Nell'ambito dell'Unità Didattica dedicata ai metalli, come Compito di Prestazione Unitario degli alunni di II media di San Severino Lucano per l'a.s. 2013-14, si realizza un diffusore per lampadario in lamine di alluminio, riciclato da semplici vaschette per la conservazione di alimenti.

Le vaschette vengono appiattite, per ricavare 32 figure di poligoni regolari (20 esagoni e 12 pentagoni), che diverranno le facce di un icosaedro tronco. Le facce saranno ritagliate, ottenendo per ciascuna sei o cinque finestre triangolari, attraverso le quali far passare la luce. Le finestre triangolari potranno poi essere decorate con carta velina semitrasparente o con carta da cucina traslucida.

I triangoli ritagliati dalle facce, secondo il progetto dell'insegnante, verranno ripiegati in fuori intorno alla base delle finestre (fori) triangolari, formando le linguette che consentiranno di giuntare le diverse facce dell'icosaedro tronco le une alle altre, molto semplicemente con la spillatrice.

In questa attività tecnico-pratica gli alunni, dopo aver già imparato le proprietà e le modalità di estrazione e lavorazione di diversi metalli, hanno sperimentato la duttilità dell'alluminio e la sua versatilità come materia prima per la realizzazione di particolarissimi oggetti.

Inoltre i ragazzi hanno imparato il valore del riutilizzo di semilavorati e oggetti di uso quotidiano, combinati sulla base di un preciso progetto di design, per la salvaguardia dell'ambiente ed hanno applicato, nel contempo, le norme e le procedure del disegno geometrico di figure piane, lo sviluppo e la costruzione di solidi geometrici

QUESTO MATERIALE E’ STATO PRODOTTO DALL’INSEGNANTE DI A033,
LOISI  MARIA AGNESE,
PRESSO LA FACOLTA’ DI INGEGNERIA DELL’UNIVERSITA’ DI BASILICATA,
DURANTE IL CORSO DI SPECIALIZZAZIONE PER L’ABILITAZIONE ALL’INSEGNAMENTO.  

COME  SI  PRODUCE LA SCOCCA DI UN PERSONAL COMPUTER
IN ALLUMINIO.
Innovazione di prodotto e di processo, partendo dalle caratteristiche di un  diffuso materiale

Breve storia dei processi di estrazione dell’alluminio

L'alluminio è l'elemento metallico più abbondante sulla terra e costituisce circa l' 8,5% della litosfera o crosta terrestre; tuttavia, non essendo un elemento abbastanza inerte chimicamente, non lo si può trovare in natura allo stato libero ma solamente combinato con ossigeno e vari minerali, principalmente sotto forma di silicati e di ossido di alluminio (Al2 O3 ).

Fra i silicati il più noto è il caolino, costituente principale delle argille comunemente usate per le ceramiche.
Il minerale che contiene l'ossido, per circa il 50%, è la BAUXITE.

Fino alla metà del 18° secolo l'esistenza dell'alluminio come metallo rimase però sconosciuta. Fu il chimico tedesco Andres Marggraf che usò l'allume per produrre il primo ossido di alluminio od allumina. Questa scoperta fu importante perché fornì la prova che l'allume conteneva un metallo sconosciuto.

Solo nel 1825 Hans Cristian Oersted riuscì a produrre alcune gocce di alluminio, le ricerche furono portate avanti da un suo discepolo Freidirich Wohler, ma bisogna arrivare intorno al 1840 perché si riuscissero ad ottenere delle piccole lamine di alluminio che consentirono di poter stabilire le caratteristiche di malleabilità e leggerezza di questo nuovo metallo.

Nel 1850 l'alluminio era ancora prodotto unicamente in laboratorio con procedimenti di riduzione dell'ossido che dovevano compiersi in crogioli di platino ed usando il potassio, molto costoso, così che il prezzo dell'alluminio prodotto aveva un costo di gran lunga superiore a quello dell'oro.

Il metodo fino ad allora usato per la produzione, anche se in seguito migliorato, non consentiva la produzione a carattere industriale ed occorre arrivare al 1886 perché l'americano Charles Martin Hall scoprisse il primo metodo elettrolitico pratico, per produrre l'alluminio in forti quantitativi.

