Tecnologia dei Materiali - sample

Cristiano Crosera Materiali Tecnologie dei

INTELLIGENZA ARTIFICIALE E STAMPA 3D IA

MATERIALI IN AZIONE

SICUREZZA DEI LUOGHI DI LAVORO

MATERIALI E PROVE

immagina genera ispira VELIA

INDUSTRIA 4.0

CAPITOLO 1

industria 4.0 e ROBOTICA

1.1 Industria 4.0

1.2 Le rivoluzioni industriali

1.3 Intelligenza artificiale e robotica

1.4 Macchine intelligenti

1.5 La stampa 3D

1.6 Evoluzione della stampa 3D e smart materials

1.7 Realtà virtuale e realtà aumentata

SEZIONE

Materiali: PROPRIETÀ E PROVE

3

Proprietà dei materiali

3.1 Che cos’è la tecnologia meccanica

3.2 Le norme UNI

3.3 Le principali caratteristiche dei materiali

3.4 Proprietà chimico-strutturali

3.5 Proprietà fisiche

3.6 Proprietà meccaniche

3.7 Proprietà tecnologiche

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SICUREZZA

CAPITOLO 2

Indicazioni

sulla sicurezza della persona e dei luoghi di lavoro

2.1 Quadro normativo: sicurezza e salute

2.2 Segnaletica di sicurezza e di salute sul luogo di lavoro

2.3 Malattie professionali

2.4 Dispositivi di protezione individuale (DPI)

2.5 Locali di lavoro e loro caratteristiche

2.6 Barriere architettoniche

2.7 Protezione dagli incendi

2.8 Obblighi e responsabilità nella scuola

2.9 Utilizzo del videoterminale

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CAPITOLO 4

Prove sui materiali

4.1 I controlli non distruttivi

4.2 I controlli distruttivi

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CAPITOLO

Materiali METALLICI

Materiali ferrosi

5.1 Differenza tra ghisa e acciaio

5.2 Produzione della ghisa

5.3 Produzione dell’acciaio

5.4 La colata dell’acciaio

5.5 La ghisa

5.6 L’acciaio

SEZIONE

Altri materiali per l’ingegneria

7.1 I prodotti del petrolio

7.2 La gomma naturale e la gomma sintetica

7.3 Le materie plastiche

7.4 I materiali compositi

7.5 I ceramici

7.6 Il vetro

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Materiali non ferrosi

6.1 Il rame (Cu)

6.2 L’alluminio (Al)

6.3 Il titanio (Ti)

6.4 Il magnesio (Mg)

6.5 La metallurgia delle polveri

7.7 I leganti

7.8 Il calcestruzzo

7.9 Il legno

7.10 Conduttori, semiconduttori e isolanti

VERIFICA LE CONOSCENZE Test interattivi

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CONTENUTI DIGITALI INTEGRATIVI NEL VOLUME

Acciaio verde • Alluminio: sostenibile o no? • Il riciclo delle materie plastiche • La riciclabilità del vetro • Bilancio ecologico del legno

Stagno e zinco • Carbonio e grafene • Le terre rare e il litio

CAPITOLO 5

CAPITOLO 6

CAPITOLO 7

A INDUSTRIA 4.0 SEZIONE

MATERIALI

CAPITOLO 1 industria 4.0 e robotica

VERIFICA LE CONOSCENZE

● Sviluppo moderno dell’industria

● Tecnologie digitali e futuro

● Industria di ieri, oggi e domani

● Esempi di tecnologie e materiali applicati nell’industria attuale

SVILUPPA LE ABILITÀ

● Conoscere le nuove figure professionali in azienda

● Integrare l’IA nella vita quotidiana

● Sviluppare possibili nuove applicazioni della stampa 3D e di nuovi materiali

COSTRUISCI LE COMPETENZE

● Saper creare nuove figure professionali specializzate in questi campi

● Sviluppare competenze umane come il pensiero critico, la creatività e l’intelligenza emotiva

● Saper lavorare in sinergia con le macchine

MATERIALI IN AZIONE

I materiali avanzati

I materiali avanzati sono materiali molto speciali e resistenti che vengono usati in tecnologie moderne. Possono essere fatti di metalli, ceramiche, polimeri o derivare dalle nanotecnologie. Tali materiali sono fondamentali per la stampa 4D, una nuova evoluzione della stampa 3D. La differenza con la stampa 3D è che, grazie alle loro caratteristiche, gli oggetti ottenuti con la stampa 4D possono cambiare forma nel tempo. Basta aggiungere acqua, luce o calore, e il materiale si modifica come programmato. La lettera D indica proprio l’inserimento di una nuova dimensione: il tempo. Il Politecnico di Milano ha condotto uno studio importante su questi materiali. I ricercatori hanno scoperto come controllare la formazione di pieghe nei materiali morbidi.

Questa ricerca apre la strada a nuove invenzioni: circuiti elettronici flessibili che si possono indossare, materiali intelligenti che si adattano all’ambiente, strumenti biomedici miniaturizzati dentro un microchip e perfino oggetti microscopici capaci di auto-assemblarsi

industria 4.0 e Robotica

CI OCCUPEREMO DI...

1. Industria 4.0

2. Le rivoluzioni industriali

3. Intelligenza artificiale e robotica

4. Macchine intelligenti

1.1 Industria 4.0

L’espressione “Industria 4.0” è stata usata per la prima volta nel 2011 alla Fiera di Hannover, in Germania. Con questa espressione l’Unione Europea definisce Industria 4.0 “ogni metodo di lavoro idoneo a integrare uomini, processi produttivi e macchinari”.

1.1.1 LE CARATTERISTICHE

DELL’INDUSTRIA 4.0

Industria 4.0 è un processo che scaturisce dalla quarta rivoluzione industriale e che sta portando alla produzione industriale verso la totale automatizzazione e interconnessione. Le nuove tecnologie digitali avranno un impatto profondo nell’ambito di quattro direttrici di sviluppo.

La prima riguarda l’utilizzo dei dati, la potenza di calcolo e la connettività, e si declina in big data, open data, Internet of Things, machine-to-machine e cloud computing per la centralizzazione delle informazioni e la loro conservazione.

La seconda è quella degli analytics, ossia una volta raccolti i dati, bisogna ricavarne valore. Oggi solo l’1% dei dati raccolti è utilizzato dalle imprese, che potrebbero invece ottenere vantaggi a partire dal “machine learning”, cioè dalle macchine che perfezionano la loro resa “imparando” dai dati via via raccolti e analizzati. La terza è l’interazione tra uomo e macchina, che coinvolge le interfacce “touch”, sempre più diffuse, e la realtà aumentata.

5. La stampa 3D

6. Evoluzione della stampa 3D e smart materials

7. Realtà virtuale e realtà aumentata

La quarta riguarda il settore che si occupa del passaggio dal digitale al “reale” e che comprende la manifattura additiva, la stampa 3D, la robotica, le comunicazioni, le interazioni machine-to-machine e le nuove tecnologie per immagazzinare e utilizzare l’energia in modo mirato, razionalizzando i costi e ottimizzando le prestazioni.

Le tecnologie che convenzionalmente caratterizzano Industria 4.0 sono:

■ robotica avanzata: macchine interconnesse, programmabili in poco tempo e dotate di intelligenza artificiale (IA);

■ manifattura additiva: stampa 3D, fabbricazione digitale;

■ realtà aumentata: dispositivi con cui sperimentare una realtà sovrapposta alla nostra (➜ Fig. 1);

■ integrazione orizzontale/verticale: tutti gli step che vanno dal produttore al consumatore relativi alla catena del valore comunicano tra di loro;

■ simulazione: è possibile simulare nuovi processi produttivi prima di metterli in pratica nella realtà;

■ Internet delle cose applicate all’industria: oggetti (cose) riconoscibili e intelligenti in grado di poter comunicare dati su se stessi;

■ cloud: gestione di una grande quantità di dati in rete;

■ cyber-security: garanzia di sicurezza durante le operazioni in rete e su sistemi in cloud;

■ big data e analitiche: analisi di moltissimi dati necessari alla produzione in real time di informazioni utili per ottimizzare prodotti e processi produttivi.

1.1.2 LE NUOVE FIGURE PROFESSIONALI

Le imprese incontrano crescenti difficoltà nell’individuare le competenze necessarie per Industria 4.0. Servono competenze digitali, cioè quel vasto insieme di abilità tecnologiche che consentono di individuare, valutare, utilizzare, condividere e creare contenuti grazie alle tecnologie informatiche e a Internet.

I profili professionali più richiesti in un ambito così innovativo e a elevata competenza sono i profili tecnici, che però, rispetto al passato, devono inglobare conoscenze informatiche e digitali. Si tratta perciò di professionisti che hanno seguito percorsi formativi che incrociano diverse competenze, da utilizzare in maniera integrata perché le competenze trasversali sono la risposta alle nuove esigenze professionali delle imprese.

Esaminiamo quali sono oggi i profili più richiesti.

OPERAI 4.0

Si tratta di operai impegnati in produzioni a elevato contenuto tecnologico, dove non bastano più né l’operaio generico né quello specializzato. Serve una figura professionale che si adatti a processi produttivi flessibili, con competenze tecnologiche di alto livello e trasversali.

MANUTENTORI 4.0

Manutentori che conoscano le macchine su cui operano, ma anche i dati necessari alla cosiddetta manutenzione predittiva, quella cioè che basandosi sull’osservazione di determinati parametri porta a interventi mirati prima che si verifichi il guasto vero e proprio, evitando o riducendo al minimo il fermo (➜ Fig. 2).

PROJECT MANAGER 4.0

Soggetti che hanno il compito di accompagnare impresa e forza lavoro nell’introduzione dei processi innovativi, concentrandosi su produzione e supply chain. Figura con competenze in materia di algoritmi predittivi e analisi dei big data

DATA SCIENTIST

I dati sono la nuova materia prima che si affianca alle altre materie tangibili di Industria 4.0. Una materia prima che va gestita nella sua complessità per trarne il maggior beneficio possibile in termini di produttività, attraverso la conoscenza e l’interpretazione dei numeri su prodotti, processi, mezzi di produzione, supply chain ecc.

DATA PROTECTION OFFICER

Professionisti in grado di coniugare competenze tecnologiche e legali, di mappare il percorso dei dati all’interno dei processi aziendali e gestirli nel rispetto delle disposizioni nazionali e comunitarie.

➜ Fig. 1 • Applicazione della realtà aumentata alla produzione industriale. ➜ Fig. 2 • Manutentrice 4.0 mentre controlla i parametri di un veicolo.

1.2 Le rivoluzioni industriali

Passiamo in rassegna le rivoluzioni industriali che hanno segnato il mondo occidentale (➜ Fig. 3).

■ La prima rivoluzione industriale parte dall’Inghilterra, un paese ricco di carbone. Per la prima volta, nel 1784, il carbone è usato come fonte di energia e nasce la macchina a vapore. La potenza prodotta dal lavoro umano o da quello animale è quindi sostituita da una nuova fonte di energia. Tale innovazione comporta numerosi cambiamenti di carattere sociale ed economico. La prima rivoluzione industriale è anche detta fase della meccanizzazione.

■ La seconda rivoluzione industriale avviene tra il 1870 e il 1878 ed è legata all’introduzione dell’energia elettrica, a cui seguirono numerose innovazioni in campo scientifico e tecnologico in tutto il mondo.

Alcune di queste sono l’invenzione della lampadina, del telefono e del cinematografo; l’estrazione del petrolio dà slancio all’industria chimica e compare la catena di montaggio cioè un sistema meccanizzato, che divideva un lavoro complesso in tanti lavori semplici. La seconda rivoluzione industriale è chiamata anche fase dell’industrializzazione

INDUSTRIA 1.0

Meccanizzazione, macchine a vapore, telai meccanici

INDUSTRIA 2.0

Lavoro e produzione di massa, energia elettrica

INDUSTRIA 3.0

Automazione, computer ed elettronica

INDUSTRIA 4.0

Utilizzo dei sistemi cyber-fisici, internet delle cose, reti digitali

➜ Fig. 3 • Schema che illustra le diverse fasi del progresso industriale.

■ La terza rivoluzione industriale è iniziata dopo la Seconda guerra mondiale, e ha come caratteristica principale alcune grandi scoperte scientifiche nel campo dell’industria chimica e molte innovazioni tecnologiche nel campo dell’astronautica e dell’informatica. Il cuore della terza rivoluzione industriale è l’integrazione dei computer, delle telecomunicazioni e dell’analisi dei dati nei processi di produzione industriale.

La terza rivoluzione industriale è anche chiamata fase dell’automazione.

■ La quarta rivoluzione industriale iniziata nel 2011 con una produzione industriale del tutto automatizzata e interconnessa, è denominata anche Industria 4.0. La flessibilità è stata migliorata, in modo che i produttori possano soddisfare al meglio le richieste dei clienti utilizzando la personalizzazione di massa , cercando, in definitiva, di raggiungere l’efficienza con l’impiego, in molti casi, di una sola persona. Raccogliendo più dati dal reparto di produzione e combinandoli con altri operativi dell’azienda, una fabbrica intelligente può ottenere trasparenza delle informazioni e di conseguenza prendere decisioni migliori.

La quarta rivoluzione industriale è anche chiamata fase della computerizzazione.

1.3 Intelligenza artificiale e robotica

1.3.1 INTELLIGENZA ARTIFICIALE

Per intelligenza artificiale, spesso scritta con l’acronimo IA o nella versione inglese AI (Artificial Intelligence), si intende quella branca dell’informatica che sviluppa sistemi e programmi capaci di assolvere funzioni che di norma necessiterebbero dell’intelligenza umana, come il ragionamento, la pianificazione, la creatività.

L’IA è l’abilità di una macchina di ragionare, apprendere, pianificare e creare, ossia di mostrare capacità umane. L’IA permette ai sistemi di capire l’ambiente in cui si trovano a operare, si relaziona con quello che percepisce risolvendo i problemi che incontra e agendo per un obiettivo specifico. Il computer riceve i dati raccolti dai sensori, come ad esempio i dati rac-

colti da una videocamera, li processa e infine fornisce una risposta. Inoltre, i sistemi di IA sono in grado di modificare il proprio comportamento in funzione degli effetti dovuti alle azioni precedenti, così da autoapprendere per poter fare la cosa giusta al momento giusto. Nella vita di tutti i giorni ci sono molte applicazioni che utilizzano l’IA come, ad esempio, gli acquisti in rete. L’IA fornisce suggerimenti basati su precedenti acquisti, su ricerche e su altri comportamenti dell’utente registrati online dai motori di ricerca per offrire poi risultati pertinenti. Anche i telefoni cellulari usano l’IA, quando si interrogano gli assistenti virtuali che rispondono a domande, forniscono suggerimenti e aiutano a organizzare l’agenda agli utenti. Esistono anche i software di traduzione automatica, basati su testi audio o scritti, che usano l’IA per migliorare le traduzioni o per i sottotitoli automatici dei video. Per avere l’IA si devono unire un programma informatico e un hardware, un computer oppure un robot, che ha il compito fisico di eseguire i calcoli (➜ Fig. 4).

1.3.2 I COLLABORATIVE ROBOT

I cobot (collaborative robot) sono robot particolarmente sicuri, con a bordo sensori che garantiscono la sicurezza dell’operatore. La robotica è una disciplina già in uso da molto tempo. Per molte aziende del mondo del manufacturing la robotica rappresenta la fabbrica del futuro dove la presenza umana è sempre più ridotta. La produzione sarà automatizzata, gestita via software dalla ottimizzazione del design del prodotto fino alla produzione stessa, grazie alle nuove

➜ Fig. 4 • Intelligenza artificiale utilizzata in medicina e chirurgia.

tecniche di additive manufacturing. Non si potrà però automatizzare ogni cosa e uscendo dal campo del manufacturing ci sono molti altri processi di lavorazione per i quali i robot possono essere di aiuto al personale umano senza sostituirlo completamente. Questa collaborazione, da cui il termine cobot, è comunque molto complessa e per questo motivo i cobot sono un settore della robotica in forte sviluppo, anche se magari meno evidente rispetto ai robot autonomi. La peculiarità dei cobot è che sono pensati per operare vicino al personale umano, cosa che rende il loro funzionamento più critico rispetto a quello dei classici robot industriali, che possono muoversi e operare senza preoccuparsi di ferire nessuno. Invece un cobot non deve correre il rischio di urtare o peggio colpire il suo collega umano e per questo è abbondantemente dotato di sensori fisici e visivi. Anche le sue superfici sono lavorate in modo da non essere pericolose o spiacevoli al tatto. Il ruolo dei robot industriali è quello di sostituire il personale umano nei compiti automatizzabili, ripetitivi e potenzialmente pericolosi. Il compito dei cobot, invece, è quello di spartirsi il lavoro con i colleghi umani: al cobot sono assegnate le mansioni pericolose o che richiedono sforzi eccessivi o ripetuti, mentre al personale umano sono assegnate quelle che richiedono decisioni o valutazioni non programmabili. Le applicazioni principali sono per ora nel campo della logistica, dell’assemblaggio di componenti e nel trasporto, ma si incominciano a vedere anche applicazioni in quei settori in cui inizialmente i cobot erano ritenuti troppo limitati, come nella saldatura (➜ Fig. 5).

1.4 Macchine intelligenti

Le prime sperimentazioni per la realizzazione di macchine intelligenti risalgono agli inizi degli anni Cinquanta del secolo scorso, quando si inizia a pensare di utilizzare i metodi probabilistici per realizzare macchine che possano prendere decisioni basandosi sul calcolo delle probabilità di accadimento di un evento. Il primo che ipotizza la necessità di algoritmi specifici per realizzare macchine in grado di apprendere è Alan Turing, oggi considerato uno dei padri dell’informatica.

1.4.1 MACHINE LEARNING

La machine learning (apprendimento automatico), è una particolare branca dell’informatica molto vicina alla branca dell’IA. Quando si parla di machine learning si intende un insieme di differenti meccanismi che permettono a una macchina intelligente di migliorare le proprie capacità e prestazioni nel tempo. La macchina, quindi, può imparare a svolgere determinati compiti migliorando, tramite l’esperienza, le proprie capacità, le proprie risposte e funzioni. Alla base dell’apprendimento automatico ci sono una serie di differenti algoritmi che, partendo da nozioni primitive, prendono una specifica decisione piuttosto che un’altra o effettuano azioni apprese nel tempo. A seconda delle modalità con cui la macchina impara e accumula dati e informazioni, si possono distinguere tre diversi sistemi di apprendimento automatico: supervisionato, non supervisionato e per rinforzo.

■ L’apprendimento supervisionato fornisce al sistema informatico della macchina modelli ed esempi che permettono di costruire un vero e proprio database di informazioni e di esperienze. Così, quando la macchina affronta un problema, attinge alle esperienze presenti nel proprio sistema, analizzandole e decidendo la risposta da dare sulla base di esperienze già codificate. Questi tipi di algoritmi sono utilizzati anche in settori come quello medico e quello di identificazione vocale.

