazione.
Resistenza alla Corrosione
A differenza dei metalli ferrosi che arrugginiscono a causa della formazione dello strato di ossido, molti gradi di alluminio sono intrinsecamente resistenti alla corrosione. Tuttavia, questa tendenza varia all’interno della serie. La serie 6061 è apprezzata per la sua resistenza. Le leghe di alluminio contenenti rame sono invece meno resistenti alla corrosione.
Conduttività elettrica
Nella tabella di conduttività dei metalli industriali di uso comune, l'alluminio puro si colloca appena al di sotto del rame. Secondo l'IACS, la conduttività del rame è compresa tra 58 e 62 milioni di S/m, mentre quella dell'alluminio puro è tra 35 e 38 milioni di S/m. I valori di ferro, acciaio al carbonio e acciaio inossidabile sono rispettivamente 10, 7 e 1.5. Tuttavia, le leghe di alluminio sono meno conduttive.
Potenziale di anodizzazione
L'anodizzazione dell'alluminio rappresenta un vantaggio unico, soprattutto quando sono richieste durabilità ed estetica. L'anodizzazione non solo migliora la resistenza alla corrosione dell'alluminio ma consente anche la colorazione, che può essere vantaggiosa per i prodotti di consumo.
riciclabilità
Secondo l'International Aluminum Institute, il 75% di tutto l'alluminio mai prodotto è ancora in uso oggi. Inoltre, circa 30 milioni di tonnellate di alluminio vengono riciclate ogni anno, riducendo la necessità di produzione di alluminio vergine. Questo elevato tasso di riciclaggio sottolinea il ruolo dell'alluminio come scelta di materiale sostenibile.
Serie comuni in alluminio per la lavorazione CNC
Secondo il sistema di designazione internazionale delle leghe, tutti gli elementi delle leghe metalliche sono rappresentati da 4 cifre che definiscono il metallo centrale e le leghe presenti. Un alfabeto dopo il nome della serie rappresenta il processo di trattamento superficiale.
Comunemente, l'alluminio è disponibile in 7 serie diverse, da 1000 a 7000. Si inizia con l'alluminio standard puro e poi si passa alle leghe. È disponibile anche un grado 8000 con elementi di terre rare, ma meno comune.
Serie 1xxx – Alluminio puro
Questa serie è la più pura e comprende il 99% o più di alluminio. Presenta tutte le caratteristiche intrinseche dell'Alluminio; eccellente resistenza alla corrosione ed elevata conduttività elettrica e termica. Ecco perché le sue applicazioni comuni sono i serbatoi e le tubazioni per prodotti chimici.
La resistenza alla trazione di queste leghe è compresa tra 69 e 186 MPa. Le leghe della serie 1xxx possono essere saldate ma non sono trattabili termicamente.
Serie 2xxx – Leghe Al-Rame
L'aggiunta di rame migliora l'aspetto della lavorazione e la resistenza alla trazione, portandola fino a 420 MPa. Viene utilizzato prevalentemente nel settore aerospaziale dove la sua elevata resistenza a varie temperature è fondamentale, sebbene spesso richieda rivestimenti per una migliore resistenza alla corrosione.
Serie 3xxx – Leghe di Al-Manganese
Questa serie aumenta la resistenza meccanica attraverso l'aggiunta di manganese. Hanno una resistenza alla trazione moderata compresa tra 110 e 290 MPa e sono anche trattabili a caldo. Le applicazioni comuni sono l'imballaggio alimentare, le pentole e le applicazioni sulla lamiera.
Serie 4xxx – Lega Al-Silicio
Le serie 4000 sono caratterizzate dall'inclusione di silicio, che abbassa i punti di fusione e migliora la fluidità negli stati fusi, rendendolo più adatto per applicazioni di fusione. Le sue principali applicazioni sono rivestimenti, riempitivi per saldatura ed estrusioni architettoniche.
Serie 5xxx – Lega di Al-Magnesio
Il magnesio, l'elemento di lega principale, conferisce a questa serie elevata robustezza ed eccellente resistenza alla corrosione. Le leghe sono abbastanza resistenti agli alcali e facilmente saldabili, il che le rende perfette per le applicazioni marine. Il membro della serie, la lega 5083, si distingue per la sua resistenza all'acqua di mare e all'esposizione chimica.
