Componenti per serrature realizzati con stampaggio a iniezione di metallo (MIM) e metallurgia delle polveri

Componenti in acciaio near-net-shape per cilindri di serrature, meccanismi a camme, treni di ingranaggi e ferramenta di sicurezza. Geometrie complesse in un unico pezzo sinterizzato, temprato e finito, dai lotti pilota alla produzione di serie.

MIM e metallurgia delle polveri presso Hydroforce

Hydroforce Engineering produce componenti realizzati con stampaggio a iniezione di metallo e metallurgia delle polveri per il settore delle serrature e della ferramenta di sicurezza. Si tratta di una capacità produttiva consolidata: la stessa attrezzeria, la stessa linea di sinterizzazione e lo stesso processo di controllo che gestiscono il nostro consueto programma PM e MIM forniscono rotori dei cilindri, camme e gruppi di ingranaggi agli assemblatori europei di serrature, e realizzano componenti MIM per utensili a mano, attuatori elettromeccanici e componenti per armi leggere.

Il MIM è la risposta naturale a un problema che la lavorazione meccanica convenzionale non riesce a risolvere in modo economico: un piccolo componente in acciaio intricato — sotto i cinquanta grammi, pieno di fori trasversali, tasche, denti di ingranaggio, sottosquadri e filettature — che deve essere fornito in decine o centinaia di migliaia di pezzi, tutti intercambiabili, tutti temprati, tutti conformi al disegno. I produttori di serrature hanno consolidato il ricorso al MIM negli anni 2000 proprio per questa ragione, e i rotori dei cilindri, le leve, le camme e i telai degli archi che ogni settimana attraversano la nostra linea sono la prova diretta dei volumi per cui questa tecnologia è stata concepita.

Perché MIM e PM per i componenti delle serrature

Una moderna serratura a cilindro è un piccolo insieme di acciaio ad alta precisione. Camere per i perni, canali per la chiave, interfacce delle leve, scanalature di ritenuta, attacchi filettati di montaggio e geometrie anti-effrazione sono concentrati in un corpo lungo da venti a trenta millimetri. Produrre quella geometria mediante fresatura e tornitura richiede diversi piazzamenti, attrezzature dedicate e un generoso sovrametallo di lavorazione; le tolleranze si spostano con l’usura degli utensili e il costo unitario sale con la dimensione del lotto nella direzione sbagliata.

Il MIM adotta l’approccio opposto. Un feedstock di polvere metallica fine legata in una matrice polimerica viene stampato a iniezione in stampi quasi identici a quelli per l’iniezione delle materie plastiche. Il pezzo verde possiede già la geometria finale — fori trasversali, raggi di raccordo, tasche, denti di ingranaggio, zigrinature — formata in un unico colpo in pochi secondi. Dopo la rimozione del legante e la sinterizzazione, il pezzo si ritira in modo isotropo di circa il 15-20 per cento e raggiunge il 95-99 per cento della densità teorica: un pezzo completamente metallico, non un compatto poroso, con proprietà meccaniche comparabili a quelle dell’acciaio forgiato e la stessa risposta al trattamento termico.

La metallurgia delle polveri convenzionale (pressatura e sinterizzazione) gestisce i pezzi più semplici e di maggiori dimensioni della stessa famiglia — boccole, rondelle, piastre di ritenuta, supporti flangiati — dove la geometria può essere pressata uniassialmente e la densità richiesta è inferiore. Tra MIM e PM copriamo l’intera gamma della ferramenta per serrature, da una leva da 2 grammi a una piastra di base da 250 grammi, in acciai, acciai inossidabili e acciai per utensili, tutti temprati e finiti secondo disegno.

Capacità produttiva

Realizziamo componenti MIM e PM secondo i disegni del cliente nell’intera gamma industriale tipica:

Le dimensioni delle serie vanno da poche centinaia di pezzi per la validazione del prototipo a milioni di pezzi all’anno per le piattaforme di serrature consolidate. La stessa attrezzatura, lo stesso programma di sinterizzazione e lo stesso piano di controllo restano invariati da un lotto di produzione al successivo, così che il pezzo fornito al quinto anno è dimensionalmente identico al campione di prima fornitura.

Esempi di produzione

I componenti riportati di seguito sono rappresentativi della nostra consueta produzione MIM e PM per i clienti del settore serrature e ferramenta. Ciascuno dimostra una geometria che sarebbe antieconomico lavorare in serie e che trae vantaggio dalle opzioni di trattamento termico e superficiale disponibili per un pezzo in acciaio sinterizzato.