■ L’ apprendimento non supervisionato prevede che la macchina attinga a determinate informazioni senza avere alcun esempio del loro utilizzo e, quindi, senza conoscere i risultati attesi a seconda della scelta effettuata. Sarà la macchina stessa a catalogare tutte le informazioni in proprio possesso, a organizzarle, a imparare il loro signi-

➜ Fig. 5 • Cobot per saldatura.

ficato, il loro utilizzo e, soprattutto, il risultato atteso. Questo tipo di apprendimento permette alla macchina maggiore libertà di scelta, dovrà organizzare le informazioni in modo intelligente e imparare quali sono i risultati migliori per le diverse situazioni che si presentano.

■ L’apprendimento per rinforzo prevede che la macchina possieda sistemi e strumenti in grado di migliorare il proprio apprendimento e di comprendere le caratteristiche dell’ambiente circostante. Alla macchina sono forniti una serie di elementi di supporto, come sensori, telecamere, GPS ecc., che permettono di rilevare quanto avviene nei dintorni ed effettuare scelte per un migliore adattamento all’ambiente. Questo tipo di apprendimento è ancora in fase sperimentale ed è tipico delle auto senza pilota (➜ Fig. 6), che sono in grado di percorrere strade trafficate, riconoscere eventuali ostacoli e molto altro.

1.4.2 LE CHATBOT

La proliferazione delle chat e della messaggistica ha favorito il fenomeno chatbot, cioè un software che, attraverso l’uso di algoritmi, simula ed elabora le conversazioni umane, scritte o parlate, consentendo agli utenti di interagire con i dispositivi digitali come se stessero comunicando con una persona reale. I chatbot possono essere semplici programmi che rispondono a una semplice query con una singola riga, oppure sistemi sofisticati come gli assistenti digitali, che apprendono e si evolvono per fornire livelli crescenti di personalizzazione quando raccolgono ed elaborano le informazioni. Le chatbot imparano dal comportamento dell’utente e forniscono conversazioni più personalizzate, interpretano ed elaborano le richieste degli utenti e danno risposte tempestive e pertinenti. Le chatbot possono essere distribuite su siti web, su Facebook Messenger, Twitter o WhatsApp.

1.4.3 PARCHEGGIO ASSISTITO DA IA

Il parcheggio assistito è un avanzato sistema di aiuto alla guida progettato per supportare il conducente al momento del parcheggio dell’auto. Per attivare il sistema basta che il guidatore prema un tasto dedicato.

Il funzionamento del parcheggio assistito si basa sull’elaborazione di dati provenienti dall’integrazione di sensori a ultrasuoni, di telecamere posizionate attorno all’auto e da sofisticati software in grado di elaborare i dati.

I sensori ad ultrasuoni installati nel paraurti del veicolo, valutano la distanza tra il veicolo ed un ostacolo. Se i sensori rilevano un ostacolo allora emettono un segnale acustico la cui frequenza aumenta all’approssimarsi dell’ostacolo, fino a diventare un suono continuo quando l’ostacolo si trova a 20 o 30 centimetri circa dal veicolo.

Il sistema rileva gli ostacoli sulla parte anteriore, sulla parte posteriore e sui lati del veicolo e si attiva solo quando il veicolo viaggia ad una velocità inferiore a irca 10 km/h (➜ Fig. 7).

Questi sensori identificano gli spazi disponibili paralleli e talvolta anche obliqui o perpendicolari rispetto alla posizione della vettura e calcolano le manovre necessarie in base alle dimensioni dell’auto; infatti l’auto è in grado di eseguire autonomamente buona parte delle manovre di parcheggio senza l’intervento diretto del conducente.

Il software di controllo prende quindi il comando del veicolo, dirigendolo esattamente nel parcheggio scelto.

➜ Fig. 6 • Prototipo di auto senza pilota.

➜ Fig. 7 • Sensori per il rilievo di ostacoli attorno al veicolo.

Di norma l’elettronica si occupa di azionare lo sterzo, lasciando al conducente il compito di agire sul resto dei comandi. Se l’auto dispone di trasmissione automatica, il dispositivo può essere in grado di occuparsi anche di essa, anche se il conducente deve comunque vigilare sempre sulla operazione. Nelle evoluzioni più recenti e sofisticate l’intero sistema può essere governato da fuori la vettura, attraverso uno smartphone o il telecomando dell’auto stessa (➜ Fig. 8).

VANTAGGI E SVANTAGGI DEL PARCHEGGIO AUTOMATICO

Uno dei principali vantaggi del parcheggio automatico è l’assoluta precisione e sicurezza delle manovre, infatti i sensori di parcheggio continuano a monitorare l’ambiente circostante durante la manovra, rilevando eventuali ostacoli e prevenendo collisioni.

Questa caratteristica non solo protegge l’auto da danni, ma scongiura anche gli impatti con oggetti e tutela le persone intorno. Uno svantaggio può essere rappresentato dal tempo impiegato per svolgere le manovre di parcheggio. Infatti il sistema elettronico, operando con ampio margine, può impiegare più tempo per completare l’operazione rispetto ad un guidatore esperto, risultando comunque più veloce rispetto ad un guidatore alle prime armi o dotato di scarse capacità nel valutare le distanze. La stessa distinzione si può fare per l’ampiezza dello stallo da utilizzare per il parcheggio. Un conducente abile saprà infilare la vettura laddove l’elettronica non proverebbe mai nemmeno a cimentarsi.

1.5 La stampa 3D

La stampa 3D è conosciuta anche con il nome di produzione additiva ( additive manufacturing ). Il termine “additivo” infatti permette di intuire che l’oggetto che si intende produrre si ottiene depositando il materiale uno strato dopo l’altro. I materiali più comunemente utilizzati per la stampa 3D sono le leghe di plastica e il metallo, ma ultimamente è stato possibile lavorare qualsiasi tipo di materiale, dal calcestruzzo al tessuto vivente.

1.5.1 FUNZIONAMENTO DELLA STAMPANTE 3D

La parte fondamentale resta la progettazione dell’oggetto da costruire, che viene eseguita con appositi software al computer. In genere, il formato usato per salvare un progetto da stampare in 3D è il formato STL (Standard Triangulation Language To Layer), un formato che scompone il progetto in triangoli grafici. A questo punto un altro software detto slicer trasforma il file STL in un file in linguaggio macchina G-code che contiene tutti i dettagli del prodotto finale, le dimensioni dell’oggetto e i materiali da utilizzare. Il file G-code viene eseguito dalla stampante che riproduce l’oggetto. La differenza principale tra una stampante 2D ed una 3D, sta nella testina che, nel caso di una stampante 3D, è sostituita da un estrusore che, invece dell’inchiostro, come nella stampante 2D, impiega i polimeri dei materiali scelti, in forma di fili avvolti in bobine fino a 2 kg (➜ Fig. 9). I filamenti sono riscaldati, quindi fusi e stratificati ad alta temperatura fino alla fine del processo di costruzione dell’oggetto.

➜ Fig. 8 • Parcheggio governato da fuori vettura con smartphone.

➜ Fig. 9 • Bobine di fili in materiale polimerico.

1.5.2 I MATERIALI

UTILIZZATI DALLA STAMPANTE 3D

TECNOLAB

Fabbricazione digitale

I materiali usati nella stampa 3D sono oggi disponibili in diverse forme, come polvere, filamenti, pallet, granuli, resine ecc., che variano a seconda dell’utilizzo che se ne deve fare. Le stampanti 3D sono utilizzate anche in campo alimentare. I materiali più usati al momento sono il cioccolato e lo zucchero, per realizzare particolari decorazioni su torte e dolci.

IL NYLON

È uno dei materiali più utilizzati nel processo di stampa 3D e può essere lavorato in due modi. Se impiegato nel processo di sinterizzazione, le particelle di polvere di nylon vengono fatte solidificare e poi sono unite mediante un raggio laser. Se impiegate nel processo FDM (Filament Deposition Manufactoring), il filamento della cartuccia viene prima fuso dall’estrusore e poi depositato strato su strato sino a costruire l’oggetto desiderato. Il nylon è flessibile e resistente, di colore bianco e quindi si presta a essere colorato prima o dopo la stampa. Inoltre, può essere mescolato con l’alluminio originando un altro materiale detto alumide

PLA (ACIDO POLILATTICO – POLILATTATO)

I vantaggi dell’uso di questo materiale riguardano la grande varietà di colori, la poca dilatazione termica, la biodegradabilità e la non emissione di odori durante la stampa. Di contro, è fragile, è sensibile all’umidità e all’invecchiamento. È uno dei materiali più diffusi grazie alla sua bassa temperatura di stampa, attorno ai 200 °C, e all’ottima resa visiva e fisica. Ammorbidendosi a temperature relativamente basse, 50-60 °C, teme però il calore che si genera, per esempio, in una vettura lasciata al sole.

ABS (ACRILONITRILE BUTADIENE STIRENE)

È il materiale con cui è iniziata la stampa 3D FDM e conta, quindi, su decine di anni di esperienze pregresse. Oltre a ciò, tra le sue qualità troviamo la robustezza; inoltre, è facile da rifinire e da lavorare anche dopo la stampa attraverso solventi e resiste bene agli agenti atmosferici.

Di contro richiede una temperatura di stampa elevata, ha un elevato ritiro durante il raffreddamento, necessita di piatto riscaldato e camera chiusa, emette odori e fumi durante la stampa. Con l’ABS si possono stampare parti adatte a un impiego pratico, come quelle di un modellino radiocomandato o elementi di un pro-

getto meccanico. È un materiale largamente utilizzato soprattutto per la produzione di oggetti duri e resistenti. Il filamento fonde a circa 250 °C prima di poter essere depositato strato su strato, per la produzione di oggetti di qualunque genere, e si trova praticamente in ogni sfumatura di colore. È un materiale riciclabile anche se non particolarmente resistente o flessibile.

L’ACCIAIO

È tra i materiali metallici più utilizzati ed è impiegato nei processi di sinterizzazione o fusione. È di color argento ma può essere rivestito con altri materiali per assumere toni dorati o bronzei. Anche oro e argento sono spesso usati nella stampa 3D per creare particolari gioielli stampati da artisti e artigiani, mentre per chi cerca la resistenza il materiale più usato e consigliato è il titanio.

1.5.3 L’ESTRUSORE DELLA STAMPANTE 3D

L’estrusore è il cuore di una stampante 3D, dal momento che si occupa delle tre fasi fondamentali nel processo di stampa:

1. il passaggio dei polimeri dal serbatoio alla fase di riscaldamento,

2. la fusione dei filamenti attraverso il riscaldatore e 3. la fuoriuscita degli stessi dall’ugello per la fabbricazione dell’oggetto.

L’estrusore, come la testina, è mobile e si muove su e giù, a destra e a sinistra.

Una bobina di filamento viene caricata nella stampante e quindi alimentata alla testa di estrusione, che è dotata di un ugello riscaldato.

Una volta che l’ugello raggiunge la temperatura desiderata, un motore guida il filamento attraverso di esso, fondendolo (➜ Fig. 10).

Filamento

Spessore filamento

Ruota dentata

Cuscinetto

Punto caldo

Motore passo-passo

Corona

Estrusore

Termistore o termocopia

Riscaldatore

Spessore di estrusione

➜ Fig. 10 • Schema di estrusore per stampante 3D.

La stampante grazie a motori passo-passo sposta la testa di estrusione, appoggiando il materiale fuso in punti precisi, dove si raffredda e si solidifica. Al termine di un livello, la piattaforma (o la struttura) di creazione si sposta verso il basso e il processo si ripete fino al completamento della parte. Dopo la stampa, la parte è di solito pronta per l’uso, ma potrebbe richiedere una post-elaborazione, come la rimozione delle strutture di supporto o la levigatura della superficie.

1.5.4 LA STAMPANTE PER CALCESTRUZZO

Una stampante 3D per calcestruzzo (cls) standard funziona in modo molto simile a una stampante FDM standard, in quanto entrambe le tecnologie sono basate sull’estrusione del materiale (➜ Fig. 11).

Il processo inizia con la creazione di un modello 3D digitale, utilizzando un software di modellazione 3D che guida l’estrusore, il quale deposita, a strati, il materiale pompato da una betoniera fino a produrre il pezzo finale.

Una tipica stampante 3D per calcestruzzo è concepita per la produzione additiva dei pezzi tramite estrusione del materiale ed è composta da un braccio robotico con un capo fissato alla testa di stampa e l’altro a una gru o a un sistema a braccio robotico simile a una gru (➜ Fig. 12).

La NASA inoltre sta studiando la possibilità di utilizzare la stampante 3D per calcestruzzo per la costruzione di edifici da adibire a basi spaziali su altri pianeti. Si tratta di inviare sulla superficie del pianeta un robot capace di mescolare i prodotti del suolo al fine di produrre in loco il calcestruzzo e poi estruderlo per la costruzione della base spaziale (➜ Fig. 13).

1.6 Evoluzione della stampa 3D e smart materials

Di norma, una stampante tridimensionale sfrutta un modello 3D disegnato al computer per sviluppare una serie di strati in sezione trasversale, che vengono poi stampati l’uno sopra l’altro per generare l’oggetto fisico. Da alcuni anni le straordinarie funzionalità della stampa 3D hanno trovato terreno fertile un po’ ovunque, dall’ambito medico a quello aerospaziale, favorendo anche la nascita di una comunità sempre più ampia di maker casalinghi.

➜ Fig. 11 • Estrusione di calcestruzzo (cls) per stampante 3D.

➜ Fig. 12 • Stampante 3D per calcestruzzo con braccio robotico a sei assi.

➜ Fig. 13 • Costruzione in calcestruzzo con stampante 3D di una possibile base lunare.

1.6.1 LE EVOLUZIONI DELLA STAMPA 3D

LA STAMPA IN 4D

Per quanto concerne la stampa in 4D, la quarta dimensione è quella del tempo. I progetti realizzati con una stampante 4D hanno infatti la capacità di cambiare forma nel tempo (➜ Fig. 14). In pratica, un oggetto creato in 4D viene stampato come qualsiasi forma realizzata con la tecnologia 3D ma utilizzando materiali avanzati e programmabili, in grado di offrire funzionalità diverse una volta a contatto con acqua calda, luce o calore. Insomma, un oggetto in 4D cambia forma e/o comportamento nel corso del tempo. Un esempio è la valvola termostatica sviluppata da un team di ricercatori australiani, che si apre e si chiude in autonomia in funzione della temperatura dell’acqua che la lambisce.

LA STAMPA IN 5D

Quando si parla di stampa in 5D s’intende una stampante che sfrutta cinque assi diversi, creando così dei prodotti con strutture più complesse e più resistenti rispetto alle precedenti realizzate con la più diffusa stampa 3D. Con un macchinario di questa portata è possibile personalizzare il prodotto in ogni singola parte, creando anche i modelli a forma concava che precedentemente erano difficilmente realizzabili.

1.6.2 SMART MATERIALS

Gli smart materials o materiali intelligenti sono materiali dotati di proprietà che possono essere cambiate e controllate tramite degli stimoli esterni, come una forza esterna, la temperatura, l’umidità, il PH, il campo elettrico o magnetico. Ci sono molti tipi di materiali intelligenti; tra questi c’è il Nitinol, una

lega di nichel e titanio con una percentuale atomica circa uguale dei due elementi, che manifesta un’elevata biocompatibilità. L’effetto memoria di forma del Nitinol lo si può osservare attraverso un grafico ( ➜ Fig. 15): il materiale possiede un lungo tratto a comportamento elastico durante il quale può recuperare la forma originale se si smette di allungarlo. Questa caratteristica lo rende adatto per essere impiegato in strumenti di microchirurgia e chirurgia ortodontica, per attrezzature che realizzano microtagli e strumenti come frese, lime, alesatori ecc.

Solitamente uno stent, un tubicino inserito negli organi cavi come i vasi sanguigni, è realizzato in una lega metallica biocompatibile (acciaio inox, titanio ecc.) e, una volta inserito, si espande contro le pareti gonfiando un palloncino, spesso rischiando di plasticizzarlo.

Uno stent realizzato in Nitinol invece si inserisce nel vaso in forma contratta. La temperatura del corpo lo espanderà in seguito (stent autoespandibili), evitando eventuali plasticizzazioni del materiale (➜ Fig. 16).

Comportamento elastico

Allungamento

Comportamento plastico

➜ Fig. 14 • La stampa 4D è applicata anche al settore delle scarpe sportive che mutano prestazioni a seconda delle sollecitazioni che ricevono.

➜ Fig. 16 • Inserimento di uno stent in Nitinol per il trattamento di una angioplastica coronarica.

➜ Fig. 15

Regione dell’Austenite

Regione della Martensite

Regione di trasformazione

Punto di snervamento

Punto di rottura

Forza

1.7 Realtà virtuale e realtà aumentata

1.7.1 REALTÀ VIRTUALE

La realtà virtuale è la combinazione di dispositivi hardware e software che collaborano tra di loro per creare uno spazio virtuale all’interno del quale l’individuo può muoversi liberamente. L’accesso a questo mondo digitale è reso possibile dai visori VR (Virtual Reality) e dagli accessori, come guanti, scarpe e altro, sviluppati appositamente per interagire e vivere all’interno della realtà virtuale.

In questo modo si crea un mondo simulato e tridimensionale che agli occhi degli utenti appare come reale, all’interno del quale si può esplorare ogni singolo centimetro e spostarsi in ogni direzione. All’utente sarà sufficiente voltare la testa per vedere cosa accade ai suoi lati o sollevarla verso l’alto per vedere la pioggia scendere sulla propria testa. Il visore, e i software che utilizza, tengono traccia dei movimenti della testa così da adattare prospettiva e visuale alla posizione e offrire immagini realistiche.

Per una perfetta immersione nella realtà virtuale servono tre ingredienti (➜ Fig. 17):

■ un visore integrato con un display che avvolge la vista dotato di un sistema audio surround;

■ un computer, una console o uno smartphone;

■ un controller, o altro dispositivo di input, per interagire con questa nuova dimensione.

Il cervello si rende conto che è tutta una finzione, ma i sensi vengono comunque ingannati perché credono a tutto quello che vedono, che sentono e che toccano. La realtà virtuale ha però un effetto negativo sull’individuo, perché se da un lato rappresenta una sorta di evasione dalla quotidianità per ritagliarsi un luogo fantastico ai confini del mondo, dall’altro può creare dipendenza nell’individuo che vi ricorre di frequente.

1.7.2 REALTÀ AUMENTATA

La realtà virtuale e la realtà aumentata sono due cose ben distinte. I termini spesso sono erroneamente utilizzati come sinonimi perché, in entrambi i casi, si utilizzano dei visori, per alcuni versi simili. Mentre le tecnologie e i software utilizzati nella realtà virtuale permettono di immergersi in un mondo digitale che però è completamente scollegato da quello fisico esterno, nella realtà aumentata viene sovrapposto il mondo fisico a quello virtuale, fornendo, a chi usufruisce del servizio, informazioni aggiuntive relative all’ambiente che lo circonda.

I visori per la realtà aumentata sfruttano i loro sensori e la connettività alla rete per dare, ad esempio, le indicazioni su come raggiungere a piedi o in bici la piazza o la stazione ferroviaria che si stava cercando. Sfruttando ologrammi e altre animazioni grafiche, sono in grado di arricchire la realtà, aumentandola appunto, con informazioni altrimenti difficilmente reperibili (➜ Figg. 18, 19).

