Produzione con metallo

I metalli sono materiali opachi che appaiono brillanti se lucidati, sono buoni conduttori di calore e di elettricità e presentano punti di fusione relativamente elevati.

Per la maggior parte sono di norma duri, ma abbastanza teneri da essere modellabili tramite martellatura o pressatura senza rompersi o fessurarsi.

Sono abbastanza versatili da essere fusi o mescolati insieme e possono essere formati in grandi blocchi e fogli solidi o trasformati in lunghi fili sottili (una proprietà nota come duttilità).

Circa 95 dei 118 elementi della tavola periodica sono metalli, di cui 80 comunemente usati nella produzione.

I metalli si trovano nei minerali, di solito presenti nelle rocce, in tutta la crosta terrestre. Possono essere scoperti in forma pura, come alluminio, rame e oro, o mescolati con altri elementi che dovranno essere separati.

Il metodo di estrazione e separazione dipenderà dal metallo e dalle impurità presenti. La maggior parte prevede una combinazione di:

Coltivazione mineraria Una volta individuato il metallo o il minerale, questo viene rimosso dal terreno mediante esplosivi o escavatori.

Frantumazione e macinazione – Potenti frantumatori e macinatori meccanici polverizzano le rocce fino a ottenere una polvere fine per facilitare l'estrazione dei metalli.

Estrazione – Vengono usate varie tecniche per separare il metallo o il minerale da altri minerali e impurità. Comprendono la miscelazione con acqua, la dissoluzione del minerale con solventi e l'uso di magneti.

Raffinazione – Le eventuali impurità rimanenti vengono separate utilizzando metodi più complessi. Tra gli esempi figurano la fusione, che utilizza il calore e un agente chimico, e l'elettrolisi, che utilizza un acido e l'elettricità. Il risultato è una forma più pura del metallo, che però può ancora contenere alcune impurità.

Fusione – I metalli possono essere ulteriormente lavorati e/o combinati con altri elementi per produrre leghe. Di norma ciò viene svolto mentre gli elementi sono in forma liquida. Una volta ottenuto il metallo finale, la miscela fusa verrà versata negli stampi o estrusa meccanicamente in varie forme.

Le più comuni sono fogli, billette, aste, tubi, piastre, barre e fili. Questi elementi vengono poi tagliati in forme e dimensioni diverse a seconda dell'uso finale previsto e vengono spediti ai produttori per essere trasformati in innumerevoli prodotti.

