Le molle sono componenti fondamentali in numerosi settori industriali, dalla meccanica all’elettronica passando per le applicazioni medicali, grazie alla loro capacità di immagazzinare e rilasciare energia, che nella fattispecie è di tipo elastico. Nell’ambito dei componenti elastici esistono diverse tipologie di molle, che possono essere dimensionate per adattarsi alle specifiche esigenze tecniche dell’applicazione che la richiede. I fattori che determinano nel dettaglio le caratteristiche di una molla sono molteplici. Tra i principali possiamo elencare:

• Come viene applicato il carico. Questo è il primo aspetto che va affrontato, perché la direzione e la tipologia del carico, definiscono il tipo di molla da utilizzare. Direzioni assiali sono tipiche delle molle a compressione e a trazione, anche le molle a forza costante possono agire in direzione assiale pur di creare l’apposita interfaccia tra l’elemento elastico e l’elemento da guidare. Questo aspetto verrà affrontato in dettaglio nell’elenco che seguirà.
• L’ambiente operativo. Aspetti quali la temperatura e il contatto con atmosfere o sostanze corrosive, determinano la scelta del materiale e in seconda battuta il rivestimento superficiale, se ci si orienta su materiali non intrinsecamente in grado di fornire protezione alla corrosione.
• Lo spazio disponibile per l’installazione della molla, ne definisce forzatamente le dimensioni. Allo stesso modo l’esistenza di perni/aste passanti, guide esterne, cappucci e altre strutture d’interfaccia, definiscono parimenti gli ingombri che deve avere l’elemento elastico.
• Le prestazioni richieste, in particolar modo la natura dinamica o statica del carico applicato, orientano nuovamente le scelte sul materiale da utilizzare e dei trattamenti da eseguire. Su quest’ultimo punto, il riferimento va al trattamento di pallinatura con i suoi benefici sulla durata a fatica della molla.

In questo articolo, approfondiremo le tipologie di molle principali, le più conosciute e le più diffuse. Per capirci quelle che inconsciamente fanno parte della nostra vita, in quanto utilizzatori dei dispositivi che le impiegano.

In dettaglio parleremo di molle a compressione, trazione, torsione e a spirale, analizzando brevemente l’applicazione e il settore d’impiego, cercando di fornire una breve panoramica delle caratteristiche principali, dei materiali impiegati e della funzione che garantiscono.

Un paragrafo specifico verrà dedicato alle micro-molle, che non costituiscono in sé una tipologia di molle, ma che per esigenze applicative costituiscono una classe a parte, almeno per chi le produce, perché richiedono macchine specifiche e diametri di filo che pongono sfide tecnologiche a chi li produce.

In un approccio che non pretende di essere esaustivo, abbiamo pensato di organizzare la nostra presentazione in 5 punti, cercando di fare un “volo d’uccello”, tra le tipologie di molle più note, correlandole alle applicazioni più diffuse e che più s’incontrano nella vita quotidiana di ognuno di noi. A conclusione faremo una brevissima panoramica su quelle che sono le aree di sviluppo degli ultimi decenni, che potrebbero guidare l’evoluzione dei componenti elastici, che sono dei grandi vecchi (le prime applicazioni risalgono all’antichità) con un grande futuro di fronte a loro.

Molle a Compressione: Impiego classico e più diffuso, senza dimenticare l’innovazione nei Sistemi Meccanici Avanzati

Quando si pensa alle molle a compressione la mente va nella maggior parte dei casi al concetto di ammortizzatore. Effettivamente un settore che fa ampio uso di molle a compressione è quello delle sospensioni, sia in ambito automobilistico che motociclistico. Non trascuriamo l’ambito ciclistico, che con l’avvento delle biciclette per il fuoristrada (mountain bike, bike trial, free ride …), hanno portato allo sviluppo di forcelle e mono ammortizzatori posteriori che impiegano molle a compressione. Negli ammortizzatori le molle a compressione sono a supporto di altri sistemi che hanno una componente elastica essi stessi, che non sfruttano le caratteristiche elastiche dei metalli, ma utilizzano la comprimibilità di sostanze gassose (aria, azoto) o liquide (oli o polimeri).

Infatti, non va trascurato il fatto che la funzione dell’ammortizzatore, è quella di dissipare l’energia di un urto e non quella di restituirla pressoché inalterata. Ne segue che le molle a compressione si comprimono assorbendo l’energia dell’urto, che viene successivamente dissipata nel moto di ritorno, normalmente per attrito viscoso, nel meccanismo interno dell’ammortizzatore che è il dissipatore.