La realtà aumentata trova larga applicazione anche nella didattica. Molti testi scolastici sono arricchiti da animazioni e contenuti digitali che possono essere fruiti inquadrando con lo smartphone la pagina del testo.

➜ Fig. 17 • Realtà virtuale: simulatore di guida.

➜ Fig. 18 • Realtà aumentata: inquadrando il Colosseo a Roma si ottengono informazioni aggiuntive.

➜ Fig. 19 • Esempio di realtà aumentata nei libri di scuola.

VERIFICA LE CONOSCENZE

1. La sigla IA significa:

a Industria Aerospaziale.

b Intelligenza Artificiale.

c Informatica Aerospaziale.

d Informatica Avanzata.

2. Per machine learning si intende:

a la capacità delle macchine di apprendere per migliorare la propria prestazione.

b lo studio del funzionamento delle apparecchiature industriali.

c il mantenimento dell’efficienza di una macchina attraverso controlli da remoto.

d una forma di robotica collaborativa.

3. L’espressione “Industria 4.0” indica:

a una produzione industriale completamente automatizzata.

b la quarta rivoluzione industriale.

c l’obiettivo nazionale di quadruplicare la produzione industriale.

d l’affiancamento della tecnologia al lavoro umano.

4. La quarta direttrice di sviluppo di Industria 4.0 si occupa di:

a interazione tra uomo e macchina.

b passaggio dal digitale al reale.

c big data

d analisi dei dati.

5. La seconda rivoluzione industriale è stata caratterizzata dall’uso:

a del carbone.

b del vapore.

c del computer.

d del petrolio.

6. La differenza principale tra una stampante 3D e una 2D è:

a la grandezza.

b il peso.

c l’estrusore che sostituisce la testina a inchiostro.

d la velocità di stampa.

Test interattivi

7. Gli smart materials sono materiali:

a estrusi da una stampante 3D.

b con proprietà che reagiscono agli stimoli esterni.

c usati per le apparecchiature informatiche.

d resistenti alla trazione.

8. Per realtà aumentata si intende:

a la percezione di elementi che si aggiungono a quelli della realtà.

b la realtà che si percepisce con un visore.

c la percezione di uno spazio virtuale diverso dalla realtà che ci circonda.

d una tecnica fotografica attraverso smartphone.

9. I cobot sono:

a stampanti 5D.

b robot che collaborano con gli esseri umani per svolgere mansioni pericolose.

c strumenti della realtà virtuale.

d sistemi di comunicazione digitale.

10. Il project manager 4.0 si occupa di:

a introdurre processi innovativi e analizzare big data.

b settare il funzionamento di una macchina.

c analizzare i parametri di una macchina e prevederne i guasti.

d uniformare i processi produttivi alle disposizioni nazionali.

11. L’apprendimento per rinforzo attualmente

è sperimentato:

a nelle chatbot.

b nelle auto senza pilota.

c nei cobot.

d nei controller della realtà virtuale.

12. La stampa 3D è conosciuta anche come:

a manifattura collaborativa.

b produzione di rinforzo.

c manifattura intelligente.

d produzione additiva.

13. Per immergersi nella realtà virtuale servono:

a un computer e uno smartphone.

b un computer, un visore e un controller.

c un visore con sistema audio surround.

d uno smartphone e un controller.

B SICUREZZA SEZIONE

CAPITOLO 2 INDICAZIONI SULLA SICUREZZA DELLA PERSONA E DEI LUOGHI DI LAVORO

VERIFICA LE CONOSCENZE

● Normativa sulla sicurezza

● Applicazione della normativa nel campo della salute umana

● Applicazione della normativa nei laboratori e negli ambienti di lavoro

SVILUPPA LE ABILITÀ

● Gestire le emergenze e rispettare i ruoli

● Sviluppare consapevolezza dei rischi sul luogo di lavoro

● Conoscere le disabilità

● Conoscere rischi e pericoli e sapersi comportare

COSTRUISCI LE COMPETENZE

● Saper utilizzare i DPI

● Conoscere e interpretare la segnaletica di sicurezza

● Saper gestire un incendio con le attrezzature adeguate

● Saper scegliere correttamente le attrezzature per videoterminale MATERIALI

MATERIALI IN AZIONE

Un airbag elettronico

Il D-Air Street è un airbag elettronico per motociclisti, brevettato dall’azienda Dainese, azienda italiana famosa per l’abbigliamento da moto. Si tratta di una tecnologia brevettata pensata per l’uso su strada, senza connessione fisica alla moto. Funziona senza cavi ed è composto da due parti: il M-Kit sulla moto e il J-Kit nella giacca o nel gilet. Il M-Kit raccoglie informazioni attraverso sensori posti sulla moto e le invia alla centralina. Il J-Kit contiene gli airbag veri e propri, insieme a batterie e generatori di gas che li gonfiano. Grazie a sensori e centraline, il sistema riconosce una caduta o un impatto e fa gonfiare l’airbag in meno di 45 millisecondi Protegge zone delicate come schiena, torace, clavicole e collo, riducendo fino al 90% l’impatto rispetto a un paraschiena tradizionale. Questo progetto fa parte degli oltre 3000 progetti di innovazione per organizzazioni pubbliche e private, nazionali e internazionali curati da Cefriel, Il centro di innovazione tecnologico fondato nel 1988 per iniziativa del Politecnico di Milano e che attualmente tra i soci annovera quattro università: Politecnico di Milano, Università degli Studi di Milano, Università degli Studi di Milano-Bicocca e Università degli Studi dell’Insubria.

Indicazioni sulla sicurezza della persona e dei luoghi di lavoro

CI OCCUPEREMO DI...

1. Quadro normativo: sicurezza e salute

2. Segnaletica di sicurezza e di salute sul luogo di lavoro

3. Malattie professionali

4. Dispositivi di protezione individuale (DPI)

2.1 Quadro normativo: sicurezza e salute

2.1.1 NUOVA NORMA:

D.LGS. N. 81 DEL 9 APRILE 2008

La L. n. 123 del 3 agosto 2007 si occupa delle misure relative alla tutela della salute e della sicurezza sul lavoro e delega il Governo al riassetto e a riformare la normativa in materia. Entro nove mesi dalla data di entrata in vigore della legge devono essere emessi uno o più decreti legislativi per il riassetto e la riforma di tutte le vecchie norme vigenti in materia di salute e sicurezza dei lavoratori nei luoghi di lavoro. Ecco quindi che si promulga un Testo Unico (TU), il D.Lgs. n. 81 del 9 aprile 2008, che abroga, sostituisce e raccoglie in un unico testo tutta la precedente disciplina in materia di tutela della salute e sicurezza sul lavoro. È un tomo piuttosto corposo composto da 306 articoli, 13 titoli e 51 allegati (➜ Fig. 1). Un corretto comportamento nei luoghi di lavoro e la conoscenza dei rischi presenti può abbatterli, o almeno ridurli drasticamente, ed evitare incidenti. Soltanto una corretta informazione e formazione dei lavoratori permette loro di tutelare la propria salute. Senza un’opera di prevenzione attraverso strumenti come la valutazione dei rischi,

5. Locali di lavoro e loro caratteristiche

6. Barriere architettoniche

7. Protezione dagli incendi

8. Obblighi e responsabilità nella scuola

9. Utilizzo del videoterminale

i controlli periodici delle attrezzature e il corretto uso delle stesse, possono verificarsi incidenti. Nel migliore dei casi gli incidenti causano danni a cose, mentre nel peggiore dei casi causano danni a persone. Sulla tutela delle condizioni di lavoro, il codice civile prevede l’art. 208, che recita: l’imprenditore è tenuto ad adottare nell’esercizio dell’impresa le misure che, secondo la particolarità del lavoro, l’esperienza e la tecnica, sono necessarie a tutelare l’integrità fisica e la personalità morale dei prestatori di lavoro.

Il D.Lgs. n. 81/2008 si divide in quattro capi, ognuno dei quali si divide in sezioni. Di nostro interesse è il Capo III – Gestione della Prevenzione nei luoghi di lavoro, con le seguenti sezioni:

I – Misure di Tutela e Obblighi;

II – Valutazione dei rischi;

➜ Fig. 1 • D.Lgs. n.81 del 9 aprile 2008.

III – Servizio di Prevenzione e Protezione;

IV – Formazione Informazione e Addestramento;

V – Sorveglianza Sanitaria;

VI – Gestione delle Emergenze;

VII – Consultazione e partecipazione dei RLS;

VIII – Documentazione tecnicoamministrativa e statistiche.

Il D.Lgs. n. 81 del 9 aprile 2008 prevede delle figure chiave per la determinazione e la gestione delle attività pericolose all’interno di una attività lavorativa. Vediamo di seguito alcune definizioni utili.

1. DL (DATORE DI LAVORO = DIRIGENTE SCOLASTICO)

I suoi compiti sono:

■ valutare i rischi aziendali;

■ redigere il documento della sicurezza;

■ programmare le misure di prevenzione e protezione individuando i dispositivi di protezione individuale (DPI) da asse gnare al personale;

■ nominare il responsabile (RSPP) e gli addetti del servizio di prevenzione e protezione;

■ se serve, nominare il medico competente per il controllo sanitario, preventivo e periodico dei lavoratori.

2. DIRIGENTE

È la persona che attua le direttive del datore di lavoro organizzando l’attività lavorativa e vigilando su di essa.

3. SPP (SERVIZIO DI PREVENZIONE E PROTEZIONE)

È l’insieme delle persone, sistemi e mezzi esterni o interni all’azienda finalizzati all’attività di prevenzione e protezione dai rischi professionali per i lavoratori.

4. RSPP (RESPONSABILE DEL SERVIZIO DI PREVENZIONE E PROTEZIONE)

I suoi compiti sono:

■ individuare i fattori di rischio, le misure per la sicurezza e la salubrità degli ambienti di lavoro;

■ coordinare la stesura del Documento di Valutazione dei Rischi (DVR);

■ elaborare e controllare, per quello che può, le misure di prevenzione e protezione;

■ elaborare le procedure di sicurezza delle attività lavorative;

■ partecipare a consultazioni, riunioni e sopralluoghi in materia di tutela della salute e di sicurezza.

5. ASPP (ADDETTO DEL SERVIZIO DI PREVENZIONE E PROTEZIONE)

È presente nelle grandi aziende o che hanno succursali in località diverse, negli istituti scolastici che hanno l’accorpamento di scuole dislocate in altri comuni.

I suoi compiti sono:

■ frequentare un corso di formazione adeguato ai rischi presenti nel proprio ambiente di lavoro;

■ collaborare con l’RSPP e fare parte del Servizio di Prevenzione senza partecipare alla riunione periodica nella quale sono presenti DL, RSPP, MC (se presente), RLS;

■ riferire all’RSPP tutti gli inconvenienti rilevati e suggerire il modo per eliminare i pericoli o per ridurli.

6. RLS (RAPPRESENTANTE DEI LAVORATORI PER LA SICUREZZA)

È il rappresentante dei lavoratori;

i suoi compiti sono:

■ vigilare, partecipare e promuovere tutto ciò che riguarda la sicurezza durante il lavoro;

■ consultare il DVR e il registro infortuni;

■ avere libero accesso a tutti gli ambienti dove si svolgono attività lavorative.

7. MC (MEDICO COMPETENTE)

I suoi compiti sono:

■ effettuare la sorveglianza sanitaria nei casi previsti dalla normativa vigente;

■ collaborare con il datore di lavoro e con il responsabile del servizio di prevenzione e protezione;

■ effettuare gli accertamenti sanitari rivolti ai lavoratori ed esprimere giudizi di idoneità alla mansione;

■ istruire e aggiornare la cartella sanitaria dei lavoratori;

■ fornire informazioni ai lavoratori sul significato e sul risultato degli accertamenti sanitari;

■ collaborare alla preparazione e alla gestione delle procedure di primo soccorso.

8. PREPOSTO

I suoi compiti sono:

■ predisporre il lavoro nell’ambito delle sue competenze e nel rispetto delle norme di prevenzione, di igiene e di sicurezza del lavoro;

■ controllare il buono stato delle attrezzature di lavoro e l’osservanza da parte dei lavoratori delle norme di sicurezza;

■ esigere l’uso dei DPI e degli altri dispositivi di sicurezza e provvedere alla loro sostituzione quando necessario.

9. LAVORATORE

È la persona che, indipendentemente dalla tipologia contrattuale, svolge un’attività lavorativa nell’ambito dell’organizzazione di un datore di lavoro pubblico o privato, con o senza retribuzione, anche solo al fine di apprendere un mestiere, un’arte o una professione; non rientrano in quasta categoria gli addetti ai servizi domestici e familiari.

I suoi compiti sono:

■ osservare le disposizioni e le istruzioni aziendali;

■ impiegare correttamente i macchinari, le attrezzature, gli utensili, le sostanze e i preparati pericolosi, i mezzi di trasporto, nonché i dispositivi di sicurezza e utilizzare in modo appropriato i DPI.

In particolare, il lavoratore:

■ non deve rimuovere o modificare senza autorizzazione i dispositivi di sicurezza, di segnalazione o di controllo;

■ non deve compiere di propria iniziativa operazioni o manovre che non siano di sua competenza e che possono compromettere la sicurezza sua e degli altri;

■ deve segnalare immediatamente al datore di lavoro o al preposto le deficienze dei mezzi e dei dispositivi di sicurezza, le condizioni di pericolo di cui è a conoscenza e intervenire in caso di urgenza, nell’ambito delle proprie competenze e possibilità, per eliminare o ridurre tali deficienze o pericoli.

10.

STUDENTE (EQUIPARATO A LAVORATORE)

È l’allievo degli istituti di istruzione nei quali si utilizzino laboratori, attrezzature di lavoro in genere, agenti chimici, fisici e biologici, comprese le apparecchiature fornite di videoterminali. Appartiene a questa categoria anche l’allievo che beneficia di momenti di alternanza scuola lavoro o che beneficia di momenti che agevolano le scelte professionali tramite la conoscenza diretta del mondo del lavoro.

SERVIZIO DI PROTEZIONE E PREVENZIONE

Datore di Lavoro (Dirigente Scolastico)

Responsabile servizio

Prevenzione e Protezione (RSPP)

Addetti al servizo

Prevenzione e Protezione (ASSP)

Preposti (insegnanti)

Squadre di emergenza

Medico Competente (se previsto)

Addetti antincendio emergenza

Addetti al primo soccorso (personale ATA)

Rappresentante dei Lavoratori per la Sicurezza (RLS)

Lavoratori dipendenti (studenti)

SCHEMA 1

ORGANIGRAMMA DELLA SICUREZZA

2.2 Segnaletica di sicurezza e di salute sul luogo di lavoro

2.2.1 LA SEGNALETICA DI SICUREZZA

La segnaletica di sicurezza nasce dalla necessità di trasmettere informazioni di tutela della persona utilizzando pochi testi facili da capire. Ecco allora che esperti di tutto il mondo coordinati dall’ISO e tenendo conto delle differenti culture, hanno normato molti segni grafici con il più alto grado di comprensione. A partire dal 2012 sono stati codificati nuovi segni grafici sulla sicurezza, comprensibili da chiunque indipendentemente dalla lingua parlata dal destinatario. Di seguito mettiamo a confronto alcuni esempi di segnaletica secondo il D.Lgs. n. 81/2008 e la norma UNI EN ISO 7010:2012.

Segnali di avvertimento: i segnali di pericolo sono triangolari con pittogramma di colore nero su fondo giallo, e informano il lavoratore della presenza di un pericolo, come carichi sospesi, alta tensione, pericolo generico, movimento carrelli elevatori ecc.

Segnali di prescrizione o obbligo: i segnali di prescrizione o obbligo sono rotondi con pittogramma di colore bianco su fondo azzurro, e informano il lavoratore che deve rispettare un certo compor-

tamento, come l’obbligo di calzare scarpe di sicurezza, l’obbligo di indossare i guanti, l’obbligo di usare la maschera o l’obbligo di indossare l’elmetto o casco ecc.

Segnali di divieto: i segnali di divieto sono di forma rotonda con pittogramma di colore nero su fondo bianco, con bordo e banda che va da sinistra a destra verso il basso ed è inclinata di 45°. Il bordo e la banda sono entrambi di colore rosso e coprono almeno il 35% della superficie dell’intero cartello. Possono indicare, per esempio, il divieto al movimento dei carrelli elevatori, il divieto di bere acqua non potabile, il divieto di transito ai pedoni, il divieto di usare fiamme libere ecc.

2.2.2 LA SEGNALETICA DI SALVATAGGIO ANTINCENDIO

I segnali di salvataggio o di soccorso danno indicazioni sulle uscite di sicurezza o sui mezzi di soccorso o di salvataggio. La segnaletica antincendio serve a identificare e a indicare la posizione dei materiali e delle attrezzature antincendio in modo da poterli vedere da lontano. Esistono anche specifici segnali di informazione che indicano il comportamento che va osservato da lavoratori e da altre persone presenti in caso di incendio. Di seguito sono messi a confronto alcuni esempi di segnaletica secondo norma UNI EN ISO 7010:2012 e D.Lgs. n. 81/2008.

Segnali di soccorso, di salvataggio o di sicurezza: i segnali di soccorso, di salvataggio o di sicurezza sono quadrati o rettangolari con pittogramma di colore bianco su fondo verde. Indicano i presidi di pronto soccorso, telefono per salvataggio e pronto soccorso, le uscite di sicurezza, la barella di pronto soccorso ecc.

Segnali per attrezzature antincendio: i segnali per attrezzature antincendio sono di forma quadrata con pittogramma di colore bianco su fondo rosso. Indicano dove si trovano o la direzione verso le attrezzature o i dispositivi antincendio, l’estintore, l’idrante antincendio, il telefono interventi antincendio, la scala antincendio ecc.

2.2.3 CLASSIFICAZIONE, ETICHETTATURA E IMBALLAGGIO DELLE SOSTANZE

E DELLE MISCELE

Nel 2009 il regolamento CLP (classificazione, etichettatura e imballaggio) ha messo a punto nuovi pittogrammi, in un riquadro rosso e a forma di rombo, che sostituiscono gradualmente i tradizionali simboli di pericolo arancioni. Nei posti di lavoro le sostanze

chimiche sono utilizzate all’interno di prodotti per la pulizia, vernici e altro. Sulle etichette i pittogrammi sono accompagnati da avvertenze, indicazioni di pericolo e consigli di prudenza, oltre che da informazioni sul prodotto e sul fornitore (➜ Tab. 1).

COMBURENTI: sostanze che si comportano da ossidanti rispetto alla maggior parte delle altre sostanze o che liberano facilmente ossigeno atomico o molecolare facilitando l’incendiarsi di sostanze combustibili.

CORROSIVI: prodotti chimici che causano la distruzione di tessuti viventi e/o materiali inerti.

IRRITANTE: sostanze o preparazioni non corrosive che, al contatto immediato, prolungato o ripetuto con la pelle o le mucose possono espletare un’azione irritante.

ESTREMAMENTE TOSSICO (O VELENOSO): sostanze o preparazioni che, per inalazione, ingestione o assorbimento attraverso la pelle, provocano danni estremamente gravi, acuti o cronici, e facilmente la morte.