• L'alluminio è un metallo tenero, non magnetico, duttile e leggero, estremamente resistente alla corrosione. È il secondo metallo più prodotto dopo il ferro. L'alluminio e le sue leghe sono fondamentali per l'industria aerospaziale, i trasporti e l'edilizia, ma questo metallo presenta molti altri usi, dai contenitori di bevande alle linee di trasmissione elettrica.
• Il cobalto è un metallo duro e brillante utilizzato da secoli nella gioielleria, nelle vernici e per aggiungere una particolare tinta blu al vetro. Oggi, il cobalto viene usato principalmente per creare leghe ad alte prestazioni che risultano forti, magnetiche e durature. Viene inoltre utilizzato nella produzione di batterie, catalizzatori e pigmenti, nonché nei radioisotopi.
• Il rame è un metallo tenero, malleabile e duttile. Il suo principale uso industriale è come conduttore di calore e di elettricità. Il rame è inoltre utilizzato negli edifici, principalmente nelle coperture, e come composto che funge da pigmento, agente antibatterico, fungicida e conservante del legno.
• L'oro è un metallo prezioso, denso, malleabile e duttile. Il suo principale utilizzo industriale è per i contatti e i connettori elettrici. L'oro è utilizzato anche nella schermatura a infrarossi, nella produzione di vetri colorati, nella foglia d'oro e nel restauro dentale, e nella gioielleria è spesso usato nelle leghe.
• Il ferro è uno degli elementi più comuni sulla Terra ed è quindi il metallo più economico. Attualmente il ferro rappresenta quasi il 90% di tutti i metalli raffinati ed è impiegato principalmente per la produzione di acciaio legato e strutture di ingegneria civile. Il ferro è estremamente soggetto all'ossidazione (ruggine) quando viene a contatto con l'ossigeno. È un minerale essenziale per la salute di tutti gli esseri viventi: un corpo umano adulto contiene circa 4 grammi di ferro.
• Il molibdeno esiste in vari stati di ossidazione nei minerali. Dal momento che forma rapidamente carburi duri e stabili nelle leghe, la maggior parte della produzione mondiale di molibdeno è destinata alle leghe di acciaio. Si trova comunemente nell'acciaio strutturale, nell'acciaio inossidabile, nei prodotti chimici, negli acciai per utensili e nella ghisa. Nel suo stato più puro, è usato anche come fertilizzante, nella diagnostica per immagini e come sistema per rilevare l'inquinamento nelle centrali elettriche.
• Il nichel è un metallo duro e duttile, principalmente usato nelle leghe. Il suo uso principale è negli acciai al nichel e nelle ghise al nichel per via della sua resistenza alla trazione e tenacità. Il nichel viene usato anche nelle monete, nelle batterie ricaricabili, per la placcatura (quando all'esterno di un materiale viene aggiunto un sottile strato di metallo) e come tinta verde nel vetro.
• Il niobio è un metallo tenero e duttile usato prevalentemente nelle leghe, soprattutto nell'acciaio speciale utilizzato nei gasdotti. È inoltre una superlega importante per i motori a reazione e razzo per via della sua stabilità termica. Tra le altre applicazioni figurano la saldatura, l'elettronica, l'ottica e la gioielleria.
• Il platino è un metallo denso, malleabile, duttile e prezioso. È uno dei metalli in assoluto meno reattivi ed è estremamente resistente alla corrosione anche ad alte temperature. Trai suoi ambiti d'impiego figurano convertitori catalitici, attrezzature da laboratorio, contatti elettrici ed elettrodi, attrezzature odontoiatriche e gioielleria.
• L'argento è un metallo tenero prezioso che presenta la più alta conducibilità elettrica e termica e la più alta riflettività di qualsiasi altro metallo. È utilizzato nei pannelli solari, nella filtrazione dell'acqua, nelle stoviglie, negli ornamenti e nella gioielleria. I composti d'argento sono impiegati nella fotografia, nei raggi X, nei disinfettanti e negli strumenti medici. In ambito industriale, l'argento viene usato per produrre conduttori e contatti elettrici, negli specchi specialistici, nei rivestimenti per finestre e come catalizzatori per reazioni chimiche.
• Il tantalio è un metallo raro, duro, inerte e altamente resistente alla corrosione. Viene usato per produrre leghe per componenti di motori a reazione, apparecchiature di trattamento chimico e reattori nucleari. I condensatori al tantalio sono presenti in dispositivi elettronici quali telefoni cellulari, console per videogiochi e computer.
• Il titanio è uno dei metalli più solidi e costosi. Le leghe di titanio sono usate nel settore aerospaziale, automobilistico e navale per via della loro leggerezza ed elevata resistenza. L'industria chimica e petrolchimica utilizzano questo metallo per produrre apparecchiature di processo grazie alla sua elevata resistenza alla corrosione. È inoltre presente negli articoli sportivi e negli occhiali, mentre gli ossidi di titanio sono comunemente utilizzati per i pigmenti, gli additivi e i rivestimenti.
• Il tungsteno è un metallo raro molto stabile che si trova naturalmente sulla Terra, quasi esclusivamente nei composti chimici, e presenta il più alto punto di fusione di tutti gli elementi. Viene usato principalmente per produrre materiali duri, in particolare il carburo di tungsteno, oltre ad essere impiegato nella produzione di elettronica e nelle leghe e nell'acciaio.
• Lo zinco è un metallo duro e fragile che costituisce un minerale essenziale per la salute di tutti gli esseri viventi. Uno dei suoi usi principali riguarda la placcatura del ferro (zincatura a caldo) per via della sua resistenza alla corrosione. È impiegato anche nelle batterie elettriche e rappresenta una diffusa lega di ottone.
• Lo zirconio è un metallo tenero, duttile e malleabile, solido a temperatura ambiente, sebbene sia duro e fragile a purezze inferiori. È altamente resistente alla corrosione operata da alcali, acidi, acqua salata e altri agenti. Come metallo, lo zirconio è impiegato nell'industria nucleare e aerospaziale e i suoi isotopi sono utilizzati nell'imaging medico. Come composto, viene utilizzato nelle applicazioni biomediche e ad alta temperatura.

Le proprietà dei metalli puri possono essere migliorate miscelando questi ultimi con altri metalli o elementi per creare leghe.