In generale, le molle a compressione sono gli elementi elastici più comuni e versatili, banalmente vengono utilizzate in applicazioni che richiedono resistenza a forze di compressione assiale. Il settore automotive è uno dei settori che ne fa maggiore uso. In una panoramica che non vuole e non può essere esaustiva, abbiamo selezionato tre tipologie d’impiego, in cui la molla costituisce l’elemento funzionale principale.

• Valvole dei Motori a combustione interna: Le molle a compressione sono essenziali per il funzionamento delle valvole di alimentazione e scarico dei cilindri. Queste garantiscono il moto periodico di ritorno, a compensazione di quello di andata impresso dal sistema di distribuzione. Nel senso che la corsa di andata (apertura valvola) è garantita dall’attivazione diretta dei sistemi di distribuzione, mentre la chiusura rapida e precisa della valvola, necessaria per la combustione efficiente, viene garantita dal moto di ritorno della molla. Il fattore chiave di questa applicazione è la resistenza a fatica, in relazione al fatto che nella sua vita operativa, un motore e di conseguenza le valvole, eseguono milioni di cicli. Questo impiego più di altri, ha guidato lo sviluppo tecnologico dei materiali e dei trattamenti volti ad aumentare la resistenza a fatica delle molle. Ovviamente altri settori hanno beneficiato della ricaduta tecnologica, delle innovazioni sviluppate per questo impiego, per primo lo sviluppo di materiali che mantengono le prestazioni elastiche in presenza di temperature medio-alte, con bassi cedimenti nel corso del tempo. Questo ha portato allo sviluppo di leghe al Cr-Si, Cr-V e Cr-Si-Ni, che consentono di operare con temperature fino a 150-200°C, garantendo cedimenti sotto carico inferiori al 5-6%.
• Frizione.: Anche nelle frizioni ci sono molle a compressione. Per questa applicazione le molle hanno una forma caratteristica ricurva ad arco di circonferenza. Inoltre, per questioni di forza richiesta e ingombro limitato, usano spesso l’approccio “nested spring”, cioè le molle inserite una nell’altra. Dato che anche nella frizione le temperature sono elevate, si usano gli stessi materiali delle molle valvola. In questa applicazione il focus è più sul rilassamento statico a caldo.
• Dispositivi di Sicurezza: Nei sistemi di sicurezza passiva, come gli airbag, le molle a compressione vengono utilizzate nei sensori d’impatto, che forniscono alla centralina gli input per attivare o meno gli airbag.

Molle a Trazione: Efficienza in Sistemi di Bilanciamento e Movimentazione

Applicazioni in Meccanismi di Contrappeso e Sistemi di Apertura

Le molle a trazione si realizzano avvolgendo il filo senza passo tra le spire. L’applicazione della forza avviene sempre assialmente, ma porta la molla ad estendersi invece che a comprimersi. Le molle a trazione si usano dove la forza di recupero non è in spinta ma in tiro. Un esempio significativo è rappresentato dalle porte basculanti dei garage e dai sistemi di contrappeso negli ascensori.

• Porte Basculanti e Serrande: Per alcune tipologie di basculanti, le molle a trazione bilanciando il peso della struttura riducendo lo sforzo necessario in fase di apertura. Anche nelle porte degli elettrodomestici, in particolare lavastoviglie, le molle a trazione aiutano nella fase di apertura, evitando che lo sportello cada di schianto.
• Dispositivi Medici: In alcune apparecchiature medicali, come le pompe a infusione, le molle a trazione garantiscono un flusso controllato di fluidi, definendo con precisione le dosi somministrate. Con funzionalità di guina, le molle a trazione con diametri ridotti, possono essere utilizzate come cateteri o sonde d’ispezione venosa, per il supporto delle fibre ottiche, nell’ambito della diagnostica e della chirurgia laparoscopica. Nei dispositivi medici il materiale utilizzato è prevalentemente l’acciaio inox.
• Mobili e elementi d’arredo: Una applicazione poco nota delle molle a trazione è nei cassetti dei mobili, dove molle a trazione con particolare forma dei terminali, permettono la chiusura facilitata dei cassetti stessi.

