Perché e come cambia l’estrusione con l’approccio FEM alla simulazione del processo

Intervista a Tommaso Pinter dell’Almax di Mori: l’ingegneria della matrice è il grande passo in avanti che garantisce in anticipo la fattibilità dei profilati in alluminio agli estrusori e agli utilizzatori finali

di Mario Conserva

E’ un fatto scontato ed è comunemente riconosciuto da tutti gli addetti ai lavori che la matrice ha un ruolo centrale riguardo alla possibilità o meno di produrre una certa sezione di estruso di alluminio, ancora di più oggi, con la richiesta del mercato di sagome sempre più complesse e di estrusi finali con caratteristiche meccaniche sempre più elevate.
La riprova che il contributo del costruttore di matrici è al centro dell’intero processo è evidenziata dagli enormi cambiamenti che hanno avuto luogo negli ultimi decenni riguardo l’ingegneria della matrice di estrusione. Parliamo di questo stimolante argomento con l’ingegner Tommaso Pinter, un giovane rappresentante di un nome prestigioso nel campo delle matrici per estrusione, la Almax di Mori (Trento). Laureato in Ingegneria industriale all’Università di Bologna una ventina di anni fa, studiando tra l’altro i meccanismi di trasformazioni a caldo dei metalli, autore di numerose pubblicazioni tecniche dedicate alle leghe di dell’alluminio, Tommaso Pinter è Chief Commercial Officer di Almax Mori e responsabile tecnologico del gruppo Alumat di cui Almax fa parte. “Apro l’argomento con una breve presentazione della nostra azienda: Almax fa parte di un insieme di società impegnate nella produzione di matrici per l’estrusione dell’alluminio per il mercato globale. La capogruppo è Alumat, con sede a Ciserano vicino a Bergamo; oltre ad Almax Mori abbiamo la Matrex di Salonicco in Grecia e la Almax Service situata in Polonia, uno dei nostri migliori mercati. Il gruppo, con poco più di 140 dipendenti, ha un fatturato complessivo di oltre 25 milioni di euro, noi come Almax ne valiamo 11 con 55 addetti, per l’85% sull’estero, e siamo specializzati nelle matrici per leghe dure, come ad esempio 6082, 6061, 7005, 7108, 7020 e 7075 per profilati strutturali anche di grandi dimensioni. Produciamo mediamente tra 350 e 400 matrici al mese. Consideriamo il 1987 l’anno di nascita della Almax come la vediamo oggi e infatti l’anno scorso abbiamo celebrato il nostro trentennale, anche se in effetti l’azienda venne fondata nella seconda metà degli anni ’60 a Zingonia (Bergamo) dall’esperienza dell’omonima casa madre olandese. La fabbrica fu trasferita poi a Mori nei primi anni ottanta ed entrò nell’orbita di Alcoa, che aveva acquisito gran parte degli asset dell’alluminio di stato italiano; infine venne rilevata nel 2004 dall’attuale proprietà, gli imprenditori che per anni avevano seguito la gestione dell’azienda. Come punto caratterizzante del nostro modo di operare, direi innanzitutto che siamo stati tra i primi produttori a dotarsi di una simulazione di estrusione integrata nel processo di realizzazione delle matrici; come vedremo più in dettaglio, questo significa riduzione dei costi di produzione, grande flessibilità, riduzione dei tempi di consegna degli stampi di oltre il 50%, taglio drastico alle fasi di correzione”.