Il suo metodo prevedeva il passaggio della corrente elettrica da un elettrodo positivo di carbone (anodo) attraverso il bagno fuso di allumina sciolta nella criolite; (un clorito di sodio che si trovava solo in Groenlandia, la capacità della criolite di solubilizzare l'ossido ne eliminava così la costosa operazione di riduzione in sale); all'elettrodo negativo di carbone (catodo) che era costituito dal crogiolo.
La corrente elettrica scomponeva l'allumina in alluminio metallico che si depositava sul fondo del crogiolo ed ossigeno che si combinava con l'anodo di carbone sviluppando monossido o biossido di carbonio.

Utilizzi dell’alluminio a livello industriale
Esso trova impiego in tutti i principali settori, da quelli più sofisticati come elettronica o industria aerospaziale, a quelli più comuni, in oggetti che vanno da porte e finestre, fino alle ruote per automobili.

La  duttilità e la malleabilità, dell’alluminio, in particolare, consentono la produzione di estrusi e profilati che possono essere impiegati nei più svariati settori. I profilati e gli estrusi in alluminio, che fra l'altro vantano migliori caratteristiche meccaniche rispetto al pressofuso, consentono infatti - grazie alla possibilità di ottenere agevolmente elementi della lunghezza desiderata - il massimo grado di componibilità modulare, un assemblaggio rapido e semplice, oltre alle consuete grandi flessibilità e robustezza.
Il design ha saputo trarre dall'alluminio forme e applicazioni di particolare effetto.

Esempi interessanti che testimoniano come l'alluminio stia acquistando sempre più importanza sono l'industria delle scocche di alcuni personal computer, di alcuni telefoni cellulari e di alcuni tablet di grandissima funzionalità ed eleganza.

Di seguito vedremo come le prestazioni del materiale vengono utilizzate e valorizzate nella produzione della struttura di un laptop di una nota azienda.

Caratteristiche
Tra le svariate caratteristiche di questo metallo possiamo annoverare:

    Resistenza meccanica unita a leggerezza
   L’alluminio offre una resistenza metallica migliorata dalle leghe con altri materiali. Come metallo puro,
   ha un carico di rottura pari a circa 60 MPa, che può arrivare, in combinazione con basse percentuali di
  altri metalli, alla resistenza dell’acciaio.  Un elemento di alluminio può sostituirne uno di acciaio con
   notevole diminuzione di peso. A parità di volume, l’alluminio pesa circa 1/3 del rame e dell’acciaio.  
   Mediamente si può ipotizzare un risparmio di peso pari al 50-60%.

Resistenza alla corrosione
L’alluminio si ossida immediatamente a contatto con l’aria creando una protezione superficiale che lo rende resistente all’acqua e a molte sostanze chimiche.
In generale l'alluminio resiste meglio alla maggior parte degli agenti chimici ed è considerato il metallo più economico che abbia una elevata resistenza alla corrosione.
 

Conducibilità termica
L'alluminio ha una elevata conducibilità termica, pari a 238 W/m K. Tale conducibilità gli permette di eliminare velocemente il calore residuo, facendolo passare dalle superfici a contatto con zone chiuse, fortemente riscaldate, alle superfici a contatto con l’aria aperta; pertanto lo disperdono ed evitano il surriscaldamento.

Conducibilità sonora
L'alluminio ha una buona conducibilità acustica. Come tutti i metalli, infatti, possiede una struttura cristallina ed è composto da atomi strettamente legati l’uno all’altro, in reticoli tridimensionali ordinati, che si trasmettono facilmente l’energia sotto diverse forme, come il calore, l’energia elettrica e le onde acustiche. L’alluminio si distingue meglio degli altri metalli per la rilevante risonanza sonora.

Atossicità
L'alluminio ed i suoi sali sono completamente atossici e consentono ad un utente di stare a contatto con il materiale continuativamente senza subire contaminazioni chimiche attraverso la pelle o le mucose.

Resistenza a fenomeni elettrostatici
Al contrario dei metalli ferrosi, l'alluminio non genera scintille quando viene strofinato.