Serie 6xxx – Lega Al-Magnesio-Silicio
Questa serie è nota per la sua formabilità, saldabilità e resistenza alla corrosione. Possono subire qualsiasi trattamento termico per ottenere le caratteristiche desiderate. La lega 6061 è un nome piuttosto popolare (anche conveniente), utilizzato per biciclette elettriche, barche e telai di camion.
Serie 7xxx – Lega Al-Zinco
La più resistente della gamma, questa serie è legata principalmente con zinco ed è preferita negli articoli aerospaziali e sportivi per il suo eccezionale rapporto resistenza/peso e resistenza alle sollecitazioni. Le leghe possono essere saldate ma è necessaria la massima cautela.
Leghe di alluminio più diffuse per la lavorazione CNC
| Leghe di alluminio | Resistenza alla trazione (MPa) **(Valori approssimativi) | Applicazioni comuni |
| Alluminio 2007 | 270-400 | Parti di macchine, bulloni, rivetti, dadi, viti, barre filettate. |
| Alluminio 2024 | 250-400 | Componenti strutturali aerospaziali. |
| Alluminio 5052 | 170-305 | Ambienti marini, serbatoi di carburante per autoveicoli, segnaletica stradale. |
| Alluminio 5083 | 270-345 | Attrezzature criogeniche, applicazioni marine, attrezzature a pressione, applicazioni chimiche, costruzioni saldate. |
| Alluminio 5754 | 190-240 | Strutture saldate, pavimentazioni, attrezzature per la pesca, carrozzerie di veicoli, lavorazione alimentare, rivetti. |
| Alluminio 6060 | 190 | Edilizia, trasformazione alimentare, apparecchiature mediche, ingegneria automobilistica. |
| Alluminio 6061 | 180 - 270 | Strutture molto caricate, impalcature, vagoni ferroviari, parti di macchine, applicazioni generiche. |
| Alluminio 6063 | 180 | Applicazioni architettoniche, infissi, serramenti, coperture |
| Alluminio 6082 | 290 | Costruzioni offshore, container |
| Alluminio 7075 | 500-572 | Telai di biciclette, attrezzature per arrampicata su roccia, armi, produzione di stampi, applicazioni di ingegneria avanzata |
** Questi sono solo valori approssimativi. Quelli esatti dipendono dal processo di trattamento; Consultare il produttore per valori precisi.
Considerazioni chiave durante la lavorazione CNC dell'alluminio
Quando si utilizza l’alluminio è necessario tenere presenti questi pochi aspetti tecnici:
Materiale dello strumento
L'alluminio è morbido, quindi richiede uno strumento da taglio duro come il carburo. Negli utensili in metallo duro anche la struttura del grano è di primaria importanza. Ed è la presenza del cobalto che aiuta a raggiungere quella struttura fine. Tuttavia, il cobalto, quando reagisce con l'alluminio, provoca un accumulo di gomma sull'utensile. Pertanto, è preferibile un rapporto ottimale dal 2 al 20% nell'utensile in metallo duro.
Oltre a ciò, anche il rivestimento è importante. Frese con diamante, diboruro di titanio (TiB2) e nitruro di zirconio (ZrN).
Progettazione e orientamento degli strumenti
Le frese hanno delle scanalature, il cui numero determina la facilità di lavorazione. La raccomandazione è di 2-3 scanalature; due scanalature offrono un'ottimale rimozione dei trucioli, mentre tre scanalature bilanciano la rimozione dei trucioli con la resistenza dell'utensile.
Anche l'angolo dell'elica e l'angolo di spoglia sono fondamentali: un angolo dell'elica di 35° o 40° è efficace per la sgrossatura, mentre un angolo di 45° è migliore per la finitura. Gli angoli di spoglia dovrebbero essere compresi tra 6° e 10°.
Tasso di avanzamento e velocità
La velocità di taglio si riferisce alla velocità di rotazione dell'utensile da taglio. Va scelto in base al tipo di lega di Alluminio. In generale, si consiglia una velocità di taglio più elevata per evitare bordi di riporto e ridurre la generazione di calore.
La velocità di avanzamento è la velocità di avanzamento dell'utensile. Queste tariffe differiscono in base alla finitura richiesta; i tagli di sgrossatura potrebbero utilizzare un avanzamento da 0.15 a 2.00 mm/giro mentre i tagli di finitura possono utilizzare da 0.05 a 0.20 mm/giro.
Fluido da taglio
Il taglio dell'alluminio a secco è disastroso a causa della formazione di bordi di riporto. Utilizzare oli minerali non diluiti ed evitare liquidi contenenti zolfo o cloro attivi poiché possono macchiare l'alluminio.
