Stampaggio a iniezione

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Un macchinario per lo stampaggio a iniezione anni '90

Lo stampaggio a iniezione è un processo di produzione industriale in cui un materiale plastico viene fuso (plastificato) 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[modifica | modifica sorgente]

Le componenti principali del sistema di iniezione
Schema di principio dell'unità di iniezione di una moderna pressa per lo stampaggio a iniezione delle materie plastiche.

Il macchinario (detto pressa ad iniezione) che permette 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 fino a fusione e quindi plastificare il materiale e di spingerlo poi 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) durante la fase di iniezione, 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) e che si apre alla fine del processo di raffreddamento per permettere la fuoriuscita del pezzo stampato;
  • 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) retrocedendo durante la fase di caricamento del granulo e di spostarsi assialmente in avanti, agendo da pistone, durante la 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 piastra di estrazione, che permette il distacco del pezzo sformato dallo stampo;
  • una centralina oleodinamica, che fornisce l’energia per gli azionamenti;
  • un basamento di supporto;
  • una unità di governo elettronica, assistita da calcolatori.

Estrusore[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png 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[modifica | modifica sorgente]

Il "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, che può essere di tipo "a ginocchiera", "doppia ginocchiera", "monobraccio", "a pistone" o "hidroblock";
  • il sistema di estrazione del pezzo, meccanico per i pezzi più semplici ed idraulico per pezzi più complessi o delicati.

Diverse sono le tipologie di presse ad iniezione: da quelle ad azionamento totalmente idraulico alle più moderne con azionamento elettrico, le quali consentono grazie all'impiego di servomotori e controlli numerici un più veloce ed 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, oppure gruppo chiusura e plastificazione elettrici, e piastra di estrazione e movimenti ausiliari idraulici.

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 distanza massima e minima alla quale i due piani della pressa si possono "chiudere". Ciò incide sulla scelta della pressa in base alla dimensione dello stampo: in una pressa 400-200mm si può alloggiare uno stampo di 300mm, ma non uno più grande o più piccolo dei valori indicati;
  • la capacità di plastificazione, ovvero la massima quantità di materiale che può essere iniettato in ciascun ciclo, in cm³;
  • 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[1]) ed S è la superficie dell'area frontale del pezzo da stampare (in cm²) ortogonale al piano di iniezione. Solitamente questa formula dà una prima approssimazione del tonnellaggio necessario per stampare ad iniezione un prodotto; viene spesso aggiunto come moltiplicatore un fattore C che è funzione dalla complessità del pezzo da produrre, del suo spessore medio, della valutazione "estetica" o meno del particolare.

Ciclo di funzionamento[modifica | modifica sorgente]

All'inizio di un ciclo di stampaggio a iniezione i granuli del polimero plastico da stampare, contenuti in un apposito serbatoio detto tramoggia, vengono fatti cadere all'interno del cilindro tramite la rotazione e l'arretramento della vite di alimentazione e plastificazione. All'interno del cilindro i granuli vengono riscaldati da una serie di resistenze elettriche fino oltre la loro temperatura di fusione e plastificati dalla rotazione della vite seguendo uno specifico programma preimpostato dall'operatore in funzione del tipo di materiale, della grammatura del pezzo e della compattezza del pezzo finito.

La pressa ha nel contempo provveduto alla chiusura dello stampo e può quindi iniziare la fase di iniezione rapida 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 o mantenimento"), 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.

A questo punto la logica di gestione della pressa dà il via all'apertura dello stampo per permettere l'estrazione del pezzo stampato. Questa può avvenire con un sistema a punzone meccanico, 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 da dove verrà 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, si ricorre a robot cartesiano o a un manipolatore antropomorfo che preleva il pezzo o più pezzi e li pallettizza secondo uno specifico programma di lavoro.

Può iniziare quindi un nuovo ciclo, con una nuova fase di alimentazione del materiale.

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 e elevata ripetibilità dei cicli. 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.

Sistema di iniezione a Camera Calda[modifica | modifica sorgente]

Il sistema di iniezione più utilizzato per pezzi tecnici e di piccola grammatura è il cosiddetto sistema a camera calda. Consistente in un distributore metallico inserito nella parte fissa dello stampo (parte a diretto contatto con il carro-pressa), ramificato o meno a seconda del numero di figure dello stampo e adeguatamente bilanciato nei canali di scorrimento del materiale per ammortizzare e distribuire uniformemente la pressione di iniezione e la temperatura del fuso, terminante ogni canale in un ugello o puntale dal quale, al momento dell'iniezione fuoriesce il materiale.

Inoltre il sistema a camera calda può essere provvisto di un otturatore controllato da un pistone al posto del puntale puntiforme, per particolari

di grammatura maggiore o con spessori notevoli che richiedono una portata di flusso maggiore o materiali caricati con fibre lunghe, questo grazie

al maggior diametro del gate che permette alla fibra di non rompersi durante il passaggio attraverso l'ugello e di riempire agevolmente la figura.

I vantaggi di questa tecnica di stampaggio sono innanzitutto il risparmio di materiale(eliminazione della/e matarozza/e) miglior gestione

delle temperature stampo e condizionamento dello stesso, risparmio sui tempi di estrazione e raffreddamento del particolare, riduzione

dei tempi di manutenzione ordinaria stampo.

Lo svantaggio principale è il costo, mediamente una camera calda con ugelli puntiformi per uno stampo a due figure con gate compreso tra 0,8 mm e 1,5 mm è di 18.000 euro, questo però ne giustifica l'acquisto per produzioni continuative e di massa come per l'industria del packaging (stampi Stack) o per l'automotive.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ La forza espressa in kg e tonnellate si riferisce al kg peso (vedi Forza peso)

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]