• L'ottone è una lega di rame e zinco ampiamente usata negli strumenti musicali per via delle sue proprietà acustiche e della sua duttilità. È inoltre utilizzato in una vasta gamma di applicazioni in cui si ricerca un sostituto più economico rispetto ai metalli preziosi.
• Il bronzo è una lega composta principalmente da rame e circa al 12% da stagno, mescolati con altri metalli e non metalli. Tra le applicazioni più comuni figurano monete e medaglie, sculture, strumenti musicali, cuscinetti, connettori elettrici e molle.
• La ghisa è un gruppo di leghe ferro-carbonio con un contenuto di carbonio superiore al 2%. Sebbene la ghisa tenda ad essere fragile, il suo punto di fusione relativamente basso, la buona fluidità, la colabilità, la lavorabilità e la resistenza alla deformazione e all'usura la rendono un materiale tecnico comune. Tra le applicazioni figurano tubi, strutture e componenti di macchine e automobili. Presente inoltre un'elevata resistenza all'ossidazione.
• L'acciaio fuso è realizzato fondendo il ferro battuto (martellato) con il carbone. È simile alla ghisa ma contiene molto meno carbonio, tra lo 0,1% e lo 0,5%. L'acciaio fuso è più difficile da versare e si restringe più della ghisa, perciò richiede un processo di ispezione più approfondito.
• Le leghe ferrose sono leghe a base di ferro utilizzate nella produzione di acciai, ferro e leghe.
• Le leghe a bassa fusione, o leghe fusibili , sono usate come refrigeranti per via della loro stabilità al calore; sono impiegate anche nel raffreddamento dei reattori nucleari e negli sprinkler antincendio automatici.
• Le leghe non ferrose sono leghe che contengono poco ferro. Sebbene più costose delle leghe a base di ferro (ferrose), presentano un peso minore, non sono magnetiche, offrono una conduttività più elevata e sono resistenti alla corrosione.
• L'acciaio è una lega di ferro, carbonio e altri elementi. Costituisce un componente importante per edifici, infrastrutture, utensili, navi, automobili, macchine ed elettrodomestici grazie alla sua elevata resistenza alla trazione e al suo costo ridotto. Esistono diverse categorie di acciaio, tra cui l'acciaio lungo, l'acciaio al carbonio piatto, l'acciaio resistente alla corrosione atmosferica (COR-TEN), l'acciaio inossidabile e l'acciaio low-background.
• L'acciaio inossidabile è una lega d'acciaio con un contenuto di cromo superiore all'11%, che impedisce al materiale di arrugginirsi e offre resistenza al calore. Estremamente resistente alla corrosione, è ampiamente usato nella produzione di attrezzature industriali, posate, pentolame, strumenti chirurgici, opere architettoniche, grandi elettrodomestici e stampa 3D.
• L'acciaio per utensili si riferisce a vari acciai al carbonio e legati estremamente resistenti all'usura e in grado di mantenere un tagliente ad alte temperature. Di conseguenza, risulta un materiale ideale per la realizzazione di strumenti che tagliano, pressano, estrudono o stampano metalli o altre sostanze.

Le tecniche utilizzate nella produzione con metallo sono varie, ma quasi tutte iniziano con il materiale sotto forma di lamiera, billetta, asta, tubo, piastra, barra o filo.

• Tornitura – Un pezzo cilindrico di metallo tenuto in posizione da un tornio ruota mentre un utensile da taglio tenuto contro di esso in vari punti e a diverse profondità rimuove con precisione il materiale per ottenere la forma desiderata.
• Formatura – Presse meccaniche estremamente potenti utilizzano la pressione e carichi pesanti per piegare, allungare, tagliare, arrotolare e formare pezzi di metallo.
• Fresatura – Le frese rotanti su o all'interno di una macchina intagliano in modo efficiente e preciso il materiale a partire da un pezzo di metallo per ottenere la forma desiderata. Le "fresatrici" classiche sono diventate "centri di lavoro" negli anni '60 grazie all'arrivo del controllo numerico computerizzato (CNC) e dei cambi automatici degli utensili.
• Forgiatura – Il metallo viene modellato tramite martellatura, pressatura o laminazione. Storicamente svolta a mano, la forgiatura moderna viene eseguita con presse e martelli azionate tramite aria compressa, elettricità, forza idraulica o vapore. La forgiatura di norma è classificata in base alla temperatura alla quale il processo viene eseguito: a freddo, a semi-caldo o a caldo.
• Saldatura – Due o più pezzi di metallo vengono fusi e uniti tramite l'applicazione di calore e pressione elevati. La saldatura impiega diverse fonti di calore, quali fiamma di gas, arco elettrico, laser, fascio di elettroni, attrito e ultrasuoni.
• Colata - Il metallo viene riscaldato fino a raggiungere lo stato liquido e poi versato in uno stampo. Lo stampo e il metallo vengono lasciati raffreddare finché il metallo liquido non si solidifica, dopodiché il metallo può essere estratto dallo stampo. La fusione rappresenta il processo prescelto per produrre forme complesse, che sarebbero troppo difficili o costose da realizzare con altri metodi
• Estrusione – Il metallo caldo o freddo viene spinto attraverso una filiera avente la forma o il profilo desiderato. Il materiale può essere spinto in modo continuativo attraverso la filiera per produrre un'unica lunga linea o in modo semi-continuativo per creare numerosi pezzi separati. Il processo è utile per realizzare sezioni trasversali molto complesse, con l'ulteriore vantaggio di creare una finitura superficiale di qualità, un oggetto finale solido e un elevato grado di libertà di progettazione nella forma della filiera.