PERICOLOSO PER L’AMBIENTE: il contatto dell’ambiente con queste sostanze o preparazioni può provocare danni all’ecosistema a corto o a lungo periodo.

INFIAMMABILI: sostanze e preparati i cui gas e vapori formano in aria miscele esplosive e/o facilmente infiammabili in presenza di innesco (punto di infiammabilità < 21 °C).

TOSSICO: sostanze o preparazioni che, per inalazione, ingestione o penetrazione nella pelle, possono implicare danni gravi, acuti o cronici, e anche la morte.

➜ Tab. 1 • Pittogrammi secondo il regolamento CLP 2009.

Ossigeno

Nitrato di potassio

Perossido di idrogeno

Acido cloridrico

Acido fluoridrico

Cloruro di calcio

Carbonato di sodio

Cianuro

Nicotina

Acido fluoridrico

Fosforo

Cianuro di potassio

Nicotina

Benzene

Etanolo

Idrogeno

Acetilene

Cloruro di bario

Monossido di carbonio

Metanolo

Trifluoruro di boro

2.3 Malattie professionali

Le malattie professionali o tecnopatie sono alterazioni funzionali o anatomiche dell’organismo che si manifestano come effetto dell’esposizione a fattori di rischio durante lo svolgimento del lavoro.

Ipoacusia: indebolimento del senso dell’udito a causa di prolungate esposizioni e rumore.

Malattie osteoarticolari: danni ad articolazioni e ossa a causa di vibrazioni.

Cataratta all’occhio: perdita di trasparenza del cristallino quando è colpito da energia raggiante.

Silicosi: alterazione dei polmoni da polvere di silicio inalata; colpisce i lavoratori del vetro, del marmo e i minatori.

Asbestosi: alterazione dei polmoni da polvere di amianto inalata; colpisce i minatori delle miniere di amianto e i lavoratori che trattano tale materiale in fibre.

Antracosi: alterazione dei polmoni da polvere di carbone inalata; colpisce i minatori delle miniere di carbone, i lavoratori di fonderie e acciaierie.

Bissinosi: alterazione dei polmoni da fibre di cotone inalate.

Siderosi: colorazione bruna della pelle e degli organi interni del corpo per assunzione eccessiva di sali di ferro.

Stannosi: intossicazione da stagno.

Alluminosi; alterazione dei polmoni da prolungata inalazione di polvere di alluminio.

Saturnismo: intossicazione cronica da piombo che si manifesta con disturbi intestinali e orletto gengivale grigio-bluastro.

Malattie da radiazioni: possono interessare un po’ tutti gli organi causando necrosi dei tessuti, neoplasie, sterilità, alterazioni cromosomiche, fratture spontanee ecc.

96 • asma bronchiale

205 • malattie cutanee

263 • tumore dei bronchi e del polmone

281 • silicosi, asbestosi

755 • malattie osteoarticolari

1783 • ipoacusia e sordità

7136 • disturbi muscolari e tendiniti

➜ Tab. 2 • Distribuzione delle malattie professionali nell’industria e nei servizi - anno 2017. (fonte: INAIL).

2.4 Dispositivi di protezione individuale (DPI)

2.4.1 PROTEZIONE DEL CAPO

La testa va protetta contro il sole, le intemperie e soprattutto contro gli urti. Per questo scopo esistono: il casco di protezione per l’industria, così come caschi per miniere, per cantieri di lavori pubblici, il copricapo leggero per proteggere il cuoio capelluto come cuffie, retine con o senza visiera, il copricapo di protezione come cappelli di tela cerata, berretti. Il casco o elmetto rappresenta un ottimo metodo di protezione. Va tenuto sempre allacciato e regolato e deve adattarsi perfettamente alla testa, altrimenti perde di efficacia, deve essere sicuro e confortevole.

2.4.2 OTOPROTETTORI

Le cuffie hanno il compito di proteggere il lavoratore dal rumore e dal danno che questo può provocare sull’apparato uditivo e nell’intero organismo. Si tratta di palline e tappi o inserti auricolari per gli orecchi, caschi comprendenti l’apparato auricolare, cuscinetti adattabili ai caschi di protezione per l’industria, cuffie con attacco per ricezione a bassa frequenza, dispositivi di protezione contro il rumore con apparecchiature di intercomunicazione.

2.4.3 PROTEZIONE DEI PIEDI

Le scarpe e gli stivali servono per proteggere gli arti dalla caduta di pesi, da materiale incandescente, da liquidi, da rischio di scivolamento, dal calore, dal freddo, dalle vibrazioni e da agenti chimici. Esistono scarpe basse, scarponi, tronchetti, stivali di sicurezza, scarpe a slacciamento o sganciamento rapido, scarpe con protezione supplementare della punta del piede, scarpe e soprascarpe con suola anticalore, scarpe o stivali e soprastivali di protezione contro il calore e il freddo o le vibrazioni, scarpe o stivali e soprastivali di protezione antistatici o isolanti, stivali di protezione contro le catene delle trance meccaniche, zoccoli, ghette, ginocchiere, dispositivi di protezione amovibili del collo del piede, suole amovibili anticalore o antiperforazione o antitraspirazione, ramponi amovibili per ghiaccio, neve e terreno sdrucciolevole.

2.4.4 PROTEZIONE DEGLI OCCHI E DEL VISO

Gli occhiali e le maschere o visiere servono per proteggere gli occhi e il viso da schegge, frammenti di materiale anche incandescente, spruzzi di liquidi ecc. Per questo scopo esistono occhiali a stanghette, a maschera, contro i raggi X, i raggi laser, le radiazioni ultraviolette, infrarosse, o visibili, schermi facciali, maschere e caschi per la saldatura ad arco. In quest’ultima attività il lavoratore trova indispensabile l’uso degli occhiali o della maschera, perché

si abbaglia gli occhi, mentre non è indispensabile in lavorazioni come nella sabbiatura, nella molatura, ai bagni galvanici, sottovalutando però la necessità di proteggersi occhi e viso.

2.4.5 PROTEZIONE DELLE VIE RESPIRATORIE

Nell’ambiente di lavoro l’aria può essere inquinata da contaminanti prodotti nelle lavorazioni di verniciatura, molatura, sabbiatura, e da presenza di polveri di metalli tossici, di silice, evaporazione di solventi ecc. Per scegliere il giusto DPI è quindi importante conoscere la differenza tra polveri, fumi, nebbie, vapori e gas.

2.4.6

PROTEZIONE DELLE MANI

I guanti sono DPI che servono a evitare lesioni dovute ad agenti chimici come gli acidi, ad agenti fisici come il calore, ad agenti meccanici come gli oggetti taglienti e ad agenti biologici come i virus e i batteri. Esistono guanti contro le aggressioni meccaniche come perforazioni, tagli, vibrazioni, guanti contro le aggressioni chimiche, guanti per elettricisti, guanti antitermici, a secco, a mezze dita, manicotti, fasce di protezione dei polsi, manopole. Prima di indossare guanti, manopole o altro si usa spesso spalmarsi sulle mani una crema barriera o indossare un sottoguanto di cotone per evitare allergie cutanee. In alcuni casi si possono utilizzare solo le creme barriera con durata di 3-4 ore.

2.5

Locali di lavoro e loro caratteristiche

È molto importante che il locale di lavoro, ossia il luogo dove un lavoratore passa molte ore della propria giornata, sia in condizioni di confort, anche in funzione di una buona produttività. Ecco allora che l’altezza, la cubatura, la superficie, il microclima, l’illuminazione, la ventilazione e l’isolamento acustico dei locali chiusi destinati al lavoro nelle aziende sono caratteristiche molto importanti (➜ Fig. 2):

■ l’altezza netta non deve essere inferiore a 3 m, negli uffici con deroga l’altezza minima è di 2,7 m;

■ il volume lordo d’aria a disposizione di ogni singolo lavoratore non deve essere inferiore a 10 m3;

■ ogni lavoratore occupato in ciascun ambiente deve disporre di una superficie lorda di almeno 2 m2

Il volume e la superficie lordi s’intendono comprensivi del volume dei mobili, delle macchine e degli impianti.

cubatura

uscita illuminazione

Temperatura effettiva

Benessere Disagio

48 °C < T < 21 °C in inverno

21 °C < T < 26 °C in estate

< 18 °C e > 26 °C

Umidità relativa 40% ÷ 60% < 40% e > 60%

Illuminazione 100 ÷ 1000 Lux < 50 Lux

Vibrazioni < 1 ciclo al secondo > 1 ciclo al secondo

Spazio Maggiore del volume di un cilindro normale al suolo di raggio R = 0,5 m e altezza H = 2,7 m

Minore del volume di un cilindro normale al suolo di raggio R = 0,5 m e altezza H = 2,7 m

➜ Tab. 3 • Valori indicativi di benessere e di disagio relativi ad alcuni fattori presenti negli ambienti di lavoro.

TEMPERATURA COMPRESA TRA 18 E 26 °C

■ L’umidità relativa deve essere prossima al 50% senza nebbie e condense.

nestra passaggi

coibentazione

super cie e pavimenti

altezza

uscita

■ Le finestre, i lucernari e le pareti vetrate dotate di schermi di protezione e isolamento per evitare un soleggiamento eccessivo.

■ Le superfici calde o fredde vanno isolate o schermate.

■ Occorre controllare le correnti di aria fredda e calda che investono le persone.

■ La temperatura dei locali di riposo, servizi igienici, mense e pronto soccorso deve essere compresa tra 20 e 23 °C.

➜ Fig. 2 • Locale di lavoro.

2.5.1 MICROCLIMA

TEMPERATURA SUPERIORE AI 26 °C

■ L’umidità relativa dell’aria deve essere inferiore al 60%.

■ Deve essere garantita la circolazione di aria fresca nelle postazioni di lavoro particolarmente calde.

■ La durata di esposizione dei lavoratori in ambienti caldi deve essere limitata.

■ Devono essere previste visite mediche periodiche per i lavoratori esposti alle alte temperature.

■ Devono essere previsti periodi di riposo in locali con temperature miti.

TEMPERATURA INFERIORE AI 18 °C

■ I lavoratori devono essere dotati di indumenti idonei per la protezione dal freddo.

■ Devono essere previsti periodi di riposo in locali con temperature miti.

VENTILAZIONE

■ La ventilazione nei locali di lavoro deve essere di almeno 30 m3 d’aria per persona al giorno.

■ La ventilazione nei servizi igienici privi di aperture verso l’esterno deve essere di almeno 6 m3 d’aria per persona al giorno se l’aspirazione è continua, o di almeno 12 m3 d’aria per persona al giorno se l’aspirazione è discontinua.

ILLUMINAZIONE

■ I locali di deposito di materiali grossolani hanno una illuminazione non inferiore a 20 Lux (il Lux è l’illuminazione su 1 m2 dovuta al flusso di una candela internazionale).

■ Gli ambienti per lavori grossolani hanno una illuminazione non inferiore a 40 Lux.

■ Gli ambienti per lavori di media finezza devono possedere illuminazione non inferiore a 100 Lux.

■ Gli ambienti per lavori fini devono possedere illuminazione non inferiore a 200 Lux.

■ Gli ambienti per lavori finissimi devono possedere illuminazione non inferiore a 300 Lux.

2.5.2 RUMORE

VALORI LIMITE DI ESPOSIZIONE E VALORI DI AZIONE

I valori limite di esposizione e i valori di azione, in relazione al livello di esposizione giornaliera (Lex) al rumore sono riportati in ➜ Tab. 4:

Valore limite di esposizione = 87 dB (A)

Lex > 87 dB (A) o in presenza di forti rumori impulsivi. Per quanto riguarda la pressione acustica istantanea il limite è 140 dB (A)

Emergenza rumore “limite di esposizione”, adozione di misure immediate per riportare l’esposizione al di sotto dei valori limite di esposizione, individuazione delle cause dell’esposizione eccessiva, modifica delle misure di protezione e di prevenzione per evitare che la situazione si ripeta.

Valore superiore di azione = 85 dB (A)

85 dB (A) < Lex < 87 dB (A)

Scatta un vero e proprio allarme detto “valore superiore di azione” con obbligo di usare i DPI, sorveglianza sanitaria, segnaletica per l’accesso a luoghi con Lex > 85 dB (A), programmazione di misure tecniche e organizzative.

Valore inferiore di azione = 80 dB (A)

80 dB (A) < Lex < 85 dB (A)

Corrisponde a una fascia di preallarme con obbligo di informazione, fornitura del DPI, controllo sanitario, programmazione di misure tecniche e organizzative.

➜ Tab. 4 • Valori limite di esposizione e valori di azione (art. 189).

2.6 Barriere architettoniche

2.6.1 CHE COSA SONO

Molte persone con ridotte capacità motorie, visive o uditive, sono ancora in parte discriminate perché un gradino, una porta stretta o un marciapiede, negli edifici pubblici e privati impediscono loro di vivere e muoversi in modo adeguato e di usufruire di spazi attrezzati e spazi a verde. Con il termine barriere architettoniche si indicano quindi tutti gli ostacoli che non permettono la completa mobilità alle persone temporaneamente o permanentemente in condizioni limitate di movimento. Pensiamo a persone che si muovono con la sedia a rotelle, a genitori con passeggini, a persone obese, ad anziani con difficoltà di deambulazione, a persone con gambe o piedi fratturati e ingessati, a persone che, per problemi alla colonna vertebrale, utilizzano un trolley per portare con sé oggetti di uso quotidiano.

La normativa italiana ha affrontato seriamente il tema delle barriere architettoniche con una serie di leggi e decreti a partire dall’anno 1989, anche se l’argomento era già noto dalla Conferenza internazionale di Stresa, nel giugno del 1965.

La legge n. 13/89 è fondamentale soprattutto per i principi che pone, perché introduce i concetti di accessibilità , adattabilità e visitabilità ( ➜ Fig. 3 );

➜ Fig. 3 • Simbolo internazionale di accessibilità.

➜ Fig. 4 • Messa in atto di misure specifiche per persone con disabilità.

tali principi saranno garantiti con il successivo regolamento ossia con il DM 14 giugno 1989, n. 236, “Prescrizioni tecniche necessarie a garantire l’accessibilità, l’adattabilità e la visitabilità degli edifici privati e di edilizia residenziale pubblica sovvenzionata e agevolata, ai fini del superamento e dell’eliminazione delle barriere architettoniche” (➜ Fig. 4).

L’accessibilità, la visitabilità e l’adattabilità, pertanto, devono essere viste come una caratteristica propria dell’edificio e non solo come un’esigenza di persone con handicap (➜ Fig. 5).

➜ Fig. 5 • Nel palazzo del Reichstag (il Parlamento di Berlino), i camminamenti sono percorribili anche da carrozzine, passeggini o sedie a rotelle.

2.6.2 I TRE LIVELLI DI QUALITÀ

DI FRUIZIONE DEGLI EDIFICI

Accessibilità : è la possibilità, per chi ha ridotte capacità motorie, di raggiungere un edificio e le sue singole unità immobiliari, entrandovi agevolmente e potendo fruire in modo totale e autonomo del proprio alloggio (➜ Fig. 6).

Visitabilità: è la possibilità di consentire al disabile di accedere a ogni alloggio, ai suoi spazi di relazione (soggiorno, pranzo, luoghi di lavoro) e a un servizio igienico attraverso un percorso agevolmente fruibile (➜ Fig. 7).

Adattabilità: è la possibilità di permettere, all’eventuale disabile, in futuro, di rendere il proprio alloggio completamente e agevolmente fruibile a costi contenuti (➜ Fig. 8).

➜ Fig. 6 • Esempio di superamento di una barriera architettonica costituita da una gradinata.

➜

Fig. 7 • Servizi igienici attrezzati per persone con handicap.

➜ Fig. 8 • Sedie e poltroncine mobili per scale per persone con handicap.

MATERIALI DIGITALI

Materiali:

PROPRIETÀ E PROVE

CAPITOLO 3 PROPRIETÀ DEI MATERIALI

CAPITOLO 4 PROVE SUI MATERIALI

VERIFICA LE CONOSCENZE

● Reticoli dei metalli e loro significato

● Proprietà dei materiali

● Materiali e loro sollecitazioni

● Lavorabilità dei materiali

● Prove distruttive e non distruttive

● Proprietà magnetiche dei materiali SVILUPPA LE ABILITÀ

● Conoscere le norme a cui rispondono i materiali

● Conoscere il tempo di degradazione dei materiali

● Spiegare che i materiali sono soggetti a rottura

● Descrivere come possono essere lavorati i materiali

● Riconoscere una frattura fragile da una duttile

COSTRUISCI LE COMPETENZE

● Scegliere un materiale in base alle sue proprietà

● Analizzare la resistenza meccanica di una struttura

● Saper impiegare un materiale in base alla temperatura di esercizio

● Saper combinare a due a due i controlli non distruttivi

● Saper valutare il campo di applicazione di un materiale

MATERIALI IN AZIONE

Alternative alle terre rare

Le terre rare sono un gruppo di 17 elementi chimici metallici fondamentali per la produzione di batterie, motori elettrici, schermi TV e tante altre tecnologie moderne. Non solo. Servono anche per l’aerospazio, la medicina, la difesa e le energie rinnovabili. La loro domanda nel mondo cresce sempre di più, ma il processo di estrazione e lavorazione del minerale puro è molto inquinante. Per questo nel 2024 è nata RARA Factory, una fondazione legata all’Università Ca’ Foscari di Venezia. Il suo obiettivo è cercare soluzioni più sostenibili e meno dannose per l’ambiente. Il laboratorio è stato inaugurato ufficialmente il 17 luglio 2025 presso Parco Scientifico Tecnologico VEGA di Marghera. È dotato di sistemi di calcolo avanzato e modello IA proprietario per progettare nuovi materiali, e di strumenti per la sintesi e la caratterizzazione rapida delle leghe. Fondamentale per il progetto è un algoritmo brevettato, che consente di individuare materiali alternativi alle terre rare usando elementi abbondanti come silicio, ferro, alluminio, calcio che combinati insieme possono dare vita a nuove leghe o compositi con prestazioni equivalenti o superiori ma con un impatto ambientale molto minore.

EDUCAZIONE CIVICA

proprietà dei materiali 3

CI OCCUPEREMO DI...

1. Che cos’è la tecnologia meccanica

2. Le norme UNI

3. Le principali caratteristiche dei materiali

4. Proprietà chimico-strutturali

3.1 Che cos’è la tecnologia meccanica

Il termine tecnologia deriva dalla combinazione di due termini appartenenti alla lingua greca antica:

– téchne, che significa arte (e cioè ogni attività umana che si compie con l’ingegno, secondo regole precise dettate dall’esperienza e dallo studio);

– lògos, che significa discorso.

Pertanto il significato del termine tecnologia è letteralmente discorso su un’arte. Per quello che ci riguarda:

la tecnologia è lo studio dei procedimenti e delle attrezzature necessarie per la trasformazione di una determinata materia prima in un prodotto industriale.

In ogni ramo della tecnica esiste una specifica tecnologia: tessile, chimica, elettronica e così via, fino a giungere alla tecnologia meccanica, sulla quale si basa la maggior parte delle altre tecnologie.

