Progettazione di stampi per materie plastiche
Che cos’è lo stampaggio ad iniezione?
Nella vita quotidiana entriamo continuamente in contatto con oggetti in plastica, la maggioranza dei quali è prodotta mediante stampaggio ad iniezione. Gli stampi sono pertanto fondamentali ai fini della produzione di massa.
Alla 2TS, dal 1987 progettiamo e costruiamo stampi ad iniezione per materie plastiche, usando acciai europei delle migliori qualità. Il nostro processo produttivo trae spunto dall’idea del cliente, prosegue con la progettazione e costruzione dello stampo, e si conclude con lo stampaggio ed il confezionamento dei prodotti finiti.
I materiali usati nello stampaggio sono classificati in due categorie: termoplastici e termoindurenti. La tecnica ad iniezione è quella più comunemente usata per lo stampaggio dei materiali termoplastici. Il materiale plastico in granuli (2) viene prima portato alla temperatura di fusione nel cilindro plastificatore della pressa tramite la pressione generata dalla vite senza fine (1). Il materiale fuso (3) viene poi iniettato a pressione nella cavità dello stampo (5), che è mantenuto a temperatura bassa. Una volta raffreddatosi per via del contatto con le pareti dello stampo, il materiale plastico si solidifica ed il pezzo stampato può quindi essere estratto (5).
Pre-progettazione degli stampi per materiali termoplastici
Due aspetti fondamentali nella progettazione dello stampo sono il calcolo del ritiro del materiale termoplastico ed il rispetto delle tolleranze necessarie per il pezzo finito. Il ritiro della plastica dipende da vari fattori, quali:- caratteristiche fisiche del materiale;
- forma e spessore del manufatto;
- tipologia dello stampo;
- posizione delle soglie di iniezione;
- lunghezza e sezione dei canali di alimentazione;
- temperatura dello stampo e del materiale plastico fuso;
- pressioni e tempi di stampaggio.
I seguenti sono interventi normalmente eseguiti sul progetto del manufatto, al fine di ottenere un miglior prodotto stampato:
- i bordi sottili vengono rinforzati con nervature o profilature, invece di aumentarne lo spessore, per ridurre concentrazioni di materiale che sono soggette a maggior ritiro;
- similmente, i forti addensamenti di materiale vengono eliminati tramite scarichi.
- gli incontri di varie nervature vengono evitati scomponendo i nodi.
Esame del manufatto da stampare
L’analisi iniziale del modello CAD del manufatto, eseguita in collaborazione con il cliente, consente di capire la tipologia di stampo più adeguata al prodotto in esame e le lavorazioni meccaniche necessarie alla sua realizzazione. Questa fase è fondamentale per calcolare un preventivo accurato dal punto di vista di costi e tempi di produzione. Essa include l’elenco di valutazioni che segue.
- Tipo di materiale: dipende dalle funzioni cui è destinato il manufatto; essa influenza il calcolo del ritiro, la scelta degli acciai adatti (con i relativi trattamenti termici e superficiali), il tipo di iniezione da adottare, il tipo di estrazione, le conicità di sformatura, il tipo di termostatazione, ecc.
- Finitura superficiale: il prodotto finito può avere superfici con differenti caratteristiche: lisce, satinate, goffrate, trasparenti, opache, lucide, cromate, ecc.). Inoltre, lavorazioni supplementari possono essere necessarie quali, ad esempio, verniciatura o serigrafia. Ai fini estetici, occorre anche stabilire le posizioni dove collocare le linee di giunzione dello stampo, le linee di saldatura del flusso, i punti di iniezione e le tracce degli estrattori.
- Struttura del manufatto: se gli spessori sono troppo sottili, può essere necessario incrementarli oppure aggiungere nervature di rinforzo, per garantire lo scorrimento del materiale e la robustezza del pezzo. Se gli spessori sono troppo elevati, occorre invece alleggerire il pezzo. Inoltre occorre raccordare gli spigoli con raggi ove possibile, evitando di creare spessori non uniformi, e valutare la proporzione tra diametro dei fori e relativa profondità. Fanno parte di questa analisi anche la valutazione dei carichi applicati, in termini di tipologia (trazione, compressione, flessione), frequenza, distribuzione ed intensità. Infine, viene ottimizzato il ritiro in funzione delle tolleranze richieste.
