Descrizione di una macchina per stampaggio a iniezione [IT]

Il materiale in granuli passa dalla tramoggia in un cilindro di acciaio che contiene la vite che convoglia il materiale nella camera di iniezione.

Le pareti del cilindro sono riscaldate tra i 200 °C e 300°C tramite resistenze elastiche (riscaldatori). Le fasi del processo sono le seguenti:

• chiusura ugello e stampo e applicazione della forza di chiusura;
• rotazione vite, prelievo, trasporto, plastificazione del materiale e riempimento della camera di iniezione;
• arresto rotazione vite, apertura ugello, avanzamento del pistone e riempimento dello stampo;
• mantenimento della pressione sulla vite per compensare il ritiro del materiale allo stato plastificato;
• raffreddamento per la solidificazione del materiale;
• apertura stampo ed estrazione del pezzo.

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. I parametri dello stampaggio a iniezione sono i seguenti:

• Tempo di iniezione: ordine di grandezza in secondi;
• Tempo di post-pressione: ordine di grandezza alcune decine di secondi;
• Tempo di raffreddamento: ordine di grandezza il minuto;
• Temperatura di iniezione: dipende dal tipo di polimero utilizzato;
• Temperatura dello stampo: più è alta tanto migliore è la qualità di manufatto ma tanto più lungo è il tempo di raffreddamento (valori usuali sono compresi tra i 40 e 60 °C);
• Pressione di iniezione: compresa tra i 600 e i 1800 bar;
• Forza di chiusura: in funzioni del manufatto è compresa tra le 30 e 5000 tonnellate.

I costituenti principali delle presse per iniezione sono:

• un piano fisso, cui si fissa un semistampo (normalmente il semistampo femmina);
• un piano mobile, cui si fissa l’altro semistampo;
• 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);

Stampaggio a iniezione assistito a gas [FR]

Si tratta di una variante dello stampaggio a iniezione nata per alleggerire i particolari in determinate zone;

Garantisce significativi vantaggi in termini di:

• risparmio di materiale;
• riduzione del tempo ciclo.

In generale tutti i polimeri possono essere trasformati con il gas, tuttavia le applicazioni più significative riguardano il polipropilene, polistirolo e l’ABS. Esistono inoltre esempi di utilizzo di polimeri rinforzati con fibre di vetro. Il riempimento viene effettuato in due fasi:

Fase A: è una fase dinamica durante la quale viene effettuato un parziale riempimento dello stampo, il riempimento viene completato dal gas che spinge in avanti il fronte del flusso, formando dei canali cavi all’interno;

Fase B: è una fase statica di mantenimento e di raffreddamento durante la quale il materiale subisce un ritiro volumetrico, il gas in pressione costante comprime il materiale verso l’esterno dello stampo.

I parametri di processo devono essere impostati in modo da impedire che il gas buchi il fronte del flusso di plastica ed affiori in superficie. Vi è dunque una compensazione continua che compensa i ritiri, quindi il particolare presenta un ottimo aspetto superficiale.

Comportamento del flusso di materiale termoplastico nello stampo

La conoscenza dei fenomeni che hanno luogo, durante lo stampaggio a iniezione di un polimero termoplastico, nello stampo porta sicuramente a miglioramenti sulla qualità del manufatto finito. Le caratteristiche del particolare in plastica dipendono fondamentalmente dal modo con cui esso è stato costruito. Ad esempio due pezzi identici stampati però con diversi parametri di processo non hanno gli stessi valori di ritiro e di tensione interne e si comportano in maniera differente. Il modo con cui la plastica fluisce nello stampo ha una grande importanza nel determinare la qualità del pezzo. Assumono dunque una grande importanza quei pacchetti software di simulazione che permettono la previsione delle pressioni, temperature e stress durante il processo di riempimento dello stampo. Per analizzare il fenomeno fisico del riempimento di uno stampo se ne prenda ad esempio uno con punto di iniezione centrale relativo ad un pezzo semplice a forma di piatto.

Fasi caratteristiche dello stampaggio ad iniezione [FR]

Il processo di stampaggio ad iniezione  [DE] è suddivisibile in tre fasi distinte:

• fase di riempimento;
• fase di pressurizzazione;
• fase di compensazione.

Fase di riempimento: è il tempo durante il quale la vite trasla per portare il materiale dalla camera di iniezione allo stampo. Alla fine del riempimento lo stampo va in pressione ed è stato iniettato il 100% del volume di materiale.

Fase di pressurizzazione  [FR]: dopo aver riempito lo stampo, la vite rallenta la corsa. Tuttavia durante il rallentamento viene iniettata, sfruttando la comprimibilità  [FR], della plastica.