Rotore del cilindro

Il corpo di una serratura a cilindro di alta sicurezza, prodotto in acciaio basso-legato in un unico colpo MIM. Il canale rettangolare per la chiave, le quattro camere dei perni sulla faccia superiore, il foro trasversale per il perno della camma, la flangia della testa e la filettatura esterna sul codolo posteriore sono tutti formati durante lo stampaggio; solo la filettatura e la sede della chiave vengono calibrate a finitura dopo la sinterizzazione. Il pezzo è cementato e brunito. Un equivalente fresato richiederebbe quattro piazzamenti e all’incirca il triplo del tempo ciclo per pezzo.

Ingranaggio composto con pignone integrato

Un ingranaggio a due stadi per il treno di trasmissione di un cilindro motorizzato o di una serratura elettromeccanica, prodotto in acciaio basso-legato sinterizzato. La grande ruota cilindrica e il pignone più piccolo si trovano sullo stesso asse come un unico pezzo — nessun giunto di mozzo, nessun assemblaggio pressato. La geometria della dentatura su entrambi i diametri è formata nello stampo e soddisfa il grado di qualità dell’ingranaggio specificato sul disegno dopo la sinterizzazione, senza alcuna lavorazione successiva dei denti. La tempra passante e il rinvenimento portano i fianchi dei denti alla durezza richiesta per l’applicazione.

Disco rotore a dischi detentori

Un disco rotore per una serratura a cilindro con dischi detentori, con il caratteristico perimetro nervato e un foro centrale per la chiave. Ogni disco della pila porta il proprio intaglio di varco e deve ruotare fino a un angolo preciso affinché la barra laterale scenda nei varchi — una geometria che deve ripetersi entro pochi centesimi di millimetro su ogni disco di ogni serratura. Il MIM in acciaio basso-legato riproduce la posizione del varco e il profilo delle nervature in un unico colpo, sinterizzato e poi cementato per la resistenza all’usura contro la chiave.

Leva a camma con estremità a forcella

Una leva di meccanismo per una serratura multipunto o per la scatola del meccanismo di una maniglia per finestre: un foro di precisione nel mozzo del perno, un’asola di azionamento a forcella a un’estremità e un dente di arresto sferico all’altra. I tre elementi funzionali si trovano su tre assi diversi, uniti da una nervatura rastremata — un pezzo MIM in un unico colpo che altrimenti richiederebbe tornitura, fresatura e un’operazione di asolatura. La superficie grezza di sinterizzazione accetta direttamente una finitura di passivazione o brunitura, senza rettifica intermedia.

Inserto a camma per cilindro

L’inserto a camma che traduce la rotazione del rotore nel comando del chiavistello: un’asola di innesto oblunga sulla testa, una sottile nervatura di azionamento con un dente di trascinamento formato nello stampo e un piede cilindrico a gradino che scorre nella scatola della serratura. Tre zone funzionali su un solo pezzo, formate in MIM in un grado basso-legato temprabile. Il dente di trascinamento è il punto di usura — dopo la sinterizzazione il pezzo è sottoposto a tempra passante e rinvenimento affinché il dente mantenga la geometria per tutto il numero di cicli operativi nominali della serratura.

Piastra di base multiforo

Una piastra posteriore per la scatola di una serratura, con sette fori passanti di diverso diametro, quattro dei quali lamati sulla faccia visibile. La piastra ospita l’interfaccia di montaggio del cilindro, i fissaggi a vite al telaio della porta e le sedi per due perni di meccanismo interni. La PM per pressatura e sinterizzazione in un grado basso-legato conferisce al pezzo la densità portante necessaria mantenendo basso il costo; le profondità delle lamature e gli spigoli smussati escono dallo stampo di pressatura pronti per l’assemblaggio.

Telaio dell’arco a doppio elemento

Un telaio dell’arco a due elementi per un lucchetto di sicurezza, prodotto in acciaio inox 17-4 PH e mostrato qui allo stato grezzo di sinterizzazione. I profili a U incastrati, l’asola della sede della chiave in alto e l’intaglio del tallone in basso sono tutti stampati; solo le superfici di innesto vengono calibrate dopo la solubilizzazione e l’invecchiamento. La combinazione dell’inox 17-4 PH e del ciclo di indurimento per precipitazione conferisce al telaio la durezza richiesta per la resistenza al taglio mantenendo al contempo la superficie naturalmente resistente alla corrosione — nessun rivestimento necessario.

