Stampaggio a iniezione

Un macchinario per lo stampaggio a iniezione

Lo stampaggio a iniezione è un processo di produzione industriale in cui un materiale plastico viene fuso e iniettato ad elevata pressione all'interno di uno stampo chiuso, che viene aperto dopo il raffreddamento del manufatto.

Generalmente l'iniezione avviene a pressioni elevate ed a temperature abbastanza elevate da consentire lo scorrimento del materiale "plastificato" all'interno del macchinario.

Il principio di funzionamento dello stampaggio a iniezione è simile alla pressofusione.

Descrizione del macchinario

Schema di funzionamento del sistema di iniezione

Schema di funzionamento del processo

Il macchinario (detto pressa ad iniezione) in cui viene svolta l'operazione di stampaggio a iniezione è costituito da un "gruppo iniezione" (detto a "vite punzonante") collegato a un "gruppo chiusura". Il gruppo iniezione ha il compito di riscaldare e quindi plastificare il materiale e di spingerlo all'interno dello stampo (grazie all'azione di un pistone o di una vite mobile), mentre il gruppo chiusura ha il compito di tenere chiuso lo stampo (idraulicamente o meccanicamente) contrastando l'alta pressione generata dal gruppo iniezione.

I costituenti principali delle presse per iniezione sono:

• un piano fisso, al quale si fissa un semistampo (normalmente il semistampo femmina, o matrice);
• un piano mobile, al quale si fissa l’altro semistampo (punzone);
• un sistema di supporto e guida del piano mobile (generalmente 4 colonne a sezione cilindrica);
• un meccanismo di chiusura dello stampo (generalmente una ginocchiera azionata da pistoni idraulici);
• un "gruppo di plastificazione ed iniezione", costituito da una vite senza fine a profilo e sezione variabile, contenuta in un cilindro riscaldato elettricamente, la vite ha la possibilità di ruotare intorno al suo asse (caricamento e fusione del materiale) e di spostarsi assialmente, agendo da pistone (fase di iniezione). La testa del cilindro porta un ugello che, attraverso un foro nel piano fisso della pressa è mantenuto a contatto del foro di iniezione dello stampo;
• una centralina oleodinamica, che fornisce l’energia per gli azionamenti;
• un basamento di supporto;
• una unità di governo elettronica, assistita da calcolatori.

Estrusore

Per approfondire, vedi estrusore.

L'estrusore propriamente detto è una diversificazione di una pressa ad iniezione, è principalmente costituito da uno speciale gruppo di plastificazione ad alta produttività (spesso sono presenti due viti che concorrono parallele) ed è composto da un cilindro con una camera interna riscaldato alla temperatura necessaria per la fusione del materiale da stampare, nella quale è presente una vite (chiamata "vite di estrusione"). Tipicamente un estrusore viene utilizzato per la produzione di compound (miscele), di profilati a sezione costante realizzati facendo passare il materiale semi fuso prodotto dal gruppo di plastificazione attraverso delle matrici aperte. Il manufatto ottenuto in questo caso può prendere le forme più disparate: dal filo semplice, al profilato complesso tipico per esempio dei serramenti.

Pressa per lo stampaggio

La "gruppo chiusura" è la parte della macchina dove viene montato lo stampo del pezzo da realizzare; la chiusura stampo è costituita a sua volta dalle seguenti parti:

• il sistema di chiusura dello stampo, può essere di tipo "a ginocchiera", "doppia ginocchiera", "monobraccio", "a pistone" o "hidroblock";
• il sistema di estrazione del pezzo, solitamente idraulico, ma anche meccanico.

Diverse sono le tipologie di presse ad iniezione: da quelle ad azionamento totalemnte idraulico alle più moderne con azionamento elettrico, le quali consentono grazie all'impiego di servomotori e controlli numerici più veloce ed un accurato controllo del processo nonché un risparmio energetico di circa il 20-30%, esistono anche presse "ibride" con gruppo chiusura idraulico e gruppo di plastificazione/iniezione elettrico.

La disposizione più diffusa è quella orizzontale (movimento di apertura degli stampi orizzontale), ma per lavorazioni particolari si utilizzano presse verticali.

I parametri identificativi delle presse sono:

• la forza di chiusura;
• il passaggio tra le colonne, ovvero la massima dimensione trasversale dello stampo che può essere montato;
• la corsa di apertura del piano mobile;
• la capacità di plastificazione, ovvero la massima quantità di materiale che può essere iniettato in ciascun ciclo;
• i cicli "a vuoto" che la pressa può effettuare alla massima velocità, senza produzione di prodotti.

Le pressioni sono dell'ordine di qualche centinaio di bar e la forza (in tonnellate) necessaria per tenere chiusi gli stampi è ricavabile dalla seguente formula:

$F=\frac{P \cdot S}{1000}$

dove P è la pressione di iniezione in kg/cm² (per le unità di misura vedi nota) ed S è la superficie dell'area frontale del pezzo da stampare (in cm²) ortogonale al piano di iniezione. Solitamente questa formula da una prima approssimazione del tonnellaggio necessario per stampare ad iniezione un prodotto, viene infatti, spesso aggiunto come moltiplicatore un fattore C dipendente dalla complessità del pezzo da produrre, del suo spessore medio, dalla valutazione della "estetica" o meno del particolare.