Essa infatti si occupa della realizzazione di un oggetto, partendo dalla materia prima e passando attraverso i vari processi che porteranno al manufatto finale (➜ Fig. 1). I materiali necessari per le costruzioni non si trovano in natura già pronti a soddisfare le esigenze e i bisogni dei produttori, ma si ricavano dai minerali che li contengono.

Una volta estratti, questi minerali vengono manipolati per ottenere il grezzo di lavorazione, che sarà sbozzato nel modo più opportuno per rendere più

5. Proprietà fisiche

5. Proprietà fisiche

6. Proprietà meccaniche

6. Proprietà meccaniche

7. Proprietà tecnologiche

7. Proprietà tecnologiche

facili e meno costose le lavorazioni necessarie a ottenere il prodotto finito.

Ecco quindi che è necessario conoscere anzitutto i materiali e le loro proprietà, ma anche gli utensili e le macchine per la loro lavorazione, e gli strumenti necessari per i controlli di misura e di qualità durante e alla fine della realizzazione del pezzo.

È necessario studiare come produrre, fondere, fucinare, stampare e laminare i materiali impiegati nell’industria: tutto ciò è oggetto di studio della tecnologia meccanica.

➜ Fig. 1 • Gli ingranaggi di un comune orologio meccanico sono un semplice esempio della tecnologia che ci circonda.

Technology

It is the collection of techniques, skills, methods and processes used in the production of goods or services or in the accomplishment of objectives, such as scientific investigation. Technology can be the knowledge of techniques, processes, and the like, or it can be embedded in machines which can be operated without detailed knowledge of their workings.

VERSO IL CLIL

CAPITOLO

3.2 Le norme UNI

Il linguaggio permette di comunicare e quindi di scambiare informazioni. Perché un linguaggio sia efficace deve rispettare i concetti di universalità e di precisione: l’universalità permette al linguaggio di essere compreso da un maggior numero di persone, mentre la precisione permette di evitare equivoci sul significato delle sue espressioni. Nell’industria il problema di un linguaggio preciso e universale era ed è molto sentito, perché esso permette di rendere compatibili tra loro i vari manufatti, anche se costruiti da ditte e da nazioni diverse. Per soddisfare tali esigenze sono stati fondati a livello internazionale il CEN (Comitato Europeo Normazione) e la ISO (International Standardizing Organization), due enti che hanno il compito di coordinare e divulgare normative che servono da guida alle industrie europee e mondiali, le quali possono anche proporre aggiornamenti e modifiche delle norme stesse. Oltre a questi enti esistono anche enti nazionali, che fanno loro riferimento; in Italia è stato istituito l’UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione).

Anche in campo tecnologico esistono norme specifiche alle quali si farà riferimento nello svolgimento degli argomenti trattati. Con la realizzazione dell’Unione europea si è presentata la necessità di armonizzare le norme esistenti nei vari stati membri che trattavano pari argomento, quindi sono nate le Norme Europee EN. Il lavoro di armonizzazione delle norme

1

Proprietà chimico-strutturali

Tipi di reticolo

Capacità di formare leghe

Tossicità

Resistenza alla corrosione

Importanti per l’impiego e per la lavorazione dei materiali

è lungo e tuttora in corso, pertanto è normale trovare norme UNI ritirate perché sostituite da quelle armonizzate EN ISO. Un esempio di designazione di una norma armonizzata è EN UNI ISO 6507-1/2015. La sigla indica che la norma è internazionale, valida in Italia e in Europa, redatta nell’anno 2015.

3.3 Le principali caratteristiche dei materiali

Ogni materiale possiede proprietà e caratteristiche proprie.

In sede di progettazione di un organo meccanico (o di un oggetto qualsivoglia) è importante sapere, per esempio, se nel processo produttivo il materiale utilizzato:

– deve essere lavorato alle macchine utensili;

– è esposto o meno ad ambienti aggressivi;

– deve subire trattamenti termici;

– è lavorato per deformazione plastica;

– è sensibile o meno al campo elettrico.

La conoscenza delle proprietà dei materiali permette quindi di sceglierli in modo idoneo, sulla base delle applicazioni e delle lavorazioni. Tra le più importanti proprietà ci sono:

– le proprietà chimico-strutturali;

– le proprietà fisiche;

– le proprietà meccaniche;

– le proprietà tecnologiche.

PROPRIETÀ DEI MATERIALI

Proprietà fisiche

Massa volumica e densità

Dilatazione termica

Capacità termica massica

Temperatura di fusione

Caratteristiche elettriche

Importanti per l’impiego dei materiali

Proprietà meccaniche

Durezza

Resilienza

Usura

Resistenza meccanica

Tenacità

Elasticità

Importanti per la resistenza alle forze e alle deformazioni dei materiali

Proprietà tecnologiche

Duttilità o trafilabilità

Estrudibilità

Malleabilità

Piegabilità

Imbutibilità

Importanti per la lavorazione dei materiali

SCHEMA

SCHEMA 1

3.4 Proprietà chimico-strutturali

Sono quelle proprietà che riguardano la struttura interna, ossia la distribuzione degli atomi, dalla quale dipendono le proprietà tecnologiche e meccaniche. Tra le proprietà chimiche ci sono la resistenza alla corrosione (che rappresenta l’interazione di un materiale con l’ambiente che lo circonda), la capacità di formare leghe, la tossicità.

Per una buona conoscenza del comportamento di un materiale dal punto di vista chimico, fisico, meccanico e tecnologico è necessario conoscere la sua composizione atomica e la sua struttura molecolare allo stato solido.

3.4.1 LEGAME METALLICO

Gli atomi sono legati tra loro da legami metallici, generati da uno o più elettroni che si allontanano spontaneamente dagli strati più esterni (orbitali periferici) degli atomi metallici. Quindi gli atomi metallici diventano ioni positivi e gli elettroni liberi generano una nuvola elettronica di ioni negativi vaganti nello spazio tra gli ioni positivi metallici. Gli ioni positivi metallici hanno cariche dello stesso segno e quindi tendono a respingersi, ma la nuvola elettronica provvede alla loro coesione mantenendoli in posizioni ben precise nello spazio (➜ Fig. 2).

ioni positivi nuvola elettronica negativa

➜ Fig. 2 • Legame metallico.

3.4.2 CELLA ELEMENTARE E CRISTALLO

La cella elementare è il più piccolo parallelepipedo o prisma che mantiene tutte le caratteristiche di simmetria del cristallo (se ne possono vedere alcune in ➜ Fig. 3). Un cristallo o reticolo cristallino, di dimensioni fissate a piacere, è l’insieme di tante celle elementari, tutte con la stessa orientazione (➜ Fig. 4).

3.4.3 TIPI DI RETICOLO

Comunemente si definisce solido un corpo materiale che ha forma e volume propri. Dal punto di vista fisico si considerano solidi i corpi materiali formati da cristalli e da microcristalli.

I cristalli si presentano esternamente con facce piane e angoli diedri, di solito disposti in modo più o meno regolare. Quando si sfaldano lo fanno generalmente rompendosi di netto, parallelamente alle facce del cristallo. Infatti se, per esempio, percuotiamo con un martello un cubo di sale da cucina (cloruro di sodio), otteniamo un insieme di piccoli cubi o di prismi ortogonali. Possiamo considerare un cristallo come un “disegno” nello spazio ottenuto ripetendo più volte uno stesso “motivo”.

Il fisico e cristallografo francese Auguste Bravais (1811-1863) ha dimostrato che tutti i cristalli si possono classificare secondo 14 reticoli elementari riducibili a 7 gruppi, che costituiscono i sistemi cristallini

Tutta l’infinita varietà di cristalli si ottiene sostituendo ai punti (le palline verdi in figura 3) di questi 14 reticoli dei “motivi” simmetrici o no, come atomi, ioni, molecole o un loro insieme.

Le celle elementari più frequenti sono quella cubica e quella esagonale

➜ Fig. 3 • Rappresentazione grafica delle celle

➜ Fig. 4 • Cristallo o reticolo cristallino.

Un reticolo CFC è duttile, malleabile e meglio deformabile di un reticolo CCC, che è invece più duro e meno deformabile. Il reticolo EC risulta molto fragile. Per fare una pentola si usa un materiale CFC, mentre per fare la carrozzeria di una vettura si usa un acciaio CCC.

La cella cubica a corpo centrato CCC in ➜ Fig. 5 contiene 9 “motivi” (atomi) di cui 1 atomo centrale che appartiene tutto alla cella, mentre gli 8 ai vertici partecipano solo per 1/8 all’occupazione della cella stessa nel reticolo del cristallo; quindi: 8 · 1/8 ai vertici + 1 al centro del cubo = = 1 + 1 = 2 atomi

La cella cubica a facce centrate CFC in ➜ Fig. 6 contiene 14 “motivi” (atomi) di cui gli 8 ai ver-

➜ Fig. 5 • Cella unitaria CCC: (a) modello puntiforme; (b) sezione del modello a sfere rigide; (c) modello a sfere rigide.

➜ Fig. 6 • Cella unitaria CFC:

(a) modello puntiforme; (b) sezione del modello a sfere rigide; (c) modello a sfere rigide.

Bario

➜ Fig. 7 • Cella unitaria EC: (a) modello puntiforme; (b) modello a sfere rigide.

tici partecipano solo per 1/8 all’occupazione della cella, mentre i 6 al centro delle sei facce del cubo partecipano solo per 1/2 all’occupazione della cella; quindi:

8 · 1/8 ai vertici + 6 · 1/2 al centro delle facce = = 1 + 3 = 4 atomi

La cella esagonale compatta EC in ➜ Fig. 7 contiene 17 “motivi” (atomi) di cui i 12 atomi ai vertici partecipano solo per 1/6 all’occupazione della cella, i 2 al centro delle basi partecipano solo per 1/2 all’occupazione della cella, mentre i 3 atomi disposti a triangolo equilatero a metà altezza partecipano per intero alla cella; quindi:

12 · 1/6 ai vertici + 2 · 1/2 al centro delle basi + 3 a metà altezza = 2 + 1 + 3 = 6 atomi

Calcio > 450 °C

Cromo

Ferro α

Manganese < 700 °C

Molibdeno

Niobio

Sodio

Tantalio

Titanio > 882 °C

Wolframio

Vanadio

➜ Tab. 1 • Reticoli di alcuni

Alluminio

Argento

Calcio < 450 °C

Cerio

Cobalto > 400 °C

Ferro γ

Manganese < 1140 °C

Nichel

Oro

Palladio

Piombo

Platino

Rame

Berillio

Cadmio

Cobalto < 400 °C

Magnesio

Titanio

Zinco

Zirconio

Reticolo CCC

Reticolo CFC

Reticolo EC

elementi chimici.

3.4.4 CORROSIONE

La corrosione di un materiale metallico, a seconda dell’ambiente in cui si trova, può essere di due tipi: umido;

secco.

CORROSIONE A UMIDO O ELETTROCHIMICA

Si ha corrosione a umido quando il materiale metallico si degrada perché è a contatto con un ambiente acquoso di natura elettrolitica (➜ Fig. 8).

La ➜ Fig. 9 mostra il meccanismo di degradazione: la pila.

Un recipiente contiene una soluzione acida e due piastrine di materiale diverso, per esempio rame e zinco. Lo zinco, che costituisce l’anodo, si scioglie nella soluzione acida dando luogo ad atomi privi di

due elettroni (cationi) che procedono verso il rame, che costituisce il catodo. Anche gli elettroni procedono verso il rame percorrendo però il filo elettrico.

Sia gli elettroni sia i cationi zinco raggiungono pertanto la piastrina di rame ricoprendola, mentre lo zinco si degrada.

La corrosione a umido si manifesta quindi se sono contemporaneamente presenti quattro elementi:

– un catodo;

– un anodo;

– una soluzione elettrolitica;

– un filo conduttore reale o ideale.

Nel caso in cui manchi uno di questi quattro elementi il fenomeno corrosivo si arresta o non si verifica.

CORROSIONE A SECCO O CHIMICA

Si ha corrosione a secco quando il materiale metallico si degrada perché è a contatto con un ambiente gassoso come ossigeno, idrogeno, azoto, ossido di carbonio, oppure con un ambiente liquido di natura non elettrolitica come sali, metalli fusi, soluzioni non acquose ecc.

La reazione chimica con gas di solito avviene a elevata temperatura, per cui si parla frequentemente di corrosione a caldo, e in particolare, nel caso più comune in cui la sostanza che si combina con il materiale metallico sia l’ossigeno, si parla di ossidazione a caldo

e–percorso degli elettroni

e–

e–

e–

rame elettrolita zinco

➜ Fig. 9 • Disegno schematico del passaggio di cariche elettriche negative (elettroni) da un metallo più elettronegativo (lo zinco) a un metallo meno elettronegativo (il rame). Per convenzione il senso della corrente elettrica è opposto al senso di percorso degli elettroni.

➜ Fig. 8 • Esempi di corrosione in ambiente umido.

In ➜ Fig. 10 si vede l’interno di una marmitta da motocicletta. Il materiale alluminio della marmitta si è corroso per l’alta temperatura. Ciò sta a indicare che il materiale scelto non era idoneo.

La corrosione chimica è provocata dall’ossigeno che a contatto con il metallo di superficie si combina con gli elettroni, determinando il passaggio del metallo dalla sua forma vera e propria alla forma ionizzata, con la conseguenza che esso perde le sue caratteristiche meccaniche e chimiche, trasformandosi in un ossido o in un solfato, secondo il tipo di metallo. Nel caso del ferro, per esempio, si forma un ossido di ferro, detto ruggine (➜ Fig. 11).

➜ Fig. 10 • Corrosione all’interno di un tubo di scarico di una motocicletta.

➜ Fig. 11 • Schematizzazione del fenomeno della corrosione chimica.

3.5 Proprietà fisiche

Sono quelle proprietà che riguardano i caratteri generali della materia in relazione agli agenti esterni come la forza di gravità, il calore, i fenomeni elettrici e magnetici ecc.

3.5.1 MASSA VOLUMICA E PESO SPECIFICO

Per massa volumica di una sostanza si intende la massa m della sostanza contenuta nell’unita di volume V.

In simboli: ρ m V

Le sue dimensioni sono kilogrammi massa diviso metri cubi (kg/m3). Valori tipici della massa volumica di alcuni materiali sono riportati nella ➜ Tab. 2.

Per peso specifico γ si intende il peso mg di un campione di materiale diviso il suo volume V.

Nel SI l’unita di misura del peso specifico è il N/m3 (N = newton), ma di solito impropriamente si usa il kgf/m3. Questo parametro non va impiegato in sostituzione della massa volumica, perché nella definizione di peso c’è una grandezza non assoluta, l’accelerazione di gravità g, che dipende dal luogo e dall’altitudine dove avviene la misura: γ mg V

(a 4 °C)

➜ Tab. 2 • Massa volumica di alcuni materiali.

L’esercizio che segue si propone di spiegare il significato di massa volumica apparente.

ESEMPIO

Specifiche tecniche

Dimensioni (da fondo incastro a testa incastro)

cm 36,5 × 24,7 × 23,8

Percentuale di foratura 49,3%

Peso blocco kg 16,75

Massa volumica del cotto kg/m3 1541

Massa volumica apparente kg/m3 780

Calcoliamo il volume del blocco:

V = (0,365 · 0,247 · 0,238) m = 0,0214569 m3

Calcoliamo la massa volumica apparente, che è quella che si calcola considerando il volume totale occupato dal mattone, compresi anche gli spazi vuoti:

ρ m V 16,7 5 kg 0, 214569 m 781 kg m 33 a

Per calcolare la vera massa volumica bisogna trasformare il vuoto come se fosse pieno. Sappiamo che il mattone è per il 49,3% vuoto e per il 50,7% pieno, quindi il peso di 781 kgf va imputato al 50,7% di pieno e poi trasferito al 49,3% di vuoto. Possiamo calcolare quanto pesa l’1% di pieno e poi moltiplicarlo per 49,3% di vuoto:

78 1

50,7 49,3 75 9 kg m3 ρ

Questo peso va poi sommato a 781 kgf:

75 97 81 1540 kg m3 ρ

La definizione di massa volumica apparente ha validità anche per la materia granulare come la sabbia, le granaglie o il terreno.

Nell’esercizio proposto si noti che il peso del blocco dovrebbe essere espresso in newton, ma la scheda di prodotto riporta 16,75 kg; tale valore va inteso in kgf (kilogrammi forza), essendo un peso, cioè una forza. È consuetudine usare, erroneamente, la stessa unità di misura per indicare due grandezze diverse: il peso e la massa.

3.5.2 DILATAZIONE TERMICA

È noto che se si riscalda un corpo questo si dilata, mentre se lo si raffredda esso si contrae. E anche noto che un corpo nello spazio ha tre dimensioni e, nel caso di corpi molto allungati, in cui cioè una di queste tre dimensioni è prevalente rispetto alle altre due, si parla di dilatazione termica lineare (➜ Fig. 12).

E questo il caso di fili, barre, rotaie ecc. La formula matematica per poter calcolare l’allungamento o l’accorciamento di un corpo molto allungato è:

I simboli nella formula hanno il seguente significato:

Lf = lunghezza finale della barra in metri;

Li = lunghezza iniziale della barra in metri;

α = coefficiente di dilatazione lineare in 1/K;

Tf = temperatura finale della barra in gradi kelvin;

Ti = temperatura iniziale della barra in gradi kelvin.

Il valore del coefficiente di dilatazione lineare dipende dal tipo di materiale. La ➜ Tab. 3 riporta i valori del coefficiente di dilatazione termica lineare di alcuni materiali a temperatura ambiente.

➜ Fig. 12

➜ Tab. 3 • Coefficiente di dilatazione termica lineare di alcuni materiali a temperatura ambiente.

ESEMPIO

Calcolare l’allungamento di una rotaia di acciaio lunga 14 m, sapendo che in inverno la temperatura raggiunge i −10 °C, mentre in estate la temperatura tocca i 50 °C. Si tratta di un corpo molto allungato, per cui è applicabile la formula:

ΔL = Li · α · (Tf − Ti)

Inserendo in essa i dati noti abbiamo:

Lf − Li = ΔL = 14 · 0,000012 · [(273,15 + 50) − (273,15 − 10)] = = 0,010080 m = 10,08 mm

Dinque la rotaia, tra l’estate e l’inverno, subisce un allungamento di circa un centimetro.

3.5.3 CAPACITÀ TERMICA MASSICA

Per capacità termica massica (cs) di un corpo solido si intende la quantità di calore che si deve fornire alla sua massa di 1 kg affinché il corpo aumenti la propria temperatura di 1 K (grado kelvin) o di 1 °C (grado centigrado).

