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Che la ricerca della leggerezza non si riferisca solamente agli aspetti umani, penso sia chiaro per chiunque.
Fin dall’antichità, con l’evoluzione abbiamo sempre cercato di ottimizzare le prestazioni riducendo gli sforzi: questo è un filo conduttore che vale anche oggi ma riferito a processi più complicati.
Ad esempio la ricerca dei materiali è costante ed è diretta verso soluzioni che comprendano massima resistenza, migliori prestazioni e un peso il più ridotto possibile.
Oggi abbiamo a disposizione sia materiali artificiali – strutturati con una densità inferiore a 1 milligrammo per centimetro cubico – sia materiali più tradizionali, con caratteristiche meccaniche elevate e un peso di molto inferiore al materiale che viene usato più spesso nelle applicazioni meccaniche: l’acciaio.
L’appellativo “leggero” riferito a un metallo o a una lega è vincolato a un valore di densità inferiore rispetto a quello delle leghe ferrose (acciai e ghise). Si può pertanto parlare di metalli leggeri e di leghe leggere a proposito:
- del magnesio e delle sue leghe (densità pari al 25% di quella dell’acciaio);
- dell’alluminio e delle sue leghe (35%);
- del titanio e delle sue leghe (60%).
Si possono unire le caratteristiche di leggerezza, resistenza e sostenibilità ambientale? Che cosa sono le leghe leggere e ultraleggere?
Approfondiamo insieme l’argomento e valutiamo casi concreti.
Perché si parla di leghe leggere?
«Per dipingere una parete grande non serve un pennello grande… ma un grande pennello».
Per i meno giovani, questo spot televisivo intendeva dire che non è la dimensione di un oggetto a permettergli di fare grandi cose, ma la sua qualità.
Ci sono materiali che abbiamo l’abitudine di utilizzare nei nostri progetti, alcuni più spesso di altri (come acciaio, alluminio e plastica). Poi ci sono le cosiddette leghe e metalli ultraleggeri, presi in considerazione solo in alcuni settori.
Questi materiali si portano dietro sia verità che leggende metropolitane, motivo per cui l’approccio con loro avviene spesso in maniera prevenuta.
“Costano molto, non si trovano, ma soprattutto non li conosco!”
È la frase che sento ripetere più spesso, per colpa del pregiudizio “leggero = poco resistente”. Inoltre, più un materiale non si conosce più porta con sé un alone di paura, scatenando il sempreverde “si è sempre fatto così”.
Ma avere una cosa pesante è sempre efficace per dare un senso alla robustezza?
No. Ci sono volte in cui serve resistenza ma anche leggerezza. Un esempio? Le macchine da corsa, pensate per le gare di velocità.
Perché allora quando dobbiamo costruire un macchinario che non si deve muovere su strada l’attenzione al peso non è sempre così spiccata?
Cosa succede quando non scegli materiali leggeri e resistenti?
Per stabilire la leggerezza di una lega metallica bisogna confrontarla con l’acciaio. Tra le principali leghe troviamo quelle a base di alluminio, di titanio e di magnesio.
Se consideriamo il peso specifico di riferimento dell’acciaio mediamente 7.85 kg/dm3, vediamo che le leghe accennate poco fa sono decisamente più leggere:
Leghe titanio
4.5 kg/dm3
57%
Leghe alluminio
2.7 kg/dm3
34%
Leghe di magnesio
1.8 kg/dm3
23%
Fibra di carbonio
1.6 kg/dm3
20%
Vuol dire che per costruire un componente in lega di magnesio risparmio il 77% del peso. In termini economici, per spendere la stessa cifra il magnesio può costare 4.36 volte l’acciaio.
Quindi è vero che genericamente la lega di magnesio costa di più al chilogrammo rispetto all’acciaio, ma pagando entrambe in peso vanno valutati bene i costi effettivi. Se facciamo l’esempio di un corpo in movimento – come il carrello di un sistema di automazione – la forza che serve per far accelerare il carrello è direttamente proporzionale alla sua massa. Quindi maggiore è la massa, maggiore sarà la forza che dobbiamo imprimere e quindi maggiore dovrà essere la potenza dell’attuatore.
Stessa cosa vale, al contrario, per fermare questa massa.
Se pensiamo che una macchina automatica può fare più di cento cicli al minuto, anche una piccola differenza di massa – e quindi di potenza necessaria per movimentarla – moltiplicata per molti cicli e molte ore di lavoro incide notevolmente sui consumi.