Come nasce e si è sviluppato questo concetto innovativo di progettazione e realizzazione delle matrici di estrusione?
Il punto di partenza è in realtà piuttosto semplice: il passato del lavoro dei costruttori di matrici era costituito dagli archivi cartacei e dalle conoscenze individuali dei fabbricanti di stampi, degli estrusori e degli utilizzatori finali che offrivano gli elementi di base per dare un’idea della fattibilità di un certo tipo di stampo. Prima dell’introduzione dei codici degli elementi finiti, la progettazione delle matrici per estrusione era in effetti più una questione di arte ed esperienza che di ingegneria; tuttora molti costruttori di matrici utilizzano l’esperienza storica maturata nel tempo per progettare lo stampo partendo in modo acritico dalla richiesta dell’estrusore. In altre parole era l’esperienza tramandata a definire se una determinata sezione potesse essere estrusa dai propri clienti e con quali margini di garanzia. Ed è ugualmente un fatto noto che molti estrusori sino ad anni recenti sono stati costretti a ordinare uno o più stampi e a compiere diversi test solo per capire se una nuova sezione complessa potesse essere fornita o no all’utente finale e a quali costi di produzione. Ovviamente, questi approcci possono essere un forte limite agli sviluppi di nuove sezioni di estrusi; è infatti facile garantire qualcosa che ha funzionato in passato, mentre senza l’ingegneria può essere estremamente costoso e dispendioso in termini di tempo e denaro andare oltre e cercare sperimentalmente in vivo i limiti dei materiali e del processo. Oggi si può fare riferimento ad archivi digitali contenenti tutti i dati, dalle caratteristiche di deformabilità a caldo della lega alle temperature e alle modalità di flusso del materiale nel corso dell’estrusione, ai pesi dei profilati, conoscenze che opportunamente elaborate permettono di avere a priori esattamente la fattibilità pratica, la produttività e il costo di produzione di ogni determinato profilo. Detto così sembra facile, in realtà è un percorso complesso che nel mio caso è partito dagli studi condotti in Università, a Bologna e al Politecnico delle Marche, nel gruppo del professor Luca Tomesani, con ricerche sui comportamenti alla torsione a caldo delle diverse leghe di alluminio. Con oltre dieci anni di lavoro, con la costante collaborazione con l’Università e l’aiuto concreto delle istituzioni come la Provincia Autonoma di Trento, abbiamo potuto mettere insieme dei buoni strumenti di calcolo che ci consentono oggi di fare un’ottima simulazione per ogni singolo profilato.

Possiamo descrivere con qualche dettaglio tecnico in più gli elementi di base del vostro nuovo modo di progettare e costruire le matrici?
L’analisi a elementi finiti FEA è la chiave della simulazione numerica, integrata dalla conoscenza totale delle variabili del processo di estrusione. Poco più di un decennio fa si è compreso che la chiave di volta per soddisfare le esigenze future degli utilizzatori di estrusi era quella di integrare gli uffici di progettazione con una tecnologia in grado di assistere i back office nella fase di fattibilità. Soddisfare un cliente per Almax Mori significa poter dire “sì, possiamo produrre una matrice in grado di estrudere una sezione così com’è indicata dai vostri disegni”, e per raggiungere questo obiettivo abbiamo introdotto l’analisi degli elementi finiti (FEA). L’attuale stato dell’arte delle simulazioni numeriche applicate al processo di estrusione è definito da una conferenza di benchmarking in diverse passate edizioni [1,2]. Di conseguenza, è stato riscontrato un aumento generalmente significativo dell’accuratezza dei codici nella previsione del carico di processo, del flusso di materiali, delle mappe di pressione e di temperatura. Il nostro ufficio tecnico di Mori ha partecipato più volte all’Extrusion Benchmark, la FEA è nel nostro DNA.
È stato sempre una pratica normale per le aziende di estrusione chiedere il supporto dei produttori di matrici nella fase di fattibilità, specialmente nei casi di sezioni complesse. Prima della definizione dei codici FEM sono state utilizzate solo formule empiriche basate sull’esperienza per valutare la fattibilità dei dettagli delle matrici, mentre oggi stiamo utilizzando l’analisi dello stress FE basata su un modello elastoplastico.