Negli ambienti aggressivi è sempre preferibile utilizzare materiali intrinsecamente resistenti alla corrosione, vista la difficoltà di applicare rivestimenti protettivi nelle zone in cui le spire sono a contatto. Per applicazione particolari, si agisce su molle pre tensionate che lasciano luce tra le spire, questo ovviamente implica la realizzazione di telai di supporto, in cui in inserire le molle per mantenerle in tensione ed esporre tutta la superficie da ricoprire con una pellicola protettiva. In tal senso sono molteplici i rivestimenti possibili, sia di natura galvanica (zincatura, nichelatura, cromatura, Zi-Ni) che organica (verniciatura epossidica o in cataforesi). Negli ultimi 30 anni si sono affermati i trattamenti a scaglie di Zn-Al, che sono di fatto delle verniciature con miscele di elementi metallici dispersi in una base acquosa (Geomet, Zintek Magni, Delta protekt).

Molle a Torsione: Precisione nei Meccanismi Rotazionali

Le molle a torsione esercitano una forza quando vengono ruotate attorno al proprio asse, trovando impiego in meccanismi che richiedono controllo angolare e/o coppie motrici/resistenti. L’applicazione più nota e che fa parte della nostra esperienza quotidiana è quella delle mollette per stendere il bucato. In ambito industriale le molle a torsione giocano ruoli più specifici.

• Cerniere e serrature.: Tipicamente il ritorno della maniglia di una porta, viene garantito da una molla a torsione. Anche le maniglie delle porte auto contengono molle a torsione per il ritorno in posizione di riposo
• Tendine parasole, zanzariere e teli copri vano posteriore: Nei meccanismi che determinano il riavvolgimento delle tende, dopo esser state estese, agiscono delle molle a torsione ad alto numero di spire, per garantire escursioni di manovra elevate.
• Tendi cinghia e tendi catene di distribuzione: Le cinghie sono elementi di trasmissione del moto rotatorio, specie tra pulegge, che necessitano di mantenere una tensione costante. Durante il ciclo vita di questi elementi di trasmissione, avviene un naturale rilassamento dei materiali che li costituiscono (struttura in fili d’acciaio di rinforzo, immersi in una matrice di gomma), che comporta un allungamento/allentamento della cinghia stessa. Il meccanismo del tendi cinghia, recupera questo allentamento, modulando tramite l’azione di una coppia di torsione, la tensione della cinghia stessa.
• Ritorno di sportelli nei piccoli elettrodomestici. Anche nei nostri elettrodomestici di uso quotidiano, le molle a torsione sono presenti in grande quantità, praticamente in tutte le applicazioni, in cui occorre richiuder un piccolo sportello, senza l’azione specifica dell’operatore.

Non esiste un materiale specifico per le molle a torsione, In generale si evita l’uso del pre-temprato Cr-Si, vista la difficoltà di eseguire il trattamento di pallinatura.

Molle a Spirale: Energia Accumulata nei meccanismi di Ritorno

Applicazioni in Sistemi di Avvolgimento, tra cui anche quelli dei dispositivi di Sicurezza passiva.

Le molle a spirale, appartengono alla categoria delle molle a nastro, sono utilizzate per immagazzinare energia elastica di tipo torsionale. La loro geometria permette di aumentare il numero di rotazioni possibili, mantenendo un ingombro assiale ridotto, cosa non possibile con le molle a torsione, che per avere una corsa angolare elevata hanno bisogno di tante spire e quindi di una lunghezza adeguata. Infatti, nelle molle a spirale la rotazione comporta una riduzione del diametro delle varie spirali che compongono la molla, il vantaggio è che questo cambiamento che avviene a parità di ingombro assiale.

Sono fondamentali in meccanismi che richiedono un movimento di ritorno controllato, cioè il rilascio dell’energia accumulata per lunghe escursioni angolari o lineari.

• Orologeria Meccanica: Nelle molle di carica degli orologi, l’energia accumulata permette il funzionamento continuo del meccanismo. In queste applicazioni le molle utilizzano fili con sezione quadra o rettangolare. A causa delle elevatissime sollecitazioni si utilizzano non solo leghe di acciaio ad alto contenuto di carbonio, ma anche leghe Ni-Co (Phynox, Elgiloy e Nimonic).
• Meccanismi di Riavvolgimento: Nei metri riavvolgibili, aspirapolvere, cintini per tapparelle, le molle a spirale consentono il riavvolgimento automatico degli elementi ad essi collegati.
• Dispositivi di Sicurezza: Nei sistemi di tensionamento delle cinture di sicurezza, le molle a spirale assicurano il ritorno delle stesse cinture dopo lo sgancio.