- Conicità di sformatura: l’entità delle conicità di sformatura (anche dette spoglie) viene stabilita in funzione di forma e spessore del pezzo, tipo di materiale stampato, pressione residua di stampaggio e finitura delle superfici dello stampo; tali fattori influenzano l’aderenza tra le superfici delle cavità dello stampo e le pareti del pezzo stampato al momento dall’estrazione di quest’ultimo. L’aderenza è maggiore sulle superfici interne del manufatto (in corrispondenza del maschio dello stampo) a causa del ritiro. Tenendo conto di questo fenomeno, la linea di giunzione dello stampo viene sempre posizionata in modo che il pezzo rimanga sempre attaccato sul maschio, che diventa pertanto il lato di estrazione. Anche se in misura minore, le conicità di sformatura vengono previste anche sulle pareti esterne (femmina dello stampo). La conicità richiesta è maggiore per superfici goffrate e minore per superfici lisce. L’assenza di conicità di sformatura causerebbe striature o alterazioni della superficie sul pezzo e rallenterebbe il ciclo di iniezione. La conicità normalmente varia da un minimo necessario di 0.30°, ad un range consigliato di 1-2°, in base all’altezza del prodotto ed agli altri parametri connessi al ritiro del materiale.
A valle dell’analisi del manufatto, fondamentale ai fini della pre-progettazione dello stampo, è spesso necessario intervenire sulla struttura del pezzo, apportando modifiche volte alla semplificazione della costruzione dello stampo. Queste modifiche sono generalmente condivise dal cliente, perché comportano una riduzione del costo e del tempo di realizzazione dello stampo.
Volume di produzione
Il volume di produzione richiesto dal cliente è un parametro fondamentale ai fini della progettazione dello stampo. Infatti il numero di cavità dello stampo è funzione della capacità produttiva necessaria, del budget disponibile per la costruzione dello stampo, del costo orario della pressa e del costo della materia prima. Queste variabili concorrono a definire il costo unitario del pezzo stampato, che ha un limite superiore derivante dal suo posizionamento nel mercato.
Inquadramento dello stampo
L’analisi fin qui effettuata permette di definire la tipologia dello stampo e la soluzione costruttiva più adatta. Nello specifico, vengono stabilite:
- la configurazione dello stampo (quadra, rotonda, semplice a due piastre, a terza piastra, a doppia-terza piastra, con doppio tavolino di estrazione, con guance, con carrelli, con ugello caldo, a camera calda, a canale freddo, con canali di alimentazione normali, stampi “stack” ecc.);
- la disposizione delle impronte (su una circonferenza, su due circonferenze concentriche, in serie, a gruppi bilanciati);
- il sistema di iniezione (a ventaglio, a lamina, a diaframma, ad anello, a sottomarina, a capillare, a camera calda, a canali di alimentazione tradizionali ecc.).
- il tipo di estrazione (a spine, a lamelle, a stecche, a bussole o cannocchiali, a valvola, con piastra, con o senza stacco delle materozze, con presa tramite robot ecc.);
- il lato dello stampo dove viene applicata l’estrazione (parte fissa o parte mobile);
- il tipo di movimentazione, che è determinato da sottosquadri o quant’altro (guance, carrelli, cilindri oleodinamici o ad aria, ganci, tiranti, camme, motori oleodinamici o elettrici per svitamenti ecc.);
- la termostatazione (acqua, olio, aria, modo intensivo o normale, nei tasselli impronta, nei basamenti);
- il tipo di acciai (per le impronte/matrici e punzoni, piastre portamatrici e portapunzoni, piastre di incastellatura, traverse calde ecc.);
- il grado di finitura delle figure (finitura a specchio e relativo tipo di pietra da usare, per punzoni, per matrici, goffratura, finta pelle, fotoincisione ecc.);
- il metodo di estrazione del manufatto dalla pressa (caduta automatica, presa con manipolatore, ecc.).
L’esito di queste analisi permette di stimare i costi dei materiali (acciai e normalizzati) e le ore di lavoro necessarie per completare lo stampo. Una volta ricevuto il benestare del cliente, si procede con la realizzazione del progetto CAD dello stampo, a partire dal modello revisionato ed approvato del manufatto.