L’unità di misura della capacità termica massica è:

J kg K

Se un materiale ha massa M diversa da 1 kg, allora si definisce come capacità termica, espressa in J/K, l’espressione:

C = cs M

Quindi la quantità di calore Q espressa in joule necessaria per portare un corpo solido di massa M da un valore iniziale di temperatura Ti al valore finale Tf è:

Q = cs · M · (Ti Tf)

della temperatura dell’acqua al termine del processo di combustione che avviene per la presenza di ossigeno, e un agitatore (➜ Fig. 13).

acqua termometro agitatore

atmosfera di ossigeno materiale di combustione li di accensione 1 kg H2O + Q = 4186 J ➜ ∆T = 1 °C 1 kg Al + Q = 4186 J ➜ ∆T = 4,5 °C

CALORIMETRO O BOMBA DI MAHLER

È costituito da una camera di combustione con pareti metalliche per consentire lo scambio di calore, un contenitore isolante riempito d’acqua, possibilmente distillata, nella quale è immersa la camera di combustione, un termometro per misurare l’innalzamento

ESEMPIO

Calcolare la quantità di calore necessaria per portare un pezzo d’acciaio di massa 2,57 kg dalla temperatura ambiente di 15 °C alla temperatura di tempra di 830 °C. Applichiamo la formula Q = cs · M · (Tf – Ti)

Sapendo che:

M = massa di 2,57 kg; cs = capacità termica massica dell’acciaio pari a 502 J/(kg · K);

Tf = temperatura ambiente di 15 °C si ha:

0, 50 kJ kg °C 2, 57 kg [(273,1 5 830) K(27 3,15 15) K] 1051,5 kJ

➜ Tab. 4 • Capacità termica di alcuni materiali ed elementi chimici.

➜ Fig. 13 • Bomba di Mahler.

prove sui materiali 4

CI OCCUPEREMO DI...

CI OCCUPEREMO DI...

1. I controlli non distruttivi

4.1 I controlli non distruttivi

4.1.1 PROVE DI DUREZZA E LORO SCOPO

Le prove di durezza si eseguono per ottenere un indice convenzionale dal quale poter trarre informazioni sulla qualità e sulle proprietà di un materiale: – la sua composizione; – il suo stato di fornitura; – la natura della sua superficie e le sue caratteristiche meccaniche.

La prova di durezza, se non è la più importante, è certamente quella più frequente, tanto che in commercio sono disponibili anche dispositivi portatili di prova più o meno precisi, come per esempio il durometro Poldi come vedremo più avanti.

La definizione di durezza non è unica. Si tratta infatti di una proprietà convenzionale dei materiali che dipende dal metodo impiegato per rilevarla. Nell’Ottocento aveva importanza il principio di durezza di Mohs, basato sulla resistenza che un materiale offriva a lasciarsi scalfire da parte di un altro materiale più duro.

2. I controlli distruttivi

2. I controlli distruttivi

Nel 1822 il mineralogista austriaco Friedrich Mohs propose una scala costituita da dieci minerali ordinati nel senso delle durezze crescenti, per cui ciascun minerale scalfisce quello che lo precede e si lascia scalfire da quello che lo segue (➜ Tab. 1). Pertanto il materiale che scalfisce è evidentemente più duro di quello scalfito.

1. talco TENERI

2. gesso

3. calcite

4. fluorite

5. apatite

6. ortoclasio

7. quarzo

8. topazio

9. corindone

10. diamante

Si scalfiscono con un’unghia

SEMIDURI

Si rigano con una punta di acciaio

DURI

Non si rigano con una punta di acciaio

➜ Tab. 1 • Durezza dei materiali previsti nella scala Mohs.

SCALA MOHS E VECCHIO CONCETTO DI DUREZZA

Talco (durezza Mohs 1).

Fluorite (durezza Mohs 4).

Apatite (durezza Mohs 5).

Corindone (durezza Mohs 9).

Scala Mohs Durezza

In tecnologia questo concetto di durezza, e quindi la scala di Mohs, non è utilizzabile, perché il metodo non fornisce un solo valore ma un intervallo di valori. Infatti le durezze dei materiali di interesse tecnologico differiscono così poco tra loro che i relativi valori cadono solo tra i termini 4 e 8 della scala Mohs.

Osservando la ➜ Tab. 2 ci si accorge che un valore Mohs pari a 5 può interessare sia il ferro e le sue leghe, sia lo zinco e le sue leghe, ma come è noto questi materiali hanno durezza diversa: pertanto questa scala non fornisce un valore di durezza attendibile, ma solo un valore relativo.

Materiali

Piombo

Rame e sue leghe

Zinco e sue leghe

Ferro e sue leghe ricotte

Acciai temprati 5÷7

Carburi metallici sinterizzati 9÷10

➜ Tab. 2 • Durezza in scala Mohs di alcuni materiali di uso attuale.

CONCETTO MODERNO DI DUREZZA

Oggi è più indicato valutare la durezza di un materiale basandosi sulla resistenza che esso oppone a lasciarsi penetrare da un altro materiale più duro e di forma opportuna.

A questo criterio fa eccezione il metodo Shore (di cui tratteremo più avanti). Il diagramma sottostante considera sia la vecchia sia la nuova concezione di durezza SCHEMA 1 .

SCHEMA 1

4.1.2 PROVA DI DUREZZA ROCKWELL, BRINELL, VICKERS

Le modalità di prova elencate sono solo quelle confortate dalla presenza di una normativa europea. Infatti ci sono altre prove di durezza, come la prova Knoop, che non essendo normate non sono trattate in questa sede. Vediamo ora le prove di durezza più importanti. Nelle pagine che seguono illustriamo queste prove in modo dettagliato.

DUREZZA ROCKWELL

Si tratta di “intaccare” la superficie di un materiale con un penetratore dotato di una punta in diamante con angolo al vertice di 120°; il valore della durezza si stabilisce sulla base della profondità dell’impronta prodotta (➜ Fig. 1).

Si utilizza questo metodo quando non si conosce la durezza del materiale in prova, e in particolare quando i materiali sono duri come un acciaio temprato o un acciaio da utensili. In questo modo non si rischia di rompere il penetratore.

Questo tipo di prova è rapido perché il tecnico operatore si limita a leggere il valore della durezza su di un visore senza necessità di eseguire calcoli matematici.

➜ Fig. 1 • Principio della prova di durezza Rockwell.

Durezza valutata con scalfitura della superficie Durezza valutata con penetrazione della superficie

Durezza Mohs

Durezza Rockwell

Durezza Brinell

Durezza Vickers

Valori Mohs

DUREZZA

DUREZZA BRINELL

Si tratta di “intaccare” la superficie di un materiale con un penetratore dotato di una punta sferica in carburo di wolframio , e sulla base del diametro medio dell’impronta prodotta, si stabilisce il valore della durezza (➜ Fig. 2).

Si utilizza questo metodo quando il materiale è tenero, quanto può esserlo un bronzo, un alluminio, un ottone o un acciaio del primo gruppo tipo S235JR. Questo tipo di prova è un po’ laborioso perché il tecnico operatore deve eseguire alcuni calcoli matematici.

DUREZZA VICKERS

Si tratta di “intaccare” la superficie di un materiale con un penetratore dotato di una punta piramidale a base quadrata in diamante con angolo al vertice di 136°, e sulla base della diagonale media dell’impronta prodotta si stabilisce il valore della durezza. Si utilizza questo metodo quando non si conosce la durezza del materiale in prova, e in particolare quando i materiali sono duri come un acciaio temprato, un acciaio da utensili, un carburo metallico o una superficie cromata. Questo metodo si utilizza per materiali anche più duri di quelli testabili con la prova Rockwell (➜ Fig. 3).

A differenza di quest’ultima, la prova di durezza Vickers è più articolata, perché il tecnico operatore deve eseguire alcuni calcoli matematici.

Riassumiamo quanto detto nella ➜ Tab. 3.

d 2 d1 posizione operativa d2 d1 136° 136° h

➜ Fig. 2 • Principio della prova di durezza Brinell.

Durezza Tipo di penetrazione

➜ Fig. 3 • Principio della prova di durezza Vickers.

Angolo di penetrazione Carico di prova Tempo di prova (s)

ROCKWELL Cono in diamante α = 120° 1471 N 11 < t < 22

BRINNELL Sfera in carburo di wolframio Si accetta 106° < α < 152° Ottimale è α = 136°

29420 N 12 < t < 23

VICKERS Piramide a base quadrata in diamante α = 136° 294,2 N 12 < t < 23

➜ Tab. 3 • Le tre durezze classiche a confronto.

Vantaggi e svantaggi

Vantaggi: – non si conosce la durezza del materiale

– si applica per materiali duri

– la lettura del valore di durezza avviene direttamente su un visore

Svantaggi: – non si applica per materiali teneri

Vantaggi: – si sa che il materiale è piuttosto tenero

Svantaggi: – il valore della durezza si calcola con una formula matematica

Vantaggi: – non si conosce la durezza del materiale

– si applica per materiali di durezza maggiore o uguali a quelli testabili con la prova Rockwell

Svantaggi: – il valore della durezza si calcola con una formula matematica

4.1.3 LIQUIDI PENETRANTI, MAGNETOSCOPIA, ULTRASUONI, RAGGI X

I Controlli che comunemente sono detti Non Distruttivi (CND) sono un insieme di prove fisiche pensate allo scopo di indagare sull’eventuale presenza di difetti in un pezzo senza doverlo distruggere tutto o in parte, per non renderlo inutilizzabile. Tra le tecniche più importanti si elencano quelle dello schema seguente SCHEMA 2 .

Controllo con liquidi penetranti (LP)

Controllo con apparecchiatura magnetoscopica (MT)

4.1.4 PRINCIPIO DEI LIQUIDI PENETRANTI (LP)

Esistono particolari liquidi colorati che sfruttando il principio della capillarità riescono a penetrare in fessure anche piccolissime che affiorano sulla superficie del pezzo da esaminare (➜ Fig. 4).

Poi il liquido penetrato è richiamato in superficie da particolari polveri, evidenziando una traccia della grandezza e della forma del difetto. Questo metodo è in grado di rivelare l’esistenza di cricche o fessure anche di piccolissime dimensioni, situate sulla superficie del pezzo in materiali relativamente non porosi (➜ Fig. 5).

Controllo con apparecchiatura a ultrasuoni (US)

Controllo con apparecchiatura a raggiX (RX)

I materiali possono essere ferrosi e non ferrosi, magnetici e non magnetici.

I normali metodi di ispezione con liquidi penetranti includono sia un’osservazione visiva diretta sia sistemi fluorescenti, dove l’indicazione è data da una traccia luminosa.

ESECUZIONE DEL METODO

La procedura di esecuzione del metodo è esemplificata nella ➜ Fig. 6, che riassume le successive operazioni da fare per l’esecuzione del controllo con i liquidi penetranti. MATERIALI:

➜ Fig. 5 • Dado trattato con LP, prima e dopo.

➜ Fig. 6 • Fasi per l’esecuzione del metodo LP.

➜ Fig. 4 • Bombolette spray per LP: penetrante, pulitore e rivelatore.

SCHEMA 2

SGRASSAGGIO

La pulizia preliminare permette al liquido penetrante di entrare in tutte le discontinuità superficiali del materiale.

PENETRAZIONE

II liquido penetrante si applica nebulizzandolo o con il pennello. La superficie esaminata rimane completamente bagnata per tutto il tempo necessario alla penetrazione.

RIVELAZIONE

II rivelatore va applicato in modo uniforme sulla superficie in esame e subito dopo va rimosso l’eccesso di liquido penetrante. L’ispezione è di tipo visivo. Dopo l’ispezione visiva finale si fa la pulizia. Se necessario, si applica anche un’adeguata protezione anticorrosione.

LAVAGGIO ED ESSICAZIONE

L’agente di rimozione si applica in modo da non rimuovere il liquido penetrante dalle discontinuità.

4.1.5 PRINCIPIO DELLA MAGNETOSCOPIA (MT)

Quando una barretta magnetica dotata di un polo Nord e di un polo Sud si rompe o si scheggia, allora si formano due nuovi poli (➜ Fig. 7).

La stessa cosa accade a un pezzo meccanico quando lo si immerge in un campo magnetico, se ha delle discontinuità interne.

Se si cospargono delle polveri magnetiche dette rivelatore su un pezzo meccanico con delle discontinuità, allora nascono due poli, uno Nord e l’altro Sud, che attirano le particelle magnetiche in corrispondenza di queste zone creando un accumulo di particelle (➜ Fig. 8).

In questo modo l’accumulo di particelle attirate in corrispondenza delle discontinuità ne indicano la posizione e l’entità.

4.1.6 PRINCIPIO DEGLI ULTRASUONI (US)

L’ispezione mediante ultrasuoni è un metodo non distruttivo in cui onde sonore ad alta frequenza sono introdotte nel pezzo da esaminare tramite una sonda tenuta in mano dall’operatore (➜ Fig. 9).

Lo scopo è quello di evidenziare difetti superficiali o interni, misurare lo spessore dei materiali, misurare la distanza e la dimensione delle difettosità.

Le onde ultrasonore sono generate sfruttando le proprietà piezoelettriche di alcuni materiali come il quarzo, che può contrarsi ed espandersi molto velocemente quando è sottoposto all’azione di un campo elettrico alternato, producendo delle onde elastiche capaci di penetrare nel pezzo in prova. Quando queste onde elastiche attraversano una discontinuità all’interno del pezzo, sul visore dello strumento compare un’eco che segnala la presenza di una discontinuità.

➜ Fig. 9 • Apparecchiatura per controlli a ultrasuoni.

Sullo schermo si vede un segnale dove i picchi rappresentano echi di possibili difetti.

➜ Fig. 7 • Se si spezza una calamita si formano due nuovi poli.

➜ Fig. 8 • Flusso disperso in corrispondenza di una discontinuità.

4.1.7 PRINCIPIO DEI RAGGI X (RX)

Quando i raggi X attraversano il pezzo da esaminare, sono assorbiti di più o di meno in base allo spessore e alla densità della materia attraversata.

I raggi X che attraversano il materiale impressionano una lastra fotografica messa oltre l’oggetto da esaminare (➜ Fig. 10).

Se nell’oggetto esaminato ci sono dei difetti come cavità o inclusioni, questi assorbono meno raggi X e quindi sulla lastra risultano più scuri; se invece ci sono delle discontinuità di materiale più denso, queste assorbono più raggi X e quindi, sulla lastra, risultano più chiare.

Nelle radiografie le ossa sono di colore bianco perché assorbono più radiazioni rispetto ai tessuti molli o alle zone di frattura dell’osso, che invece lasciano passare le radiazioni e quindi sulle lastre risultano più scure (➜ Fig. 11).

➜ Fig. 10 • Posizionamento della macchina radiogena RX.

4.2 I controlli distruttivi

4.2.1 PROVA DI RESILIENZA

Per resilienza si intende la resistenza che un materiale oppone a una sollecitazione impulsiva, cioè a una sollecitazione che tende a romperlo improvvisamente, come potrebbe essere un urto.

I materiali metallici sono spesso soggetti a forti sollecitazioni o a urti, e in caso di rottura improvvisa possono costituire un pericolo per le persone e le cose vicine. Basti pensare a un recipiente in pressione o a organi rotanti. La resilienza costituisce una misura del comportamento dei materiali alla frattura rispetto al comportamento duttile-fragile (➜ Fig. 12).

La macchina utilizzata per fare la prova di resilienza è il pendolo Charpy illustrato nella ➜ Fig. 13.

comportamento duttile

comportamento fragile

temperatura di transizione r esilienza

0 T K intervallo di transizione

➜ Fig. 12 • Diagramma di resilienza: comportamento duttile-fragile.

➜ Fig. 11 • Lastre eseguite su cordone di saldatura e su una mano. ➜ Fig. 13 • Pendolo Charpy per prova di resilienza.

La prova consiste nel rompere dinamicamente per flessione una provetta intagliata in mezzeria e sostenuta da due appoggi (➜ Fig. 14).

La rottura avviene con un solo colpo esercitato da una massa che cade come un pendolo. La provetta deve essere disposta sugli appoggi con la faccia intagliata rivolta dalla parte opposta a quella su cui batte la mazza.

La prova di resilienza normale prevede che la mazza abbia un’energia meccanica E disponibile massima di 300 ± 10 J.

L’energia spesa, ossia il lavoro speso per rompere la provetta, si calcola con la seguente formula:

E = L = m ⋅ g (H − h)

Sulla macchina stessa c’è un quadrante che indica direttamente il valore della resilienza definita dalla seguente relazione:

k = L S

in cui: L = lavoro assorbito dal materiale della provetta per rompersi; S = sezione resistente della provetta in corrispondenza dell’intaglio.

L’unita di misura della resilienza è il joule (J).

La provetta è a forma di parallelepipedo (10 × 10 × 55) mm con opportuno intaglio in mezzeria. L’intaglio può avere varie forme e dimensioni, ma quello più in uso è a V con profondità di 2 mm. Questa provetta è detta Charpy V ed è utilizzata per i materiali ferrosi (➜ Fig. 15).

4.2.2 PROVA DI TRAZIONE

La prova di trazione consiste nel sottoporre una provetta di opportuna geometria a uno sforzo di trazione gradualmente crescente, fino a portare il materiale a rottura. Lo scopo della prova è quello di determinare le seguenti caratteristiche meccaniche:

■ Rm = carico unitario di rottura;

■ RS = carico unitario di snervamento;

■ A = allungamento percentuale dopo rottura;

■ Z = coefficiente percentuale di strizione;

■ E = modulo di elasticità lineare.

La provetta è serrata tra le mordacchie della macchina (➜ Fig. 16), quindi si applica gradualmente il carico di trazione.

Notch geometry

acquisizione dati

acquisizione

The notch shall be carefully prepared, so that the root radius of the notch is free of machining marks which could affect the absorbed energy. The plane of symmetry of the notch shall be perpendicular to the longitudinal axis of the test piece.

V-notch: the V-notch shall have an included angle of 45°, a depth of 2 mm, and a root radius of 0,25 mm.

➜ Fig. 16 • Macchina universale per prova di trazione.

➜ Fig. 15 • Rottura tenace della provetta di resilienza.

VERSO IL CLIL

➜ Fig. 14

Generalmente la prova è condotta fino a rottura completa della provetta mentre sul tamburo della macchina, o tramite computer, è tracciato il diagramma carichi-deformazioni illustrato nella ➜ Fig. 17. La prova di trazione si esegue su una provetta opportunamente sagomata, a sezione circolare se ricavata da un saggio di grosso spessore o a sezione piana se ricavata da una lamiera (➜ Fig. 18). Le provette hanno sempre un tratto a sezione costante, normalmente

Lc = 70 mm, Lo = 50 mm e do = 10 mm.

La sezione di rottura della provetta può presentarsi in vari modi, che permettono di definire se la rottura è di tipo fragile o duttile. Una rottura fragile avviene di schianto, improvvisamente, senza dare alcun segnale, causando spesso infortuni sul lavoro.

➜ Fig. 17 • Diagramma carichi-deformazioni.

➜ Fig. 18 • Tipi di provette di trazione.

È ovvio quindi che la scelta del materiale da impiegare deve ricadere per quanto possibile su un materiale a comportamento duttile.

Nella ➜ Fig. 19 è illustrata una frattura fragile a sezione piatta e una frattura duttile a sezione a coppa. Esistono sezioni anche con forma a semicoppa, a fischietto, a raggiera, legnosa e fortemente snervata.

Principle

➜ Fig. 19 • (a) Rottura fragile piatta. (b) Rottura duttile a coppa con evidente strizione.