Sempre con le molle a spirale è possibile realizzare le molle a forza costante, che sfruttano il meccanismo della variazione del diametro in fase di elongazione, per mantenere la forza di recupero costante.

Micro-Molle: Componenti Chiave nell’Elettronica di Precisione

Miniaturizzazione e Affidabilità nei Dispositivi Avanzati

Le micro-molle sono un settore specifico nell’ambito della produzione delle molle. All’interno di questa categoria rientrano tutte le precedenti fin qui viste, perché per queste molle non è la forma la distinzione, ma le dimensioni. Infatti, le loro dimensioni determinano sfide tecnologiche sia nell’ambito della produzione dei formati di filo/nastro utilizzati (diametri di 0.01 mm), che nelle macchine usate per la produzione dele molle stesse. Inutile dire che le macchine avvolgitrici che usano fili di diametro sotto 0.1 mm, per produrre molle con diametro a volte inferiori a 0.1 mm, richiedono dispositivi ottici a bordo macchina, che permettano all’operatore di vedere cosa produce.

La miniaturizzazione è l’elemento distintivo di queste molle. Il loro utilizzo è diffuso in ambiti come la microelettronica, la tecnologia medica e i sistemi MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems).

• Connettori Elettrici: Le micro-molle assicurano contatti affidabili in connettori miniaturizzati, resistendo a vibrazioni e shock meccanici. Materiali come leghe di rame-berillio offrono validi compromessi tra le necessarie proprietà conduttive e le auspicabili proprietà elastiche.
• Sensori e Attuatori MEMS: In dispositivi come accelerometri e giroscopi, le micro-molle permettono il movimento controllato di elementi microscopici, che determinano la funzionalità dei sensori stessi.
• Dispositivi Medici Impiantabili: Le micro-molle sono utilizzate in stent cardiaci espandibili e altri dispositivi dove la biocompatibilità e la precisione sono cruciali. L’utilizzo di materiali come il nitinol (lega di nichel-titanio) offre proprietà superelastiche e memoria di forma.

La produzione di micro-molle richiede tecnologie avanzate come la fotoincisione, la deposizione chimica e l’elettroformatura, che permettono di ottenere geometrie complesse con tolleranze nell’ordine dei micron.

Quanta tecnologie nella produzione delle molle.

Progressi nella Scienza dei Materiali e nella Manifattura Avanzata

Pur nella loro apparente semplicità, le molle sono il prodotto di conoscenze e innovazioni, che spaziano in tutti gli ambiti, in particolare, materiali, macchine di produzione servoassistite, controllo ottico a bordo macchina o post-produzione, tecniche d’analisi statistica dei dati e controllo dei processi in tempo reale. Ricordiamo brevemente alcune history case, per dare una panoramica di quanto detto.

• Materiali: Utilizzo di leghe speciali come leghe di titanio (nitinol), impiego delle proprietà specifiche come super elasticità e memoria di forma.
• Processi speciali: La pallinatura controllata e l’analisi delle tensioni residue con la difrattometria a raggi X.
• Controllo Qualità Avanzato: Sistemi di visione artificiale, misurazioni laser e ottiche a bordo macchina, scartatori collegati con i sistemi di controllo. Possibilità di effettuare selezioni ex-ante con tolleranze estremamente ridotte. Manipolazione robotica per posizionamenti precisi in ambito controllo o alimentazione di macchine abitualmente asserviti da personale umano.

Conclusione

Le molle svolgono un ruolo cruciale in una vasta gamma di applicazioni, spesso invisibili all’utilizzatore finale ma essenziali per il funzionamento di molteplici dispositivi. L’innovazione nei materiali e nelle tecnologie produttive ha permesso di spingere i limiti delle prestazioni, aprendo nuove possibilità in settori come l’automotive, l’aerospaziale, la medicina e l’elettronica di consumo.

La scelta accurata del tipo di molla, del materiale e della tecnologia di produzione è fondamentale per soddisfare le esigenze specifiche di ogni applicazione.

Nota sull’Azienda

Mollificio Valli è impegnato nell’offrire soluzioni nel campo delle molle e dei componenti elastici, supportando le esigenze dei clienti, implementando allo stesso tempo gli ultimi sviluppi dello stato dell’arte in ambito materiali, trattamenti tecnologie produttive e controllo.

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