Lavorabilità
L'alluminio possiede una eccellente lavorabilità, poiché le sue proprietà tecnologiche lo rendono particolarmente atto a subire tutti i processi di lavorazione meccanica per l'ottenimento di prodotti trasformati delle più varie fogge.
Può essere lavorato a caldo od a freddo, può essere estruso e pressofuso in una grande varietà di forme con tolleranze minime dimensionali, può essere laminato in spessori sottilissimi fino a meno di 0,005 mm.. Inoltre può essere brasato, saldato od unito con tutti i normali sistemi meccanici.
Gli estrusi rappresentano la parte preponderante dei semilavorati ottenibili con l'alluminio, il processo dell'estrusione in cui il materiale per compressione viene fatto passare attraverso i fori di una matrice, garantisce una grande libertà progettuale, una notevole rapidità ed economicità di produzione.

Aspetto
Il materiale possiede un aspetto molto gradevole, che ne favorisce l’applicazione anche per oggetti di design.L'alluminio è un metallo bianco luminoso e riflettente, che si presta ad essere trattato con una gamma vastissima di finiture superficiali. Tali trattamenti possono essere chimici, meccanici, galvanici, organici, elettrolitici, di verniciatura, di ricopertura con materie plastiche. Nessun altro materiale può essere rifinito con tanti procedimenti ed essere ottenuto con aspetti così diversi, tutti di grande effetto estetico.

Ricuperabilità
L’alluminio è un materiale completamente riciclabile
Questo metallo può essere riciclato al 100% e infinite volte senza perdere le sue caratteristiche originali. In Italia, Paese privo di miniere di bauxite che ha sopperito alla mancanza di materia prima divenendo eccellente nell’industria del riciclo (è al terzo posto nel mondo dopo USA e Giappone a pari merito con la Germania), il 50% dell’alluminio circolante è frutto del riciclo.

Otto buoni motivi per realizzare la scocca di un personal computer in alluminio
(Come le prestazioni del metallo vengono sfruttate nella produzione degli involucri dei PC Apple)

  1) Come abbiamo visto, esaminando le qualità di questo particolare metallo, la buona resistenza meccanica,  a  fronte  di  una  più  bassa  densità, cioè  di  una  elevata leggerezza, lo rende idoneo   per  le scocche dei computer, che costituiscono l’involucro esterno della componentistica elettronica.
Infatti  i  prodotti  informatici, come  i  Pc  portatili,  non  necessitano di  elevatissime  resistenze  delle  carcasse strutturali e, contemporaneamente, devono essere facilmente trasportabili.

2) Grazie anche alla elevata elevata resistenza alla corrosione, l’alluminio, inoltre, non interagisce con le sostanze organiche emesse dalla pelle delle mani degli utenti e può restare a lungo esposto all’atmosfera della maggior parte dei tipi di ambiente. Al contrario della plastica, può essere facilmente ripulito.

3) Dal punto di vista del funzionamento elettrotecnico, la conducibilità termica dell’alluminio, che invece non è posseduta dalla plastica, permette nelle scocche dei Pc di eliminare agevolmente il calore che si crea all’interno nei circuiti elettronici, come residuo della circolazione di impulsi elettrici informatici e come residuo del funzionamento dei motorini che attivano la lettura degli hard disk; infatti il calore generato durante il funzionamento del computer viene espulso direttamente attraverso le molecole del metallo, senza necessità di praticare nell’involucro esterno antiestetici fori.

4) L’alluminio, in più, possiede anche una particolare conducibilità acustica, che la plastica non possiede e che gli permette di far filtrare i suoni rielaborati dalla scheda audio direttamente attraverso le molecole del metallo, grazie alla particolare capacità di queste ultime di vibrare per risonanza alle onde sonore.
Anche in questo caso, dunque, la scocca può conservare un design elegante e “pulito” proprio sfruttando le qualità intrinseche del materiale. 

5) L’atossicità dell’alluminio viene sfruttata per garantire agli utenti un prodotto sicuro, che non emette sostanze nocive.

