Nei processi di pressofusione in alta pressione (HPDC) di componenti in alluminio, l’inserto dello stampo è uno degli elementi più sollecitati: deve reggere cicli ripetuti, shock termici, abrasione e zone localmente molto calde. Per componenti strutturali o di powertrain, la stabilità termica e la capacità di gestire i picchi di temperatura diventano vincoli progettuali che impattano direttamente qualità superficiale, porosità, deformazioni e tempi di manutenzione. In parallelo, l’evoluzione dell’architettura veicolo (riduzione del numero di parti e componenti più complessi) sta spingendo verso utensili più grandi e più difficili da raffreddare in modo uniforme, con la necessità di iterare più velocemente su geometrie e varianti.
Il problema di partenza: tecniche tradizionali lente e prestazioni non sufficienti
Nel caso specifico del carter della trasmissione ibrida Toyota (Toyota Yaris Hybrid per Toyota Europe), la realizzazione di un inserto per stampo con metodi convenzionali—combinando lavorazioni meccaniche, brasatura/saldobrasatura e forature profonde (gun drilling) per i canali di raffreddamento—ha mostrato un limite pratico: tempi di consegna lunghi e, soprattutto, prestazioni dell’inserto non allineate alle aspettative. Quando i canali di raffreddamento devono “seguire” da vicino le zone calde (raffreddamento conforme), forare e collegare passaggi interni complessi senza compromettere resistenza e affidabilità diventa una sfida che spesso porta a compromessi geometrici.
Il progetto: MacLean-Fogg (MacLean Additive) + Fraunhofer ILT per Toyota Europe
Per superare questi vincoli, MacLean-Fogg Company (tramite le proprie competenze in additive e materiali, citata anche come MacLean Additive) e Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT hanno sviluppato e consegnato a Toyota Europe un inserto per pressofusione realizzato in produzione additiva metallica, con un dato che lo rende immediatamente “fuori scala” rispetto alla norma: 156 kg (350 lb) di massa, descritto come il più grande inserto di pressofusione “quasi pieno” stampato in 3D finora riportato pubblicamente per questo tipo di applicazione.
Tecnologia: LPBF/PBF-LB/M su sistema a portale multi-laser
Il cuore della soluzione è la Laser Powder Bed Fusion (LPBF), indicata nel contesto Fraunhofer come PBF-LB/M, eseguita su una piattaforma a portale (gantry-type) con cinque laser e volume di costruzione scalabile. Questo approccio è pensato per superare il limite tipico delle LPBF “classiche” (camere più piccole) quando si vogliono produrre inserti di dimensioni dell’ordine di 600 × 600 mm² o superiori in un pezzo unico, mantenendo stabilità di processo, gestione termica e ripetibilità. Fraunhofer riporta anche la possibilità di lavorare con temperature di camera fino a 200 °C e parti con dimensioni oltre 50 cm (lato), elementi che aiutano a contenere tensioni residue e rischio di criccatura su geometrie massicce.
Materiale: polvere di acciaio per utensili L-40 e perché è centrale
Un fattore abilitante è la polvere di acciaio per utensili L-40 sviluppata da MacLean-Fogg per l’LPBF: l’obiettivo dichiarato è ottenere durezza e tenacità elevate limitando la tendenza alla criccatura anche con pre-riscaldi moderati, riducendo inoltre la necessità di trattamenti termici post-build più complessi (quindi tempo e costo). Nella documentazione Fraunhofer vengono citati valori indicativi nello stato “as-built” come 48 HRC di durezza, 1420 MPa di resistenza a trazione e >60 J di resilienza (notched impact strength). Sul piano applicativo, MacLean-Fogg associa L-40 anche a benefici pratici per la pressofusione di alluminio: riduzione del fenomeno di soldering (adesione dell’alluminio alla superficie utensile), vita utile circa doppia rispetto a inserti convenzionali in pressofusione di alluminio e minori esigenze di manutenzione; viene inoltre evidenziata una composizione con assenza di cobalto e bassa percentuale di nichel.
Geometria e funzione: raffreddamento conforme e “near-contour cooling”
Il vantaggio principale della produzione additiva, in questo caso, è la possibilità di realizzare una rete di canali interni complessi che seguono da vicino le superfici e le zone più sollecitate termicamente dello stampo (raffreddamento conforme / near-contour). Fraunhofer descrive l’effetto atteso in termini concreti: temperare le zone critiche, ridurre il carico termico, abbassare i picchi locali di temperatura e diminuire l’usura termo-meccanica. In progetti precedenti viene indicato che la vita utensile di stampi comparabili può arrivare fino a quasi quattro volte rispetto a soluzioni convenzionali.
Catena di processo: perché si parla anche di “ibrido”
Accanto alla stampa LPBF “pura”, viene descritto un approccio di produzione ibrida per rispettare obiettivi di costo: una parte del componente può essere realizzata con metodi convenzionali (preforma) e integrata con la porzione stampata in LPBF nelle aree dove le lavorazioni tradizionali non riescono a generare i canali o le forme richieste. Viene menzionato un caso in cui una preforma aveva già canali di raffreddamento verticali; l’assemblaggio/integrazione richiede però alta precisione di posizionamento e controllo di processo, perché collegare in modo affidabile le due “metà” è una condizione necessaria per la funzionalità del raffreddamento. L’idea industriale è usare l’LPBF solo dove serve davvero, riducendo tempi di costruzione e costo complessivo.
Post-process e validazione OEM: cosa viene riportato pubblicamente
Dopo la costruzione, viene indicato un passaggio di distensione/ricottura di distensione (stress relief annealing) prima delle fasi funzionali e di utilizzo nello stampo. Dal lato Toyota Europe, la validazione “OEM” collega la stampa a portale con L-40 a: riduzione lead time, maggiore reattività produttiva, intervalli di manutenzione più lunghi e una struttura di costo compatibile con l’applicazione di tooling. In altre parole, il punto non è solo “si può stampare grande”, ma “si può stampare grande” con un bilanciamento di costo e prestazioni utile in produzione.
Implicazioni industriali: da inserti HPDC a mega/giga-casting e altri settori
Le stesse comunicazioni inquadrano questo risultato come parte di una traiettoria più ampia: strumenti più grandi e complessi per pressofusione, inclusi scenari di mega-casting / giga-casting, e la trasferibilità della catena di processo verso altre famiglie di utensili (stampaggio a caldo/freddo, lavorazioni per plastica e compositi) dove servono raffreddamenti complessi e lotti non enormi. In questo senso, l’inserto da 156 kg è un caso utile a dimostrare scalabilità, ripetibilità e robustezza metallurgica/materiale, temi spesso critici quando si passa dal prototipo al tooling operativo.