The test involves straining a test piece by tensile force, generally to fracture, for the determination of one or more of the mechanical properties. The test is carried out at room temperature between 10°C and 35 °C, unless otherwise specified. Tests carried out under controlled conditions shall be made at a temperature of 23 °C ± 5 °C.

Shape and dimensions-General

The shape and dimensions of the test pieces may be constrained by the shape and dimensions of the metallic product from which the test pieces are taken. The test piece is usually obtained by machining a sample from the product or a pressed blank or casting. However, products of uniform cross-section (sections, bars, wires etc.) and also as-cast test pieces (i.e. for cast iron and non-ferrous alloys) may be tested without being machined. The cross-section of the test pieces may be circular, square, rectangular, annular or, in special case, some other uniform cross-section.

VERSO IL CLIL

VERIFICA LE CONOSCENZE

1. La forma del penetratore nella prova Brinell è:

a sferica.

b piramidale.

c conica.

d romboedrica.

2. Il tempo di prova nella prova Brinell è:

a 11-15 secondi.

b 12-21 secondi.

c 12-23 secondi.

d 15-20 secondi.

3. Il carico nella prova Brinell va scelto in modo che:

a 68° < α < 105°.

b 106° < α < 152°.

c 100° < α < 140°.

d 68° < α < 115°.

4. Nella prova Brinell il carico di prova vale:

a 29420 newton.

b 10412 newton.

c 14715 newton. d 18394 newton.

5. La forma del penetratore nella prova HRC è:

a sferica.

b piramidale. c conica.

d romboedrica.

6. Nella prova HRC il carico di prova è:

a 294,3 N.

b 981,0 N.

c 1471,5 N. d 1839,4 N.

7. Il tempo di durata della prova HRC è:

a 14 s.

b 21 s.

c 27 s.

d 32 s.

8. La forma del penetratore nella prova Vickers è:

a sferica.

b piramidale. c conica. d romboedrica.

9. Il carico di prova nella prova Vickers vale:

a 315,1 N.

b 115,4 N. c 294,2 N. d 451,3 N.

10. Il tempo totale nella prova Vickers vale:

a 5-10 s.

b 10-15 s. c 12-23 s. d 20-25 s.

11. Se non si conosce il materiale, è opportuno eseguire sempre per prima una prova di durezza:

a HBS.

b HBW. c HRC. d HRB.

12. I materiali debolmente attratti magneticamente si dicono:

a paramagnetici.

b diamagnetici.

c ferromagnetici.

d non magnetici.

13. Qual è il tipico percorso delle linee di forza di un campo magnetico?

a Chiuso: dal polo Nord verso il polo Sud.

b Aperto: dal polo Nord verso il polo Sud.

c Chiuso: dal polo Sud verso il polo Nord.

d Aperto: dal polo Sud verso il polo Nord.

14. Da che cosa dipende la scelta della colorazione delle particelle magnetiche?

a Dal contrasto sulla superficie del materiale.

b Dal tipo di liquido usato per il rivelatore a umido.

c Dal tipo di luce ultravioletta.

d Dal tipo di rivelatore.

15. Il metodo magnetoscopico rileva le discontinuità del materiale quando sono:

a superficiali o interne ortogonali al flusso magnetico.

b superficiali o interne parallele al flusso magnetico.

c solo profondità ortogonali al flusso magnetico.

d solo profondità parallele al flusso magnetico.

16. Quale tra i seguenti materiali non è di tipo ferromagnetico?

a Ferro.

b Ghisa.

c Cobalto.

d Acciaio austenitico.

17. La smagnetizzazione del materiale esaminato è necessaria:

a sempre.

b mai.

c quando lo richiedono le sue condizioni di esercizio.

d quando deve essere trattato termicamente.

18. La prova di resilienza mira a stabilire la capacità di un materiale a resistere a una sollecitazione:

a improvvisa.

b lenta.

c periodica.

d statica.

19. La resilienza si misura in:

a coulomb.

b ampere.

c joule.

d newton.

20. Il lavoro L che compare nella definizione di resilienza è il lavoro assorbito:

a dalla mazza quando rompe la provetta.

b dalla macchina quando rompe la provetta.

c dalla provetta stessa quando si rompe.

d dall’asta della mazza quando rompe la provetta.

21. Le provette sono parallelepipedi di dimensione:

a (12 × 12 × 50) mm.

b (15 × 15 × 65) mm.

c (10 × 10 × 55) mm.

d (11 × 11 × 45) mm.

22. L’energia meccanica disponibile nel pendolo

Charpy è:

a 280 ± 10 J.

b 300 ± 10 J.

c 320 ± 10 J.

d 340 ± 10 J.

23. La provetta di resilienza con intaglio a V ha profondità d’intaglio pari a:

a 1 mm.

b 4 mm.

c 2 mm.

d 5 mm.

24. La prova di resilienza serve per stabilire la temperatura alla quale il materiale cambia comportamento da duttile a:

a malleabile.

b fragile.

c imbutibile.

d tenace.

25. Stabilita la temperatura che dà il comportamento corretto cercato, il materiale va impiegato a una temperatura:

a superiore a quella stabilita.

b inferiore a quella stabilita.

c uguale a quella stabilita.

d vicina a quella stabilita.

26. Le provette EN hanno diametro di:

a 10 mm.

b 15 mm.

c 12 mm.

d 18 mm.

27. Le provette EN hanno un tratto di lunghezza utile di:

a 42 mm.

b 55 mm.

c 50 mm.

d 63 mm.

28. Il carico unitario di rottura si indica con la lettera:

a A.

b E.

c Rs.

d Rm.

29. Il carico unitario di snervamento si indica con la lettera:

a A.

b E.

c Rs.

d Rm.

30. Il modulo di elasticità lineare si indica con la lettera:

a A.

b E.

c Rs.

d Rm.

D SEZIONE

MATERIALI DIGITALI

METALLICI Materiali

CAPITOLO 5 materiali ferrosi

CAPITOLO 6 materiali NON ferrosi

VERIFICA LE CONOSCENZE

● Differenze tra i materiali ferrosi

● Metodi di produzione dei materiali ferrosi

● Classificazione dei materiali ferrosi e loro utilizzo

● Materiali metallici privi di carbonio

● Applicazioni dei materiali metallici

SVILUPPA LE ABILITÀ

● Conoscere la percentuale di carbonio in una lega ferrosa

● Spiegare il miglior metodo di produzione dell’acciaio

vDescrivere la sinergia tra metalli diversi

● Conoscere la fragilità dei materiali ferrosi

COSTRUISCI LE COMPETENZE

● Saper decidere se utilizzare una ghisa o un acciaio

● Saper distinguere un materiale duttile da uno fragile

● Sapere scegliere i materiali adatti per l’aeronautica

● Essere in grado di ottenere oggetti per sinterizzazione

MATERIALI IN AZIONE

I batteri antimetalli

Nel 2022 grazie ai fondi del PNRR, è nato il progetto RETURN che vede la collaborazione di ENEA e molte università e centri di ricerca italiani. Questo progetto ha lo scopo di trovare una soluzione per ridare vita ai suoli rovinati dalle attività minerarie . Il processo consiste nell’inserire nel terreno inquinato microrganismi capaci di trasformare o catturare sostanze dannose. La sperimentazione è avvenuta nel Parco Geominerario di Ingurtosu, in Sardegna, un tempo grande centro per l’estrazione di piombo e zinco. Qui sono stati introdotti 11 ceppi batterici isolati dagli stessi scarti minerari del sito. Questi batteri non eliminano i metalli, ma li immobilizzano migliorando la biodiversità di suoli compromessi. Inoltre, i batteri producono sostanze che favoriscono la crescita delle piante autoctone, migliorano la biodiversità microbica e contribuiscono al recupero del terreno. L’obiettivo a lungo termine di questo progetto è sviluppare un modello di rigenerazione del territorio che sia sostenibile, replicabile in altri siti degradati, che migliori suolo, vegetazione, qualità ambientale.

materiali ferrosi

CI OCCUPEREMO DI...

1. Differenza tra ghisa e acciaio

2. Produzione della ghisa

3. Produzione dell’acciaio

5.1 Differenza tra ghisa e acciaio

I materiali ferrosi per uso industriale e impiegati nelle costruzioni metalliche sono leghe ferro-carbonio, con l’aggiunta di altri elementi chimici tali da esaltare alcune proprietà come la durezza, l’inossidabilità, la resistenza meccanica ecc. Questi materiali ferrosi sono la ghisa e l’ acciaio come illustrato in ➜ Fig. 1a e ➜ Fig. 1b. La differenza sostanziale tra i due materiali sta nel loro contenuto di carbonio e cioè:

■ per la ghisa C > 2%.

■ per l’acciaio C < 2%

Per produrre una lega Fe-C è necessaria la combustione prodotta da un carbone detto coke, che bruciando liquefa i minerali contenenti ferro, arricchendo quest’ultimo di carbonio. Il liquido ottenuto in questo modo è la ghisa, molto ricca di carbonio. Ne consegue che per avere l’acciaio bisogna eliminare parte del carbonio contenuto nella ghisa. Ciò si fa utilizzando i convertitori, che convertono la ghisa in acciaio facendo reagire l’ossigeno con il carbonio della ghisa, in modo da liberare gas come CO e CO2, fino a ridurre il carbonio al di sotto del 2%. Si ottiene così l’acciaio.

4. La colata dell’acciaio

4. La colata dell’acciaio

5. La ghisa

5. La ghisa

6. L’acciaio

6. L’acciaio

5.2 Produzione della ghisa

Per ricavare la ghisa partendo dai minerali del ferro, è necessaria una struttura detta altoforno. Gli altoforni utilizzati già nel 1300 erano alimentati con carbone di legna, e permettevano di ottenere solo piccole produzioni di 1,5-2 tonnellate al giorno.

Verso il 1650 si sostituì il carbone di legna con il carbon coke, aumentando così la quantità di ghisa prodotta. Successivamente, con la rivoluzione industriale, si adottò una combustione alimentata da aria calda o vento caldo a 1000 °C, con conseguente aumento del rendimento. Attualmente si usa insufflare ossigeno anziché aria, ottenendo produzioni di ghisa anche di 1000-1500 tonnellate giornaliere. Il crogiolo, da dove si spilla la ghisa, può raggiungere i 10-15 metri di diametro e l’altezza dell’altoforno può essere anche di 40 metri.

Nello schema di ➜ Fig. 2 è rappresentata la produzione della ghisa ottenuta con l’ altoforno e nella

➜ Fig. 3 la successiva produzione dell’acciaio. Si parte dalle materie prime estratte dal sottosuolo, come il minerale di ferro ridotto in apposita pezzatura e raccolto in un silos.

In un altro silos si raccoglie il fondente, di solito calcare, anch’esso ridotto in pezzatura adeguata. Nella cokeria si trasforma il carbone fossile litantrace in carbon coke, anch’esso ridotto a opportuna pezzatura e raccolto in un altro silos. A questo punto il minerale di ferro, il coke e il fondente sono introdotti nell’altoforno con un carrello, detto skip, attraverso la bocca di carico.

Dal loro riscaldamento si ottiene la ghisa greggia d’altoforno o ghisa madre e la loppa o scoria. La

Fig. 1b • Dado in acciaio.

Fig. 1a • Pesi in ghisa.

ghisa arriva quindi in acciaieria, trasportata da un carro ferroviario detto carro siluro, dove viene trasformata in acciaio dai convertitori

L’acciaio prelevato dal convertitore va a riempire la secchia o siviera , che versa l’acciaio fuso diret -

skip

gas di altofor no

campane

nastro trasportatore

focolare

tubiera anulare

ugelli

skip

➜ Fig. 2 • Schema semplificato del processo siderurgico integrale.

➜ Fig. 3 • Dal carro siluro alla colata continua in acciaieria.

tamente nella lingottiera o nella colonnetta per la colata in sorgente o nella paniera per la colata continua , come si vede in ➜ Fig. 3 . Nel caso della colata continua si ottiene il blumo , la bramma o la billetta .

minerali ferro calcare coke

serpentine

torre calda

focolare 1200°C

aria calda

ugelli siviera

camino

acqua di raffreddamento

ghisa all’acciaieria loppa

carro siluto

siviera

decarburazione convertitore

accaio speciale

lingotti

lingottiere

lingotti

acciaio normale

5.3 Produzione dell’acciaio

5.3.1

CONVERTITORE BESSEMER

Sir Henry Bessemer (1813-1898), ingegnere e inventore inglese, nel 1855 ebbe l’idea di eliminare il carbonio dalla ghisa in un recipiente, detto convertitore (➜ Fig. 4), e di scaldarla ad alta temperatura in presenza dell’ossigeno dell’aria. In questo modo il carbonio in eccesso della ghisa brucia e nel forno rimane l’acciaio. Il convertitore ha una capacità media di 10-20 t di ghisa liquida per un’altezza che varia

monossido di carbonio

scoria

rivestimento metallico

mattoni refrattari

acciaio

Vista esterna Sezione del convertitore

➜ Fig. 4 • Convertitore Bessemer.

aria comburente riscaldata

gas combustibile riscaldato

acciaio fuso

ugelli

aria calda

da 4 a 6 m, e un diametro da 3 a 4 m. La carica è costituita da ghisa fusa di opportuna composizione, che si introduce a convertitore inclinato. Alle alte temperature, il carbonio della ghisa e l’ossigeno contenuto nell’aria spinta nel forno reagiscono formando ossido ferroso, che a sua volta agisce sul manganese e il silicio ossidandoli, e generando delle scorie con caratteristiche vampate di fuoco che fuoriescono dalla bocca del forno. In questo modo il carbonio in eccesso nella ghisa si consuma, lasciando nella pancia del forno l’acciaio.

5.3.2 FORNO MARTIN-SIEMENS

Il forno consiste in un crogiolo di forma rettangolare, rivestito di mattoni refrattari, che misura circa 6 m per 10, chiuso da un tetto posto a circa 2,5 m di altezza. Il forno Martin-Siemens (➜ Fig. 5) consente il preriscaldamento del gas combustibile e dell’aria di alimentazione. La carica è formata generalmente da ghisa e rottami di ferro o da carbonio e rottami che forniscono un ulteriore apporto di ossigeno. I forni Martin-Siemens, le cui capacità raggiungono le 500 t, sono alimentati solitamente con olio combustibile o metano. Nei forni Martin-Siemens è possibile raggiungere temperature tra 1540 °C e 1650 °C e produrre circa 100 t di acciaio in 11 ore.

lance di ossigeno

porte di carico

uscita gas

livello del suolo

verde

camere di rigenerazione

rivestimento refrattario

valvole di commutazione

stoccaggio gas

gas combustibile

➜ Fig. 5 • Forno Martin-Siemens.

mattoni

aria

Acciaio

5.3.3 CONVERTITORE LD

Nel convertitore LD (➜ Fig. 6) l’aria è sostituita da un getto di ossigeno puro insufflato dall’alto e ad alta pressione. Il suo nome deriva dalle iniziali delle due città austriache, Linz e Donawitz, dove è stato usato per la prima volta. Il convertitore LD è costituito da mattoni refrattari rivestiti da una lamiera d’acciaio. Dall’alto si inserisce una lancia raffreddata ad acqua a circa 2 m sopra il livello del metallo fuso; con questa lancia si soffia ossigeno che reagisce con il carbonio trasformando la ghisa in acciaio. L’ossigeno infatti si combina con il carbonio e gli altri elementi indesiderati molto più rapidamente che nel processo Bessemer: in meno di 50 minuti il ciclo è terminato, con la produzione di oltre 200 t di acciaio. Il convertitore LD è oggi il sistema più utilizzato per trasformare la ghisa in acciaio.

convertitore BOP

additivo per formare scorie ossigeno aria

idrogeno e/o argon

5.3.4

FORNO ELETTRICO

Il forno elettrico (➜ Fig. 7) è costituito da un crogiolo, da un tino disposto lateralmente sopra il crogiolo e da tre elettrodi in grafite alimentati da energia elettrica. La carica è costituita quasi completamente da rottami di ferro che prima dell’uso sono analizzati e selezionati, perché gli elementi leganti contenuti influenzano la composizione dell’acciaio. Talvolta si aggiunge anche della ghisa. La capacità di un forno elettrico è di 50-70 t di acciaio. Una volta caricato il forno, gli elettrodi si abbassano in prossimità della superficie del metallo. Scocca un arco elettrico dagli elettrodi alla carica metallica e il forte calore generato dall’arco elettrico causa la fusione del rottame. All’inizio del processo di affinazione un getto di ossigeno molto puro, iniettato con una lancia, innalza la temperatura e diminuisce il tempo necessario alla produzione dell’acciaio.

sistema di rilevamento delle perdite

idrocarburo

➜ Fig. 6 • Convertitore LD.

➜ Fig. 7 • Forno elettrico.

elettrodi di carbonio

volta porta

acciaio grezzo scorie

scoria

metallo liquido

al deposito di scorie

alla colata arco

5.4

La colata dell’acciaio

Una volta che l’acciaio è stato ottenuto dalla decarburazione della ghisa d’altoforno con uno dei vari processi precedentemente elencati, viene prelevato dal convertitore per la produzione dell’acciaio solido. Per ottenere quest’ultimo basta riempire la siviera con l’acciaio liquido proveniente dal forno o dal convertitore e versare l’acciaio in appositi recipienti detti lingottiere. L’operazione di riempimento delle lingottiere è detta colata dell’acciaio. Si tratta poi di liberare i solidi prodotti, cioè i lingotti, dalle lingottiere, e questa operazione di liberazione si dice strippaggio dei lingotti. Le tecniche oggi esistenti per la colata dell’acciaio sono: SCHEMA 1

colonnetta. Sia nella colata in lingottiera sia in sorgente, sulla sommità delle lingottiere si posizionano sempre delle piastre di materiale esotermico costituite da una miscela di alluminio e ossido di ferro, che favoriscono un raffreddamento lento della parte superiore del lingotto. Ciò permette di raccogliere le scorie e quindi poterle eliminare. Dopo un tempo che va da un minimo di 30 minuti a un massimo di 1 ora, si strippa il lingotto ancora caldo per evitare che la lingottiera si danneggi.

5.4.1 COLATA IN LINGOTTIERA

Nella colata in lingottiera l’acciaio è colato dal forno o dal convertitore in un grosso recipiente detto siviera, che successivamente versa il metallo liquido nelle lingottiere, dove il metallo solidifica in lingotti (➜ Fig. 8). Il riempimento della lingottiera è veloce e il lingotto che si forma presenta numerosi difetti generati dalla violenza con cui l’acciaio liquido entra nella lingottiera. I lingotti sono dei grossi pezzi di acciaio: ■ quadrati o rettangolari se destinati alla laminazione; ■ rotondi o ottagonali se destinati alla fucinatura

Le dimensioni dei lingotti variano molto a seconda della loro destinazione, da 180 kg a oltre 5 t.

5.4.2 COLATA IN SORGENTE

Nella colata in sorgente l’acciaio liquido entra nella lingottiera dal basso. La lingottiera si riempie lentamente, con gradualità. Così si evitano gli inconvenienti della colata in lingottiera. Nella ➜ Fig. 9 è illustrata una stazione di sei lingottiere, con al centro il canale di adduzione dell’acciaio liquido detto

➜ Fig. 9 • Schema della colata in sorgente.