6) La resistenza del metallo ai fenomeni elettrostatici consente un maggior confort di utilizzo e la possibilità di toccare la superficie del prodotto senza problemi di scariche elettriche sull’utente.
Rispetto al fenomeno del magnetismo l’alluminio non è ricettivo, infatti non viene facilmente influenzato dai campi magnetici; in ogni caso le leghe con cui si formano le scocche dei Pc in corrispondenza del punto in cui la tastiera e il monitor si piegano “a libro” e combaciano, si possono magnetizzare, offrendo un sistema più semplice e immediato di chiusura.

7) La grande facilità di lavorazione dell’alluminio consente di ricavarne le forme più complesse e di formare con le sue lamiere sedi adatte anche a componenti molto piccoli ed elaborati di un prodotto.
Nella lavorazione delle scocche per Pc in alluminio il processo produttivo parte proprio dall’operazione di estrusione.

8) Le qualità legate all’aspetto estetico, infine, proprio nei Personal Computer creano un valore aggiunto di raffinatezza, universalmente riconosciuto dagli utenti.

Il processo di lavorazione della scocca
La parte strutturale di questo nuovo tipo di prodotti elettronici, sofisticati ed estremamente funzionali, nasce da una nuova concezione: sfruttare al massimo le caratteristiche del materiale di base: l’alluminio.

I designer concepiscono un notebook sottilissimo e leggerissimo.

Per ottenere questo risultato decidono di creare un “case” una scatola, da un pezzo unico di alluminio a forma di piastra, svuotandolo mediante una serie di lavorazioni meccaniche.

Dal pezzo unico si ricaveranno due gusci cavi (uno per la tastiera e uno per il monitor, giuntati con semplici bullonature, anziché una serie di componenti in plastica, da assemblare o da saldare, che, con il tempo, provocano rotture delle parti della “carrozzeria”.
Infatti, più componenti lavorano a contatto l’uno dell’altro, più si generano occasioni di attrito e di usura che portano alla rottura.

Infine si riesce ad ottenere un computer portatile che pesa solo 1,036 kg e con spessore massimo di 1,94 cm.
Anche le finiture sono eleganti ed attraenti, grazie alla semplicità delle forme ed alla linea ininterrotta dei due gusci.

Le fasi di lavorazione

Si parte da un blocco di alluminio massiccio in forma di barra tonda .                                                                                                                                                                             

La barra viene poi inserita in una macchina a controllo numerico che effettua l’estrusione, ricavando lamiere di circa 2 cm, come nelle trafile della pasta alimentare.

Le lamiere vengono poi tagliate in parallepipedi più piccoli, dell’ordine di grandezza dei gusci del prodotto finale

A questo punto i pezzi sono pronti per le lavorazioni più complesse, ovvero per le fresature con utensili di diversa forma e dimensione. In particolare questi blocchi per Pc subiscono ben 13 operazioni di lavorazione per asportazione di truciolo, mediante fresatura e formazioni di sedi forate a taglio netto.
Prima si svuota il blocco spesso circa 2 cm e si lascia una cornice per contenere il monitor; dal materiale ritagliato dalla cornice, attraverso ulteriori fresature e poi per bucatura, si ricava il telaio della tastiera.

Per non essere graffiato,  il pezzo da lavorare viene trattenuto sul piano di lavoro (tavola porta-pezzo) non con ganasce, ma mediante un campo magnetico alimentato da corrente elettrica, con piastra di fissaggio a vuoto VacuCard e Kurzhubspannelementen. (Lavorazione su 2 lati).

L’operazione di bucatura del telaio della tastiera avviene con speciali utensili che montano punte ad elica a passo piccolo. (Come si vede nell’immagine, le punte vengono continuamente inondate e raffreddate dal liquido lubrificante e refrigerante.

 Per ottenere una finitura superficiale migliore delle sedi forate per i tasti della tastiera si effettua un’ulteriore lavorazione con raggio laser, che permette la massima precisione e la minima tolleranza di errore.

Immagini della lavorazione di finitura al raggio laser.

Alla fine si ottiene un unico pezzo sagomato all’interno per accogliere i cavi e i circuiti elettronici e forato con bucature passanti, per alloggiare il truckpad e i tasti da tastiera   

In questa immagine si nota il dettaglio dei fori per le porte USB e per l’inserimento di altri spinotti del Laptop.