Parti in alluminio: tecniche di finitura
Una superficie metallica tende a arrugginirsi o a corrodersi se lasciata grezza. Allo stesso modo, l’alluminio subisce alcune tecniche di finitura che servono solo a scopo protettivo ma aggiungono anche un elemento estetico.
SabbiareING
La sabbiatura consiste nel far esplodere particelle di sabbia fine ad alta velocità sulla superficie dell'alluminio utilizzando aria compressa. Questo processo pulisce la superficie rimuovendo eventuali impurità o residui e crea una texture uniforme e opaca. È utile per preparare il metallo per un'ulteriore finitura o per ottenere un aspetto superficiale specifico.
Anodizzazione
L'anodizzazione è un processo elettrochimico che ispessisce lo strato di ossido naturale sulla superficie delle parti in alluminio. Lo strato aggiunto migliora la resistenza alla corrosione, aumenta la durezza superficiale e consente la tintura dell'alluminio.
Powder Coating
La verniciatura a polvere applica una polvere secca sull'alluminio. Viene quindi polimerizzato a caldo per formare uno strato sottile. Questo rivestimento è resistente, protettivo e disponibile in molti colori. La finitura superficiale è di alta qualità e migliore della vernice standard.
Sfide nella lavorazione dell'alluminio
Sebbene l’alluminio sia morbido e leggero, la sua lavorazione presenta alcune sfide uniche:
Accumulo di gomma
L'alluminio ha un basso punto di fusione (660°C): il calore da attrito generato durante il taglio o la molatura può far sì che il metallo si ammorbidisca e aderisca all'utensile da taglio, creando un effetto “gommatura”. Per mitigare questo fenomeno è consigliabile l'utilizzo di frese in metallo duro accompagnate da una lubrificazione continua tramite nebbia di etanolo.
Costi più elevati Rischi più elevati
L’alluminio è più costoso di molti altri metalli comuni, quindi i costi associati alla sostituzione/riparazione delle parti danneggiate sono significativamente più elevati.
Rischio di contaminazione
Quando esposto all'atmosfera, l'alluminio forma uno strato di ossido che può essere dannoso se non rimosso prima della saldatura o della lavorazione. Questo strato di ossido può portare a imperfezioni e porosità nel prodotto finale.
Stime dei costi per la lavorazione CNC dell'alluminio
Il costo è un fattore critico nella lavorazione, in particolare per la produzione su larga scala. Ecco i principali costi coinvolti nel ciclo di vita di un prodotto in alluminio:
- Costo della materia prima: Il prezzo dell'alluminio varia a seconda dello spessore, della qualità e delle dimensioni del materiale. Per una stima approssimativa, si consideri la comune lega di alluminio 6061. Il suo prezzo è di $ 12 e $ 15 per libbra.
- Costo di lavorazione: I costi operativi delle macchine variano in base alle loro capacità. Per una macchina CNC a 3 assi, il prezzo è compreso tra $ 25 e $ 30 l'ora. Per le macchine CNC a 5 assi più avanzate, il costo è compreso tra $ 40 e $ 50 l'ora.
- Costo dello strumento: L'utensile in metallo duro utilizzato nella lavorazione dell'alluminio costa circa $ 2-5 al pezzo.
Applicazioni di parti in alluminio di macchine CNC
L'alluminio è uno dei metalli più utilizzati nel settore per le sue caratteristiche favorevoli e la facilità di lavorazione. La tabella 1 elenca le applicazioni dell'alluminio nei principali settori di uso quotidiano.
| Settore | Applicazioni specifiche | Gradi di alluminio |
| Automotive | Componenti del motore (pistoni, cilindri) | 4032, 2618 |
| Trasmissione e strutturale | 6061, 7075 | |
| Aeronautico | Strutture strutturali di aerei | 2024, 7075 |
| Componenti dell'ingranaggio | 7075, 2024 | |
| Elementi di fissaggio e raccordi | 7075, 6061 | |
| Elettronica | Dissipatori di calore per la gestione termica | 6063, 1100 |
| Contenitori per dispositivi elettronici | 5052, 6061 | |
| Componenti per connettori e interruttori | 6061, 2024 | |
| Alimenti e imballaggi | Componenti di macchinari per la lavorazione alimentare | 6061, 5052 |
| Parti di macchine per l'imballaggio | 6061, 5052 | |
| Stampi per confezionamento alimentare | 3003, 6061 |
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