Processo di produzione

Ogni ordine MIM attraversa lo stesso processo principale a quattro fasi, mentre i pezzi PM saltano la fase di rimozione del legante. L’intero flusso è contenuto in un’unica linea:

1. Esame del disegno e selezione del feedstock. Il disegno viene esaminato per la stampabilità, il sistema di iniezione, la linea di separazione e il sovrametallo di ritiro. Il grado del cliente viene abbinato a un feedstock polvere–legante — tipicamente 17-4 PH per gli elementi inox, leghe Fe-Ni per la cementazione, M2 per la durezza dell’acciaio per utensili o acciaio basso-legato per il grosso dei volumi.
2. Attrezzatura. Gli stampi a iniezione in acciaio vengono prodotti con la compensazione del ritiro integrata (la cavità è circa 1,18 volte la dimensione finale del pezzo). Anime, slitte e perni di espulsione sono disposti per liberare ogni sottosquadro e foro trasversale in un unico colpo.
3. Stampaggio a iniezione. Il feedstock viene riscaldato e iniettato nello stampo chiuso a pressione e temperatura controllate. I tempi ciclo vanno tipicamente da 15 a 45 secondi per colpo, a seconda del peso del pezzo e della sezione di parete. Il pezzo verde possiede l’intera geometria esterna del pezzo finale.
4. Debinding (rimozione del legante). Il legante polimerico viene rimosso in due fasi — debinding primario a solvente o catalitico, poi debinding termico nella parte iniziale del forno di sinterizzazione — lasciando un fragile pezzo “bruno” di polvere metallica legata.
5. Sinterizzazione. Il pezzo bruno viene riscaldato in atmosfera di idrogeno, azoto-idrogeno o sotto vuoto a 1.200-1.400 °C, dove le particelle di polvere si fondono e il pezzo si ritira in modo isotropo di circa il 15-20 % fino alle dimensioni finali. La densità di sinterizzazione raggiunge il 95-99 % della teorica. Per i gradi ad alto punto di fusione effettuiamo anche cicli di sinterizzazione a temperatura ultra-elevata.
6. Calibratura e operazioni secondarie. Le quote critiche vengono coniate o calibrate per riportare il pezzo nella porzione più stretta della tolleranza del disegno. Filettature, sottosquadri o elementi non idonei al MIM vengono aggiunti mediante lavorazione CNC dove necessario.
7. Trattamento termico. Tempra passante e rinvenimento, solubilizzazione + invecchiamento per gli acciai a precipitazione, cementazione o nitrurazione secondo il disegno — applicati all’intero lotto in forni a vassoio o in linee ad atmosfera controllata.
8. Trattamento superficiale e controllo. Passivazione, nichelatura, zincatura, brunitura, fosfatazione o PVD secondo specifica, seguiti da controllo dimensionale e imballaggio.

Controllo qualità

Ogni ordine viene fornito con un fascicolo di documentazione corrispondente al pezzo, in linea con il nostro sistema qualità ISO 9001:

• Certificato del materiale per il lotto di polvere utilizzato, rintracciabile fino al lotto di feedstock
• Rapporto dimensionale CMM di prima fornitura rispetto al disegno
• Verifica della densità di sinterizzazione (metodo di Archimede, con sezione su richiesta)
• Rapporto di durezza — di massa e dello strato cementato ove applicabile
• Campionamento dimensionale in corso di lavorazione sull’intero lotto di produzione
• Registrazione del trattamento superficiale (spessore del rivestimento, lotto di passivazione)
• Ispezione visiva per difetti di sinterizzazione, porosità superficiale e finitura

I disegni delle attrezzature, i parametri di iniezione, il profilo di debinding e il programma di sinterizzazione vengono conservati per ogni pezzo, così che un ordine ripetuto venga prodotto secondo lo stesso riferimento del campione iniziale — cinque o dieci anni dopo, con le stesse dimensioni e la stessa metallurgia.

Ordini

Inviate il vostro disegno o modello 3D a office@hydroforce.ee. Rispondiamo con un’offerta per l’attrezzatura e per pezzo, un grado di materiale consigliato, un percorso di trattamento termico e una soluzione di finitura suggerita. I lotti pilota e le attrezzature prototipo sono i benvenuti — lo stesso pacchetto di documentazione accompagna il pezzo dal primo esemplare fino alla produzione di serie.