L’assemblaggio finale avviene inserendo i circuiti elettronici e bullonando i due gusci del portatile.

SI RICORDA CHE:

 (1) L’estrusione è una lavorazione plastica, in cui uno spezzone di barra, a sezione generalmente circolare che prende il nome di massello,  sottoposto ad una forza di compressione notevole mediante l’utilizzo di una pressa orizzontale, viene obbligato a fuoriuscire da una matrice la cui sezione corrisponde, in forma e dimensioni, a quella del prodotto desiderato.  L’alluminio puro può essere lavorato a freddo, con una pressione di circa 800 N/mm2. L’estrusione delle leghe più dure viene effettuata a caldo a circa 480 C°,  in genere mediante presse idrauliche.
Per eseguire questa lavorazione per deformazione plastica, si utilizzano delle presse di tipo idraulico, generalmente orizzontali, che raggiungono potenze molto elevate. Il materiale da estrudere, a forma di massello, viene deposto in un apposito contenitore generalmente di forma cilindrica.   Uno  stantuffo   o punzone  comprime   poi  il  materiale   costringendolo  ad   uscire attraverso il foro della matrice. 

(2) L’operazione di fresatura consiste nell’asportazione di materiale (sottoforma di truciolo) attraverso un movimento rotatorio dell’utensile fresa associato ad un movimento di avanzamento affidato al pezzo in lavoro o all’utensile stesso. La fresa è per definizione un utensile di rotazione dotato di un numero definito di taglienti, i quali entrano in contatto in maniera sequenziale con il pezzo il lavorazione.
Le tre operazioni di fresatura di base sono: (A) fresatura periferica, (B) fresatura frontale e (C) fresatura periferico - frontale.
Nella fresatura periferica l’asse di rotazione della fresa è parallelo alla superficie in lavoro. La fresa è munita di una serie di denti disposti lungo la circonferenza, ogni dente agisce come un utensile da taglio a punta singola, definito fresa semplice. Le frese impiegate nella fresatura periferica possono essere dotate di denti diritti o elicoidali. Nella fresatura frontale la fresa è montata su di un mandrino che ruota lungo un
asse perpendicolare alla superficie in lavoro. I taglienti principali sono disposti in corrispondenza della base del corpo cilindrico fresa.
Nella fresatura periferico - frontale l’utensile fresa è dotato di taglienti principali (normalmente di tipo elicoidale) posizionati sulla superficie cilindrica, e di taglienti secondari posizionati frontalmente in corrispondenza della base cilindrica.

(3) La finitura superficiale al laser è una lavorazione non convenzionale, definita LBM (Laser-Beam Machining). La sorgente di energia è un laser (Light Amplification by Stimulated mission of Radiation) che focalizza l’energia di un fascio di luce potente sulla superficie del pezzo in lavorazione.
L’elevata densità di energia del fascio laser porta alla fusione ed alla evaporazione del materiale, producendo un solco di taglio. Questo processo, che non richiede la lavorazione sotto vuoto, viene impiegato nel taglio di una vasta gamma di materiali metallici e non metallici. Viene inoltre impiegato in microlavorazioni quali l’esecuzione di feritoie sottili, fino a 0.005 mm, o di fori di piccolo diametro e con profondità fino a 50 volte il diametro. Nelle piastre o lamiere sottili, il laser viene impiegato insieme ad un gas di assistenza, quale ossigeno o azoto o argon, per evitare il danneggiamento termico ed il ricorso a nuove lavorazioni o trattamenti.

(4) Assemblaggio con viti. Questa fase costituisce il momento finale delle lavorazioni e viene realizzata unendo due o più pezzi precedentemente dotati di fori, con una vite opportunamente dimensionata. La giunzione meccanica avviene sfruttando l’attrito che si genera fra l’elemento maschio (gambo della vite) e l’elemento femmina (il foro madrevite).
Per migliorare il processo produttivo, in questa fase si adottano generalmente avvitatori elettrici, di maggiore precisione ed affidabilità.