• Versatilità – Esistono molti diversi metalli e leghe, ognuno con specifiche proprietà e caratteristiche.
• Producibilità – Il metallo è relativamente facile da lavorare, può essere formato per ottenere oggetti di qualsiasi dimensione e forma, e può essere rifinito in molti modi diversi.
• Costo ridotto – I prodotti di metallo sono facili e convenienti da produrre in massa con una vasta gamma di processi diversi, nonostante il materiale originale risulti relativamente complicato da estrarre e raffinare.
• Conducibilità – I metalli conducono l'elettricità, risultando essenziale per i fili e i componenti elettronici.
• Resistenza – La maggior parte dei metalli usati nella produzione sono solidi, durevoli, resistenti al calore, presentano elevati punti di fusione e sono facili da pulire. Combinando i metalli per creare leghe è possibile migliorare ulteriormente queste proprietà.
• Riutilizzabilità – Tranne il piombo e il mercurio, quasi tutti gli altri metalli possono essere riciclati, e sempre più spesso vengono riciclati. Ad esempio, ogni anno in tutto il mondo vengono riciclati quasi 700 milioni di tonnellate di acciaio e oltre 30 milioni di tonnellate di alluminio.

• Estrazione mineraria – I processi usati per estrarre il metallo dal terreno possono esercitare un impatto ambientale negativo.
• Risorse limitate – Nella crosta terrestre è presente solo una certa quantità di metallo e allo stato attuale grandi quantità di esso non sono accessibili perché troppo in profondità sottoterra.
• Corrosione – Alcuni metalli arrugginiscono con il passare del tempo, con un conseguente indebolimento strutturale ed effetti sul relativo aspetto.
• Costi elevati – La produzione di parti in metallo prevede costi di avviamento elevati, soprattutto in caso di grandi volumi, perché servono macchinari costosi e attrezzature specialistiche. Inoltre, essendo pericolose, alcune sostanze chimiche usate in vari metodi di formatura e di finitura costituiscono sostanze controllate che richiedono una licenza per l'utilizzo.
• Alternative migliori – I metalli possono essere molto più resistenti della maggior parte delle plastiche, ma queste ultime sono di solito più leggere, più facili da lavorare, non richiedono una finitura post-produzione altrettanto intensiva e resistono di più alla corrosione. L'utilizzo del metallo in un edificio, ad esempio, può essere significativamente più costoso e ad alta intensità di manodopera rispetto all'impiego di un materiale come il cemento.

La stampa 3D, talvolta chiamata produzione additiva, comprende vari processi e tecniche. Tutti prevedono un materiale, di solito plastica o metallo, depositato in più strati sottili per creare una forma.

La stampa 3D con materiale plastico risale agli anni '80. La stampa 3D con metallo è arrivata negli anni '90 a seguito dell'invenzione delle tecniche di fusione laser e di sinterizzazione (riscaldamento senza fusione).

Con il progredire della tecnologia, anche la scelta dei materiali metallici si è ampliata:

• Alluminio – Granelli ultra-fini di polvere di alluminio vengono sottoposti a sinterizzazione laser per produrre parti metalliche destinate all'uso finale, performanti tanto quanto le parti equivalenti lavorate a macchina. Viene comunemente usato per produrre parti completamente funzionali, pezzi di ricambio e gioielli. Le due principali tecniche di stampa 3D per l'alluminio sono la sinterizzazione laser diretta dei metalli (DML) e la fusione laser selettiva (SLM).
• Ottone – Di norma usato per produrre miniature dettagliate, sculture, gioielli o test di prestampa (a fini di adattamento prima di produrre con oro o argento).
• Bronzo – Materiale resistente ed economico per stampare metallo, comunemente utilizzato per le stesse applicazioni dell'ottone.
• Rame – Usato nella stampa per produrre piccoli modelli decorativi come monete, medaglie, connettori e statue.
• Oro – Viene utilizzato principalmente per la stampa di gioielli in oro massiccio 14 carati o 18 carati mescolato con una lega a fini di durata.
• Acciaio inox ad alto dettaglio – Offre ottimi dettagli e resistenza, risultando adatto per oggetti quali statuette in miniatura, gioielli, portachiavi e bulloni.
• Argento sterling – I modelli stampati in 3D sono composti al 92,5% da argento puro e al 7,5% da un altro metallo, di solito rame. Il suo impiego più comune nella stampa 3D riguarda la produzione di gioielli.
• Acciaio – La forma più conveniente di stampa 3D con metallo; la polvere di acciaio viene infusa con del bronzo per formare un materiale in grado di creare oggetti estremamente solidi e molto grandi.
• Titanio – Gli oggetti in titanio stampati in 3D sono molto resistenti, precisi e performanti tanto quanto gli equivalenti lavorati a macchina. Il materiale condivide le stesse proprietà e applicazioni dell'alluminio.