Grazie alla pressione di stampaggio a iniezione si può forzare nella cavità un altro 15% di materiale (la plastica fusa ha un comportamento intermedio tra i fluidi incomprimibili e i gas).

Fase di compensazione: dopo la fase di pressurizzazione, la vite non si ferma del tutto ma percorre un ulteriore tratto. Infatti la  plastica presenta una notevole variazione di volume tra lo stato fuso e solido che usualmente è del 25%.

Durante tale fase si provvede a compensare completamente la variazione di volume tra stato plastificato e stato solido. Se la variazione tra lo stato plastificato e stato solido è del 25%, durante la pressurizzazione si inietta il +15% di materiale e la fase di compensazione porta dunque ad inserire nello stampo un ulteriore +10% di materiale.

Di seguito una sintesi visiva delle diverse fasi:

Comportamento durante la fase di riempimento

Si immagini il fronte della plastica che fluisce all’interno dello stampo. La plastica riempie l’ugello e il sistema di canali, successivamente entra nella cavità dello stampo formando una piccola bolla di plastica fusa. La plastica che entra in contatto con la superficie fredda delle pareti dello stampo congela istantaneamente, mentre quella al centro rimane fusa.  Il materiale che gradualmente si aggiunge fluisce lungo un canale costituito dalle nuove pareti di plastica congelata. Lo strato congelato ha un livello elevato di orientamento molecolare ed essendo solido non può essere ulteriormente orientato. All’interno dello strato congelato la plastica fusa continua a fluire man mano che entra del nuovo materiale caldo e viene a generarsi sulle pareti dello strato congelato una significativa quantità di calore per attrito. Contemporaneamente viene ceduto del calore alla superficie fredda dello stampo attraverso lo strato congelato. Inizialmente lo strato congelato è molto sottile e il calore viene ceduto rapidamente allo stampo, ciò determina un ulteriore raffreddamento della plastica che fa incrementare lo spessore dello strato congelato. L’aumento dello spessore dello strato congelato riduce a questo punto lo scambio di calore verso lo stampo. Dopo un certo intervallo di tempo, lo strato congelato avrà uno spessore tale che il calore ceduto allo stampo per conduzione eguaglierà quello introdotto dal flusso della plastica in ingresso e quello generato per attrito sullo strato congelato. Viene così raggiunta una condizione di equilibrio termico. Dal momento che gli scambi di calore avvengono a velocità molto elevata l’equilibrio termico viene raggiunto in pochi decimi di secondo.Poiché la durata del riempimento è dell’ordine di grandezza dei secondi, lo strato congelato assume presto uno stato di equilibrio all’inizio del ciclo di riempimento.

Vediamo ora come varia lo spessore  dello strato congelato:

• Se la velocità di iniezione si riduce viene generata una minor quantità di calore che entra dal flusso della plastica. Poiché lo scambio di calore per conduzione verso lo stampo non varia, lo strato congelato avrà uno spessore maggiore;
• Se al contrario si aumenta la velocità di iniezione lo strato congelato diventerà più sottile.

Durante lo scorrimento la plastica è soggetta ad uno sforzo di taglio (shear stress τ) che ordina il materiale, fa dunque allineare le molecole lungo la direzione principale del flusso. All’interno dello stampo è presente lo shear rate  [DE] (γ’), che non è costante ma varia: è massimo in corrispondenza dello strato congelato e cade a zero al centro. Viceversa lo shear rate (velocità con cui la plastica scorre sullo strato più vicino) è nulla sul bordo dello stampo dove la plastica è congelata, sale al massimo all’esterno dello strato congelato e si riduce a zero al centro dello stampo. Al termine del riempimento, si arresta il flusso e inizia il raffreddamento della plastica che a differenza di quanto avviene nello strato congelato è molto lento. Il raffreddamento lento non determina orientamento molecolare. Analizzando gli effetti dell’orientamento sul livello di stress residuo si vede che:

• sulla superficie interna dello strato congelato il materiale è fortemente orientato e avrà un elevato ritiro in fase solida;
• il ritiro del materiale orientato è tuttavia contrastato dallo strato interno che non ha orientamento molecolare.

In definitiva lo strato congelato sarà sottoposto a trazione mentre lo strato interno risulterà in uno stato di compressione. In conclusione il particolare in plastica risulta tensionato e questo può determinare deformazioni. Il comportamento è analogo alla fase di riempimento. Dal momento che la velocità di flusso diminuisce al crescere della pressione nello stampo, aumenterà di conseguenza lo spessore dello strato congelato. La differenza rispetto alla fase di riempimento è essenzialmente nell’aumento della pressione in gioco sul materiale. Tale comportamento è dovuto a variazioni di temperatura nella massa fusa. Se in una determinata zona il materiale fuso è più caldo, il flusso di resina sarà lievemente superiore apportando in quella zona materiale più caldo e mantenendo di conseguenza una temperatura più elevata. In un’area più fredda il flusso di resina sarà minore dal momento che entra meno calore e la plastica si raffredda e solidifica.