E stiamo considerando un semplice movimento: moltiplichiamo ancora per tutti gli assi che ci possono essere in una macchina automatica, poi per tutte le macchine di una linea. È chiaro che la differenza non è più così marginale.
A questo possiamo aggiungere che maggiore è il peso di quello che devo muovere (e fermare) maggiore deve essere la rigidità della struttura: quindi maggiori dimensioni e maggiori pesi che devono essere movimentati e trasportati.
Se pensi che un componente – dalla sua costruzione al suo utilizzo finale – viene movimentato dalle 10 alle 50 volte e più, capirai che tutto il peso che non serve amplifica il dispendio di energia (sotto varie forme) e quindi aumenta i costi di produzione (una tantum da parte di chi vende) e di esercizio (continuativo di chi ogni giorno lo utilizzerà).
Dall’acciaio ai materiali leggeri: analizziamo i principali
Se facciamo un breve ragionamento relativo all’acciaio per dare un’idea, le classificazioni possono avvenire in base:
- alla quantità di carbonio
- alla quantità di altri materiali detti “leganti”
- alla destinazione d’uso
- ai trattamenti termici che verranno eseguiti
- alla forma
Per ognuna di queste categorie ci sono varianti, dettagli, sigle e normative che identificano processi e caratteristiche meccaniche.
Dall’acciaio, materiale noto a chiunque, facciamo ora un piccolo excursus sui materiali innovativi e poco noti. Poi approfondiremo i materiali leggeri più conosciuti, più una sorpresa finale.
Legno metallico
Questo nuovo materiale leggero e resistente si crea a partire da microsfere di plastica che si uniscono al nickel in un reticolo. Le sfere vengono successivamente rimosse in modo che rimanga una struttura porosa chiamata proprio legno metallico.
L’unica pecca di questo materiale è che la produzione è limitata: avanzano le ricerche per ottimizzare la produzione anche in grandi quantità.
Boeing microlattice
Considerato il materiale più leggero del mondo, come avrai intuito dal nome è stato sviluppato dalla nota ditta di aeromobili. Nonostante sia a tutti gli effetti un metallo è composto principalmente di aria e la sua densità è di circa 0,9 milligrammi per centimetro cubo. Leggerissimo e facile da trasportare.
Titanio
Leghe di alluminio e fibre di carbonio
Se ne parla spesso e vengono anche largamente impiegate: le leghe dell’alluminio e le fibre di carbonio si dividono in base alle caratteristiche meccaniche, al processo produttivo e alla struttura.
L’utilizzo della fibra di carbonio si è molto sviluppato negli anni grazie alle sue caratteristiche di resistenza e leggerezza. Tuttavia, i processi che riguardano il suo utilizzo non possono definirsi propriamente sostenibili.
Questo è da evidenziare soprattutto nell’ultimo periodo, in cui l’attenzione alla sostenibilità dei processi e ambientale, al riutilizzo e al riciclo è molto elevata.
Per la sua resistenza e bassa densità, la fibra di carbonio è impiegata per la costruzione di:
- mezzi di trasporto (aerei, auto da corsa, componenti automobilistiche, biciclette)
- articoli per lo sport (scarpe, racchette da tennis, mazze da golf, sci, canne da pesca, costumi da nuoto)
- caschi protettivi
- chitarre e accessori per archi
- apparecchiature medicali
Magnesio e le sue leghe ultraleggere
Oltre a essere un integratore e una fonte di salvezza per il grip di alcuni atleti, il magnesio è al quarto posto tra i minerali presenti nel nostro organismo ed è anche il terzo minerale disciolto più comune nell’acqua di mare e l’ottavo elemento più abbondante sulla crosta terrestre (circa il 2.5%).
Il magnesio che ingeriamo non è nella stessa composizione di quello utilizzato in fonderia (un po’ come per il ferro!).
Della lega di magnesio non se ne parla molto anche se le sue caratteristiche e la sua importanza rientrano anche in alcuni piani strategici dell’UE per i prossimi decenni: questo perché è un materiale molto disponibile in natura, con una spiccata sostenibilità e facile da riciclare.
Le leghe di magnesio meritano un approfondimento dedicato: segui il blog di Kreacta per non perdertelo!
Sono Socio e General Manager di Kreacta, un brand di 10 i cube srl. Ho svolto in più occasioni il ruolo progettista meccanico e responsabile di prodotto in importanti aziende nel settore delle macchine utensili e della Ricerca Scientifica. Opero da oltre trent’anni nella progettazione meccanica e nella consulenza industriale, con esperienze anche nei settori di sviluppo del software, piattaforme web, realtà virtuale ed aumentata e sistemi interattivi.