In sostanza, l’uovo di Colombo è il controllo della conoscenza e della corretta e completa interpretazione dei parametri di processo…
E’ così, con questo nuovo approccio ci è stato possibile di raggiungere nuovi limiti senza correre rischi alla pressa, eliminando gli oneri di costosi rifacimenti di matrici.
Nei prossimi anni la crescita della domanda di estrusi sarà legata in maniera significativa alla domanda dell’automotive. Oggi automotive e High-Speed Rail significano leggerezza al fine di richiedere meno energia per funzionare e leggerezza significa estrusione di sezioni più larghe e più sottili. Al fine di fornire progetti ferroviari recenti, quasi tutti gli attori europei hanno aggiornato le loro grandi presse per superare la mancanza di pressione specifica necessaria per estrudere le sezioni richieste. Forza moltiplicata per lo spostamento è uguale al lavoro; l’attrezzatura per estrusione deve essere adeguatamente riprogettata per resistere alla maggiore pressione richiesta per estrudere sezioni più larghe e più leggere. Nel rispetto di questa sfida il nostro ufficio tecnico di Mori si è organizzato per fornire agli estrusori dati chiari e precisi sull’estrudibilità delle nuove sezioni per la realizzazione di pareti laterali, tetti e pavimenti per vagoni ferroviari. Per avere successo abbiamo commissionato diverse prove di torsione a centri di ricerca italiani per avere un’equazione costitutiva appropriata per ogni lega di alluminio in uso [3]. Questa è probabilmente la cosa più importante che distingue una simulazione di estrusione di successo da un’altra, in quanto se non riusciamo a stimare correttamente la pressione specifica richiesta all’asta pressante per spingere una billetta attraverso la matrice, tutti gli altri parametri come la temperatura e la pressione hanno in realtà pochissimo valore. La seconda cosa importante è la conoscenza dei parametri di processo in uso alla pressa, meno ipotesi si fanno meglio è in termini di precisione di previsione quando si lavora con codici agli elementi finiti, per questo motivo a fare la differenza è la collaborazione tra l’ingegnere di processo dell’azienda di estrusione e l’ingegnere FEM del produttore di matrici.
Data una sezione richiesta, il nostro team di simulazione può capire non solo se il flusso di alluminio sarà bilanciato, ma anche se lo spessore delle pareti interne rispetterà la tolleranza dimensionale. La conoscenza preventiva di questi dati è assolutamente essenziale specialmente quando la matrice sia destinata oltremare, perché in questo modo non è più necessario il ritiro dello stampo per eventuali modifiche. La forza innovativa e dirompente di questo approccio sta appunto nel fatto che per profili molto complessi è possibile prevedere se le tolleranze richieste dall’utente finale possono essere raggiunte o no durante l’estrusione; i profili che ieri venivano rifiutati possono essere oggi accettati dagli estrusori sulla base dei dati ottenuti con l’ingegneria della matrice, e questa è una grande rivoluzione per l’intero settore dell’estrusione. E non è tutto: una volta noto il valore dello scarto tecnologico della linea di estrusione, il nostro ufficio tecnico può fornire anche l’indicazione della lunghezza della billetta necessaria per fornire una certa lunghezza della sezione e verificare se la capacità della pressa è appropriata per superare quella specifica lunghezza della billetta; infatti, grazie a un preciso calcolo della scattivazione, possiamo stimare il fattore di recupero con sufficiente precisione per dare piena garanzia della matrice anche dal punto di vista dei quantitativi di estrusione (Figura 1). Gli eccezionali risultati raggiunti oggi sono il frutto di un lavoro svolto in dieci anni di miglioramento continuo; ecco perché il 10% delle ore di lavoro dei nostri ingegneri è dedicato alle attività di ricerca e sviluppo e fornisce feedback alle aziende di software con i dati appropriati necessari per migliorare le prestazioni del codice, la precisione dei risultati e, ultimo ma non meno importante, lo sviluppo di nuovi strumenti. Nel 2018 ci siamo impegnati a convalidare il nostro codice FEM per la stima dello scarto di coda, spingendo ogni giorno la software house ad implementare i migliori modelli analitici disponibili in letteratura per la stima delle variazioni di granulometria dovute alla ricristallizzazione dinamica.