(5) Il Packaging è l’imballaggio, composto di materiali di qualsiasi natura, adibito a contenere e a proteggere le merci, a consentire la loro manipolazione e la loro consegna dal produttore al consumatore, assicurando anche la loro presentazione.
Nei prodotti elettronici, come i computer laptop, il packaging deve evitare, oltre agli urti e alle graffiature, i danni da elettricità statica e le piegature di parti, che possono impedire il corretto inserimento nelle schede a circuito stampato. L'imballaggio deve essere anche compatibile con la macchine pick and place o altre procedure di assemblaggio automatiche. Il packaging deve garantire il minimo ingombro possibile, per evitare che il prodotto finale occupi molto posto nei pallet di trasporto; in tal modo si utilizza minor numero di mezzi di trasporto, con minore inquinamento ambientale. Infine deve essere il più possibile riciclabile.

Fonti bibliografiche e multimediali

I contenuti del presente lavoro sono stati elaborati dalla sottoscritta corsista TFA, Maria Agnese Loisi, sulla base di materiali tratti dalle seguenti fonti:

1) Dispense e lezioni del Dott. Ing. Paolo Renna, Ricercatore in Tecnologie e Sistemi di Lavorazione della Scuola di Ingegneria dell’UNIBAS, relative a: “Lavorazioni per asportazione di Truciolo”; “Lavorazioni per deformazioni plastiche”;  “Prove meccaniche”; “Innovazione tecnologica e Ricerca”.

2) Dispense e lezioni della Prof. Milena Marroccoli, Professore Associato presso la Scuola di Ingegneria dell’UNIBAS, relative a: “Introduzione ai materiali”; “Leghe non ferrose – Alluminio”

3)  Francesco Zanatta 1975IM, Corso di Metallurgia dei Metalli non Ferrosi 2002-2003, Prof. Diego Colombo “Alluminio, processi di produzione innovativi e tecnologie meccaniche”

4)  “Asportazione di materiale: principali metodi tradizionali e innovativi di lavorazione”, a cura di M.Monno

5) Portale Internet. www.aluplanet.com

7) Sito Internet dell’azienda Apple, www.apple.it

 8) video da portale You tube: “Apple Macbook Air Tour guidato”

 9) video da portale You tube: “Apple new macbook unibody - Nuovo macbook alluminio in italiano – HD - alta definizione”

10) video da portale You tube: “Fräsen von einem Aluminium Notebookgehäuse”

11) video da portale You tube: “Jonathan Ive on Blue Peter [FULL VERSION] ”

L’alluminio e le sue leghe sono materiali straordinariamente efficienti, che possono essere riciclati indefinitamente senza apprezzabili penalizzazioni qualitative. La quasi totalità dell’energia assorbita nelle fasi di produzione primaria del metallo, per l’esattezza il 95%, viene come conservata nel materiale e rimessa in gioco al momento della rifusione del rottame; la produzione di un kg di alluminio di riciclo ha quindi un fabbisogno energetico che equivale solo al 5% di quello di un kg di metallo elettrolitico; per questi motivi i rottami di alluminio hanno valorizzazioni di tutto rilievo sul mercato e il loro recupero e riciclo risulta economicamente conveniente.

1) I rottami o gli scarti di prodotti in alluminio vengono raccolti mediante appositi consorzi, pressati in balle e trasportati per ferrovia negli stabilimenti di produzione secondaria.

2) Qui vengono sottoposti prima a raffinazione, mediante disossidazione e pirolisi, per eliminare gli ossidi formatisi sulla superficie dei pezzi ed eventuali residui di prodotti alimentari o di sostanze organiche.  (La pirolisi avviene già a temperatura di circa 550C° Il gas generato dalla pirolisi viene bruciato ad alte temperature e utilizzato come vettore energetico e fonte di calore per la successiva fusione dell’alluminio.
La decomposizione termochimica avviene senza agenti ossidanti. In tal modo l’alluminio non può ossidare, nemmeno sotto forma di fogli sottili, e può essere completamente riciclato.)

3) Infine,  il materiale viene fuso alla temperatura piuttosto bassa di circa 660 C ° /800 C °