Ciclo di funzionamento

La pressa nell ' interno della quale vi è la camera di iniezione, ove il granulato di polimeri plastici viene prelevato da un serbatoio tramoggia di alimentazione e viene portato alla temperatura di fusione mediante una serie di resistenze elettriche termostatate, seguendo uno specifico programma preimpostato dall ' operatore, in funzione del tipo di materiale, della grammatura del pezzo e della compattezza del pezzo finito, effettua la chiusura dello stampo, e successivamente inizia la fase di iniezione del materiale fino a circa l'85%del peso del pezzo. Il completamento al 100% del pezzo avviene con la seconda fase (fase di "compattamento"), mantenendo il materiale in pressione fino a quando il pezzo stampato non si solidifica, questa seconda fase realizza la "compensazione" del ritiro volumetrico che la materia plastica, raffreddandosi naturalmente, subisce; inizia quindi la fase di "plastificazione" del materiale, ruotando ed arretrando la vite di iniezione fino al raggiungimento della posizione che identifica la dosatura necessaria per quel pezzo; la logica di gestione della pressa quindi apre lo stampo ed estrae il pezzo stampato con un sistema a punzone meccanico o con martinetto idraulico, oppure mediante estrazione pneumatica, svitamento elettrico o idraulico. Indi il pezzo espulso dallo stampo cade in un canale sottostante che lo fa depositare in un idoneo contenitore che verra' prelevato per le successive fasi di selezione, controllo ed eventuale successiva rifinitura del pezzo. Nelle aziende ad elevata automazione per aumentare la produzione e permettere il lavoro continuo h 24 / 24 un robot cartesiano o antropomorfo preleva il pezzo o più pezzi e li pallettizza secondo un programma di lavoro.

Il ciclo macchina tipico è quindi composto dalle seguenti fasi:

• Caricamento e fusione: la vite gira prelevando il materiale per caduta (in granuli dalla dimensione variabile da 1 a circa 5 mm) da una tramoggia fissata al cilindro, il materiale, avanzando verso la testa del cilindro, fonde per effetto del riscaldamento del cilindro e dell’attrito. L'accumulo del materiale plastificato nella parte anteriore del cilindro fa arretrare la vite determinando la quantità di materiale che verrà iniettata.
• Chiusura e bloccaggio dello stampo. I due semistampi vengono avvicinati velocemente in bassa pressione e a pochi decimi di distanza vengono bloccati in posizione di massima forza di chiusura.
• Iniezione: alla vite viene applicata una velocità controllata da programma, con libertà di utilizzo della pressione idraulica disponibile. La vite, spostandosi rapidamente in avanti, come un pistone, forza il materiale fuso, attraverso l’ugello, nella cavità dello stampo. (fase. "controllo in velocità")
• Mantenimento in pressione: la vite continua ad essere spinta in avanti solitamente con una pressione più bassa di quella di iniezione, mantenendo la pressione sul materiale finché questo non è solidificato. (fase. "controllo in pressione")
• Rilascio della pressione della vite.
• Rotazione della vite per preparazione al nuovo ciclo vedi "caricamento e fusione".
• Arretramento del gruppo iniezione (movimento opzionale)
• Eventuale attesa di raffreddamento del materiale nello stampo.
• Apertura dello stampo ed estrazione / espulsione del pezzo (automatica, manuale o assistita da manipolatori esterni) dei pezzi.

Pezzi ottenuti attraverso stampaggio ad iniezione; sono presenti anche i residui di lavorazione relativi ai canali di adduzione (segnati in blu) e ai gate (segnati in rosso). Nell'immagine pezzi di una scatola di montaggio di un modello di McDonnell Douglas F/A-18 Hornet

I pezzi ottenuti richiedono in certi casi operazioni accessorie come l’asportazione del materiale degli attacchi di iniezione (materozze), la sbavatura, l’esecuzione di fori ecc, ma spesso sono perfettamente finiti. È possibile realizzare il co-stampaggio di inserti metallici filettati o particolari in acciaio che, alla fine del processo, risulteranno saldamente inglobati al manufatto.

Negli ultimi anni si assiste al graduale inserimento di presse da iniezione di tipo elettrico, che permettono velocità di movimento dei piani elevate, silenziosità, e bassa manutenzione, pulizia. Ulteriori ampliamenti del processo di iniezione sono raggiunti mediante la costruzione di presse con più gruppi di iniezione, capaci di iniettare due o più materiali contemporaneamente, oppure presse con più gruppi chiusura che permettono di realizzare fasi di stampaggio multiple su stampi rotanti. Il concetto di funzionamento rimane però lo stesso appena descritto, con l'aggiunta dell'eventuale sovrapposizione di movimenti.

L'alto costo delle attrezzature necessarie alla produzione di particolari plastici (stampi) ha richiesto la creazione di software dedicati alla pre-progettazione del manufatto, simulando il processo di stampaggio con algoritmi estremamente complessi. Il risultato di queste elaborazioni può essere utilizzato per progettare lo stampo in modo semi-definitivo.

Solitamente sono sempre necessarie messe a punto in macchina del processo simulato, in quanto la simulazione teorica fornisce indicazioni valide quanto i dati immessi. La costruzione reale comporta tolleranze e precisione di lavorazione spesso non analizzabili dal software.

Voci correlate

• Fusione
• Stampaggio di materie plastiche
• Stampaggio per soffiaggio
• Rotostampaggio

Altri progetti

• Commons

• Commons contiene immagini o altri file su Stampaggio a iniezione
• Questa voce è inclusa nel libro di Wikipedia Materie plastiche.

Portale Chimica	Portale Ingegneria
Portale Materiali	Portale Modellismo