Dal punto di vista della costruzione, qual è lo stato dell’arte che consente alla Almax Mori di trasformare quanto studiato al PC in realtà?
Un’ottima domanda. Tutto si basa su un requisito semplice ma imprescindibile; la tecnologia che ho spiegato sopra è efficace solo nel momento in cui si è in grado di produrre una matrice fedele al modello studiato agli elementi finiti. A Mori abbiamo eliminato le operazioni intermedie e inserito i centri di fresatura a cinque assi (Figure 2 e 3). In questo modo siamo sicuri che la matrice è esattamente come è stata modellata e simulata al computer. Ecco che il risultato in pressa è fedele a quanto previsto al computer. Può credermi se le dico che la concorrenza non è sempre in grado di garantire questi standard in quanto lavora ancora molto con la sliffatura manuale (manual grinding).

In conclusione, mi pare che questi nuovi criteri di fare le matrici possano cambiare il modo di fare l’estrusione, un grosso passo in avanti per trasformare un’arte in una scienza; magari se ci mettiamo la creatività e la fantasia che caratterizza da sempre il modo italiano di fare impresa, raccoglieremo ancora interessanti punti di competitività nel contesto del mercato globale…
Senza dubbio come sistema abbiamo l’opportunità di emergere, mettendo a frutto la straordinaria esperienza pregressa dell’estrusione italiana negli ultimi decenni. Per concludere sui dati di rilevanza tecnica che ho cercato di introdurre nel modo più divulgativo possibile, la realtà è che l’approccio ingegneristico alla fattibilità dei profilati estrusi di alluminio sta mandando nel dimenticatoio le pratiche più comuni; ed è importante sottolineare che in questo nuovo approccio il produttore di matrici è direttamente coinvolto non tanto e non solo in fase di messa in servizio, ma principalmente nella fase di progettazione della sezione in alluminio da estrudere. Oggi chi estrude può sapere se un profilo può essere estruso con una data matrice e anche valutare con precisione con quale scarto totale può essere prodotto prima che la matrice sia stata ordinata, e ciò sta dando un grande vantaggio all’intera filiera riducendo significativamente i costi di trasformazione e il time to market. Scegliendo il nuovo approccio proposto da Almax, gli estrusori non hanno sorprese in termini di redditività, una volta che sono stati firmati contratti di fornitura a lungo termine, poiché il fattore di recupero può essere stimato con un buon livello di accuratezza nella fase di fattibilità. Lavorare in questo modo significa ridurre il divario tra i costi di produzione stimati e i costi di produzione effettivi, mettendosi in vantaggio competitivo con la concorrenza in un mercato in significativa espansione per gli estrusi di alluminio come quello dell’automotive, sempre più esigente. È implicito sulla base di quanto detto finora che anche con questo nuovo approccio gli estrusori dovranno ancora occuparsi con grande attenzione delle operazioni a valle per fornire la sezione di alluminio con i requisiti richiesti; in altre parole, l’uscita dalla pressa, la tempra con qualsivoglia tipo e dispositivo di raffreddamento, le movimentazioni dei profilati, i cicli e le modalità di invecchiamento, tutto questo ha una grande influenza sulle performance di una linea di estrusione, indipendentemente dal fatto che la costruzione della matrice sia stata effettuata allo stato dell’arte. In conclusione, la via innovativa proposta da Almax contribuirà senz’altro in modo significativo ad allargare il già vasto orizzonte di impiego degli estrusi di alluminio, una classe di prodotti che rappresenta una tipologia unica di semilavorati capaci di offrire soluzioni creative ai progettisti in ogni campo di impiego. E’ chiaro che il successo dopo oltre dieci anni di studi, ricerche, sperimentazioni da noi condotte è in buona parte merito dei nostri clienti che ci hanno dato fiducia in questo approccio innovativo all’ingegneria delle matrici, e che hanno creduto che “zero correzioni della matrice” potesse essere un traguardo raggiungibile per un grande rilancio dell’estrusione dell’alluminio, e non solo un’ipotesi teorica e fantasiosa.