Colata in lingottiera Colata in sorgente Colata continua

➜ Fig. 8 • Schema della colata in lingottiera.

siviera

tappo lingottiera acciaio fuso

lingottiere

colonnetta

siviera

acciaio fuso

5.4.3 COLATA CONTINUA

Nella colata continua l’acciaio è colato in lingottiere verticali di rame senza fondo e scende lentamente a formare il lingotto ( ➜ Fig. 10).

Per evitare l’ossidazione degli elementi di lega, la colata si esegue in siviere poste in serbatoi a vuoto spinto, o collocate all’interno di recipienti chiusi da un diaframma d’alluminio che fonde sotto il getto d’acciaio liquido quando questo esce dal fondo della siviera.

Questo tipo di colata è detta continua perché produce un lingotto ininterrotto piatto o lungo. I prodotti ottenibili sono detti billette e bramme . La stessa quantità di acciaio che cola in forma liquida

nella lingottiera di rame lunga circa 800 mm, esce solidificata in superficie e alla relativa estremità inferiore.

Successivamente si taglia alla lunghezza desiderata con trance o taglio a cannello. Le bramme che si ottengono hanno misure che vanno da (130 × 170) mm2 a (130 × 300) mm2 e sono poi trasportate nel magazzino del laminatoio. SCHEMA 2

5.5

La ghisa

La ghisa è una lega ferro-carbonio con un tenore di carbonio maggiore del 2% e per le applicazioni industriali di solito non superiore al 4%, anche se la ghisa è stata studiata fino alla percentuale del 6,67%.

Questa elevata quantità di carbonio tende a formare delle lamelle di grafite generando la ghisa grigia a grafite lamellare ( ➜ Fig. 11 a pag. seguente), e conferendo a questo materiale proprietà di:

■ resistenza alla corrosione;

■ capacità di assorbimento delle vibrazioni, innescate per esempio dalle lavorazioni per asportazione di truciolo;

■ elevate capacità di resistenza a sollecitazioni di compressione.

Per contro la ghisa è:

■ fragile;

■ non sopporta deformazioni plastiche;

■ non resiste bene alle sollecitazioni di trazione;

■ è saldabile solo con particolari accorgimenti.

GHISE

SCHEMA 2

Ghise bianche C < 3% Si < 1,5%

➜ Fig. 10 • Schema della colata continua. siviera

Per contenere la fragilità si lavora sulla forma delle lamelle di grafite trasformandole, con l’aggiunta di cerio (Ce) e di magnesio (Mg), in globuli o sferule proprie della ghisa grigia a grafite sferoidale (➜ Fig. 12).

La scoperta è avvenuta per caso in Inghilterra nel 1948, forse perché la siviera era rimasta contaminata da tracce di Mg o Ce, elementi che innescano la sferoidizzazione delle lamelle di grafite.

Per aumentare la capacità di deformazione plastica si parte dalla produzione delle ghise bianche ( ➜ Fig. 13) che, essendo temprate, sono costituite quasi totalmente di carburo di ferro, ossia cementite (Fe3C). Quindi con un opportuno trattamento termico si ottengono le ghise malleabili a cuore bianco ( ➜ Fig. 14) o a cuore nero.

Per aumentare la resistenza a trazione, invece, si producono le ghise legate speciali (➜ Fig. 15).

➜ Fig. 12 • Morsa da banco in ghisa sferoidale.

➜ Fig. 13 • Coltello per vomere in ghisa bianca.

➜ Fig. 14 • Ghisa malleabile a cuore bianco.

➜ Fig. 11 • Chiusino Telecom in ghisa grigia lamellare.

➜ Fig. 15 • Cilindro per moto in ghisa speciale.

5.6 L’acciaio

Gli acciai appartengono a due grandi famiglie, quelle del 1° e del 2° gruppo: SCHEMA 3

3

1° Gruppo acciai non trattabili termicamente

La designazione è fatta in base al loro impiego e alle caratteristiche meccaniche o fisiche

2° Gruppo acciai trattabili termicamente

B430N (FeB44K)

Acciaio per cemento armato B con carico di snervamento a trazione minimo prescritto di 430 N/mm2 (430). La lettera N indica che l’acciaio ha subito un trattamento termico di normalizzazione. Questo acciaio è usato per armare il calcestruzzo nella costruzione di fondazioni , travi e colonne in campo edilizio (➜ Fig. 17).

La designazione è fatta in base alla composizione chimica ➜ Fig. 16 • Telaio di un capannone industriale in S235JR.

5.6.1 ACCIAI APPARTENENTI AL 1° GRUPPO

Nel 1° gruppo sono trattati gli acciai in base al loro impiego e alle loro caratteristiche meccaniche o fisiche, utilizzando per esempio per le caratteristiche meccaniche il loro carico di snervamento o di rottura.

La designazione degli acciai appartenenti al 1° gruppo inizia con una lettera, seguita da un numero che indica il carico unitario di snervamento o di rottura minimo prescritto, in N/mm2.

La lettera può essere:

S = acciai per impieghi strutturali;

P = acciai per impieghi sotto pressione;

L = acciai per tubi di condutture;

E = acciai per costruzioni meccaniche;

B = acciai per cemento armato.

Esaminiamo alcuni esempi di acciai del 1° gruppo.

S235JR (Fe360B)

Acciaio per impiego strutturale S con carico di snervamento a trazione minimo prescritto di 235 N/mm2, (con resilienza maggiore di 27 joule a +20 °C JR). Questo acciaio è utilizzato per costruzioni in carpenteria metallica come capannoni (➜ Fig. 16), apparecchi di sollevamento ecc.

➜ Fig. 17 • Tondini in acciaio per utilizzo nel calcestruzzo.

ACCIAI

SCHEMA

6

materiali non ferrosi

CI OCCUPEREMO DI...

OCCUPEREMO DI...

1. Il rame (Cu)

2. L’alluminio (Al)

3. Il titanio (Ti)

6.1 Il rame (Cu)

Già dalla fine del V millennio a.C. alcune popolazioni dell’Oriente impararono a utilizzare il rame

All’inizio esso era usato da solo, poi fu combinato con il piombo e successivamente con lo stagno. Rame e stagno combinati assieme formano il bronzo, con il quale si producevano armi e utensili; per tale ragione fu chiamato “età del bronzo” il periodo storico che va dal III millennio al 750 a.C. circa. L’isola di Cipro possedeva le miniere principali di rame ed è proprio dal nome di quest’isola che deriva il termine latino Cuprum, così come il simbolo chimico del rame, Cu (➜ Fig. 1). L’ottone invece è una lega di rame e zinco.

➜ Tab. 1 • Composizione chimica dei due tipi di rame ETP e DHP.

4. Il magnesio (Mg)

4. Il magnesio (Mg)

5. La metallurgia delle polveri

5. La metallurgia delle polveri

Il rame cristallizza nel reticolo cubico a facce centrate CFC e oggi è prodotto puro al 99,90%; tuttavia infinitesime differenze di composizione chimica producono significative variazioni delle caratteristiche tecnologiche. I due tipi di rame oggi prodotti sono quelli della ➜ Tab. 1, dove la comparazione delle composizioni chimiche pone in evidenza le differenze infinitesime dei due tipi dovute ai contenuti di ossigeno e fosforo. Il fosforo però influenza in modo significativo la conduttività elettrica del rame: infatti il Cu-DHP ha una conduttività elettrica di oltre il 30% in meno rispetto al Cu-ETP. Il rame utilizzato in campo elettrotecnico ed elettrico sarà quindi il Cu-ETP. La presenza di fosforo conferisce al rame Cu-DHP migliore deformabilità plastica a freddo e aumenta l’attitudine alla saldatura per brasatura; inoltre questo rame è meno costoso del Cu-ETP poiché non è necessario eliminare il fosforo (➜ Fig. 2-3).

➜ Fig. 2 • Tetto in rame con presa d’aria in rame.

➜ Fig. 3 • Impianto di riscaldamento in rame a parete.

➜ Fig. 1 • Monetine da centesimi di euro.

Il suo utilizzo è frequente per la realizzazione di tubi per impianti di riscaldamento e scambiatori di calore e, in genere, per tutto ciò che riguarda la trasmissione del calore. Il rame può combinarsi in lega con vari metalli, come per esempio lo zinco, con il quale forma l’ottone, e lo stagno, con cui forma il bronzo. Per poter considerare il rame in lega deve essere presente per almeno il 50%.

6.1.1 L’OTTONE (Cu+Zn)

L’ottone (➜ Fig. 4) è una lega di rame e zinco, dove il rame è presente in percentuali variabili dal 55% all’80%. Se la lega rame-zinco presenta percentuali di rame dall’80% al 95% il materiale non è più chiamato ottone bensì similoro o tombacco (ottone rosso) ed è usato per oggetti di falsa oreficeria o bigiotteria. Mentre il rame da solo possiede scarsa attitudine alla colabilità, quando è in lega con lo zinco per formare l’ottone si lascia colare con facilità permettendo di ot tenere getti e pani. L’ottone si può lavorare anche plasticamente sia a caldo sia a freddo, per la produzione di lastre, lamiere, tubi, fili, molle e bossoli per artiglieria. Inoltre possiede un’elevata resistenza alla corrosione da parte degli agenti atmosferici e ha caratteristiche meccaniche elevate. Se l’ottone è destinato a lavorazioni con macchine utensili contiene anche piombo dall’1% fino

a circa il 3%. Il piombo facilita la lavorazione per asportazione di truciolo. Nella designazione degli ottoni la percentuale di rame non è dichiarata, ma desunta dalle percentuali degli altri elementi in lega indicate nella sigla.

6.1.2 IL BRONZO (Cu+St)

Il bronzo (➜ Fig. 5) è una lega di rame e stagno dove lo stagno è presente in percentuali variabili dall’1,25% fino al 20%. Come visto in precedenza, mentre il rame da solo possiede scarsa attitudine alla colabilità, quando è in lega con lo stagno per formare il bronzo si lascia colare facilmente. Inoltre, possiede un’elevata resistenza alla corrosione da parte degli agenti atmosferici e caratteristiche meccaniche elevate.

Quando il bronzo è utilizzato come rivestimento antifrizione contiene piombo anche fino al 30%.

Con il bronzo si producono anche cuscinetti a strisciamento o cuscinetti radenti, detti bronzine (➜ Fig. 6). Sono cilindri con delle cavità interne atte a ospitare olio di lubrificazione.

La bronzina lavora con il perno dell’albero che galleggia al suo interno, supportato da un velo d’olio di consistente spessore, così da mantenere sempre separate le microasperità delle due superfici, evitando i contatti metallici diretti.

➜ Fig. 4 • Rubinetto e strumento a fiato in ottone. ➜ Fig. 6 • Bronzine o cuscinetti a strisciamento.

➜ Fig. 5 • Elmo dell’età del bronzo.

6.1.3

IL CUPRALLUMINIO (Cu+Al)

È una lega di rame e alluminio, più nota come bronzi all’alluminio, in cui l’alluminio è l’elemento aggiuntivo principale dal 5% al 12%. Si tratta di un materiale molto resistente alla corrosione e alle sollecitazioni meccaniche. È usato per produrre stampi per materie plastiche, tubazioni, pompe e apparecchiature chimiche.

Il cupralluminio è noto per la sua notevole resistenza meccanica e alla corrosione; è impiegato anche in presenza di fluidi ad alta velocità (➜ Fig. 7).

In alcune applicazioni esso può sostituire leghe più costose, come i bronzi allo stagno (➜ Fig. 8).

➜ Fig. 8 • Lamine forate in cupralluminio per rivestire lo Switch+, costruzione temporanea per il centro informazioni della manifestazione Skulptur Projekte Münster 2007, presso l’LWL-Museum für Kunster und Kultural di Münster, in Germania.

6.1.4 IL CUPRONICHEL (Cu+Ni)

È una lega di rame e nichel fino al massimo del 30% di nichel (➜ Fig. 9).

La resistenza del cupronichel alla corrosione in ambiente marino è eccezionale, tanto da essere preferito per costruire impianti di dissalazione e condensatori per motori marini.

Alle basse temperature i CuNi, come altri materiali con struttura cristallina cubica a facce centrate, non infragiliscono.

Questa duttilità e una adeguata conducibilità termica fanno sì che i cupronichel siano materiali idonei per scambiatori di calore e per altri componenti negli impianti di liquefazione e stoccaggio dei fluidi criogenici; anzi, il rame e le sue leghe sono stati i primi materiali usati per questo scopo.

➜ Fig. 9 • La parte “bianca” delle monete da 1 e 2 euro è in cupronichel CuNi25.

6.1.5

L’ALPACCA (Cu+Ni+Zn)

È una lega di rame dal 47% al 64%, con nichel dal 10% al 25% e zinco dal 15% al 42%. È detta anche argentone o argento tedesco, ha buone caratteristiche meccaniche e di resistenza alla corrosione (➜ Fig. 10). La presenza del nichel migliora tali caratteristiche e conferisce alla lega un aspetto molto simile a quello dell’argento (➜ Fig. 11). Un tempo l’alpacca era usata per la fabbricazione di posate. Oggi è apprezzata nella costruzione di piccoli particolari meccanici. Inoltre, con questa lega si producono anche chiavi, rivetti, parti di macchine fotografiche e contatti elettrici.

➜ Fig. 7 • Elica marina in cupralluminio.

➜ Fig. 11 • Fibbia cowboy.

➜ Fig. 10 • Gettone telefonico.

6.2 L’alluminio (Al)

L’alluminio è il terzo elemento in quantità massica presente nel sottosuolo terrestre. Esso però non si trova allo stato puro data la sua grande affinità per l’ossigeno, ma è contenuto in taluni minerali dei quali non è facile l’estrazione. Uno di questi è la bauxite, così denominata perché fu scoperta nel 1821 nella località di Les-Baux-de-Provence, nella Francia meridionale.

Per ottenere l’alluminio, la bauxite viene sottoposta al processo Bayer, che è molto inquinante. Ecco perché è assolutamente necessaria la raccolta differenziata di questo metallo. L’alluminio è un metallo di color argento chiaro ed è duttile e malleabile. Se esposto all’aria reagisce con l’ossigeno passivandosi, formando cioè una pellicola di ossido di alluminio (Al2O3) che lo protegge da una successiva ossidazione. Per proteggere l’alluminio dalla corrosione lo si anodizza, cioè lo si fa reagire con ossigeno durante il processo di passivazione anodica. L’alluminio così trattato si impiega per costruire infissi (➜ Fig. 12), pareti mobili, verande, cabine di ascensori. Inoltre con l’alluminio si costruiscono anche parti meccaniche (➜ Fig. 13).

compressore

uscita aria compressa

6.3

Il titanio (Ti)

Il nome “titanio” deriva dalla mitologia greca, infatti i Titani erano i figli del cielo e della terra costretti a vivere tra le fiamme nascoste sotto terra. Fu scoperto in Cornovaglia nel 1791, dove il reverendo William Gregor, dalla sabbia del fiume, estrasse con una calamita una polvere scura, la ilmenite, (FeTiO3). Nel 1795 in Germania M.H. Klaproth isolò lo stesso minerale che oggi è il rutilo (TiO2). Dalla temperatura ambiente fino a 882 °C, il titanio ha una struttura EC. Oltre questa temperatura il titanio si trasforma in un sistema CCC, che rimane stabile fino al punto di fusione (1668 °C). Il titanio è un metallo duro di color argento e bassa densità. È amagnetico, ha un elevato rapporto prestazioni/peso ed è resistente alla corrosione. Per le difficoltà di produzione e di lavorazione, il titanio è un metallo costoso: oltre 5 volte l’alluminio. Questo limita i suoi impieghi in settori di alta tecnologia. Le principali applicazioni del titanio sono nell’industria aerospaziale (➜ Fig. 14), nell’industria chimica e petrolchimica, nella nautica, nella biomedica per la sua biocompatibilità (➜ Fig. 15), nella produzione di componenti automobilistici e sportivi.

Alluminio: sostenibile o no?

➜ Fig. 12 • Finestra in alluminio con taglio termico.

ingresso aria ambiente ingresso gas di scarico uscita gas di scarico turbina

➜ Fig. 13 • Sistema turbocompressore per autovettura.

➜ Fig. 14 • Mach 3.0, la temperatura ai bordi principali dell’ala supera i 400 °C, per cui sono realizzati in lega di titanio.

➜ Fig. 15 • Implantologia dentale: il sistema di ancoraggio della corona sulla mascella/mandibola è in titanio.

6.4 Il magnesio (Mg)

Il magnesio puro è un metallo di colore bianco argenteo. Si incendia facilmente, quando si trova sotto forma di trucioli o polveri, generando una luce intensissima: viene infatti usato in fotografia per il flash e ancora attualmente in pirotecnica. Il magnesio è facilmente corrodibile e deve essere protetto con dei trattamenti superficiali. Cristallizza con reticolo EC, per cui è poco malleabile rispetto all’alluminio. A temperatura compresa fra 260 °C e 360 °C si ha però un notevole aumento di malleabilità. La resistenza meccanica del magnesio è più elevata di quella dell’alluminio, ma le sue proprietà elastiche, la sua malleabilità e la sua duttilità sono molto ridotte. Nel settore automotive, i getti pressofusi in magnesio stanno sostituendo sempre più i componenti in acciaio o in alluminio, riducendo il peso totale dei veicoli (➜ Fig. 22 e 23). Un ottimo rapporto resistenza/peso, con peso minore del 45% se confrontato con quello dell’alluminio, permette nuove applicazioni nei settori dell’aviazione e aerospaziale.

6.5 La metallurgia delle polveri

6.5.1 NOTIZIE STORICHE

La metallurgia delle polveri, spesso abbreviata con l’acronimo MdP, è conosciuta anche col nome di sinterizzazione o metalloceramica . Rispetto alla metallurgia tradizionale, permette di ottenere una microstruttura più fine e omogenea, e quindi migliori proprietà meccaniche.

La sua scoperta risale alle origini della nostra civiltà, ma è rimasta in ombra per molti secoli. Occorre attendere gli anni Venti del secolo scorso perché compaiano applicazioni della MdP di un certo rilievo, fino a registrare, specie negli anni Sessanta e Settanta, tassi di crescita notevoli, anche a spese delle tecnologie di produzione di tipo più tradizionale. Con questa tecnica si realizzano pezzi di media e grande serie, con differenze spesso minime tra un pezzo sinterizzato e uno tradizionale.

6.5.2 PRODUZIONE DELLE POLVERI

Il rottame di ferro è caricato in forni elettrici (➜ Fig. 24). Una volta avviati, gli elettrodi del forno generano archi elettrici con il rottame, portandolo a fusione a una temperatura di 1600-1750 °C. Terminata la fusione si procede alla successiva fase di affinazione , cioè si aggiungono al bagno fuso tutti

➜ Fig. 22 • Telaio della bicicletta in magnesio.

➜ Fig. 23 • Ruote della bicicletta in magnesio.

➜ Fig. 24 • Una fase della colata.

Le terre rare e il litio

Carbonio e grafene