Effetti delle condizioni di stampaggio sulla qualità del pezzo [EN] [DE]

La qualità del pezzo è influenzata principalmente da:

• Temperatura della massa fusa;
• Tempo di riempimento;
• Temperatura dello stampo.

Ai fini della qualità del pezzo occorre minimizzare i livelli delle tensioni residue e annullare le possibili deformazioni sul pezzo.

Temperatura [EN], della massa fusa: Partendo da un valore basso al crescere della temperatura si assiste ad una rapida riduzione sia della pressione di iniezione che dello shear stress  [EN] e ciò è imputabile alla riduzione della viscosità. Quando la temperatura diventa molto alta le curve si appiattiscono, inoltre si corre il rischio di far degradare il materiale ottenendo un pezzo di scarsa qualità. Il peso del particolare varia con la temperatura della massa fusa. Se la T è bassa avremo una forte caduta di pressione nei canali e diventa difficile effettuare una corretta compensazione, si avrà pertanto un peso ridotto. Al crescere di T diminuisce la perdita di pressione nei canali, si attua una compensazione più efficiente e aumenta il peso del pezzo. Se la T cresce troppo aumenta il ritiro e durante il raffreddamento si possono avere segni di risucchio e riduzioni di peso.

Temperatura dello stampo: L’incremento della temperatura dello stampo ha un effetto analogo dell’aumento della temperatura della massa fusa. Al crescere della temperatura dello stampo posso operare con velocità di iniezione inferiori.

Tempo di riempimento: Tempi lunghi creano pressioni elevate dal momento che la temperatura della massa fusa tende a diminuire. Tempi brevi determinano temperature alte dal momento che la velocità del flusso di plastica è elevato. Il tempo di iniezione si sceglie in corrispondenza della minima pressione di riempimento.

Esame del manufatto da stampare [DE]

• Tipo del materiale da stampare: la scelta è legata alle funzioni a cui è destinato il manufatto. Lo stampista deve conoscere il materiale utilizzato per individuare il ritiro, il tipo di acciaio, il tipo di iniezione, il tipo di estrazione, le conicità di formatura, il tipo di condizionamento.
• Aspetto delle superfici (finitura): consiste nel prendere visione del tipo e grado di finitura richiesta sul pezzo.
• Struttura del pezzo: consiste nel controllo degli spessori, nell’eliminazione degli spigoli vivi  trasformandoli in raccordi.
• Sollecitazioni imposte al manufatto: occorre verificarne il tipo (flessione, compressione), la modalità di applicazione, l’entità.
• Tolleranze richiesta: indotte dal ritiro e condizionate da numerose variabili, come conicità di formatura o spoglie. Lungo la direzione di estrazione sono indispensabili e il valore dipende dalla geometria e dallo spessore del manufatto, tipo di materiale, dalla pressione di stampaggio, dal grado di finitura della superficie.

La spoglia minima è di mezzo grado tuttavia, ove è possibile, è consigliabile un valore compreso tra 1 e 2 gradi. Ove le tolleranze non permettono la spoglia, occorre intervenire sulla struttura dello stampo con l’inserimento di parti mobili.

Il ritiro di stampaggio dipende in prevalenza dalle proprietà fisiche del materiale plastico. Altre variabili possono tuttavia modificare l’entità del ritiro:

• Forma e spessore del pezzo;
• Tipo di stampo e posizione delle soglie di iniezione, lunghezza e sezione dei canali di alimentazione, temperatura dello stampo;
• Processo di stampaggio, variazioni delle pressioni e dei tempi di stampaggio, temperatura del materiale plastico fuso ecc.

In generale il ritiro nel senso di entrata del flusso (ritiro longitudinale) risulta diverso dal ritiro rilevato in direzione perpendicolare.

Struttura fondamentale degli stampi [DE]

Lo stampo per iniezione è costituito da due parti:

• nel primo è inserito l’iniettore (bussola di iniezione);
• nel secondo il dispositivo di espulsione.

Il pezzo stampato si trova in corrispondenza della superficie di separazione.

Lo stampo può essere ad una o più impronte, per la valutazione del loro numero sono necessarie informazioni precise sul materiale da lavorare, sulla macchina e sul tipo di stampo. Le tecniche di stampaggio per la trasformazione delle materie plastiche in prodotti finiti differiscono notevolmente e richiedono l’impiego di mezzi diversi (stampi, macchine e mezzi ausiliari), a seconda che si tratti di termoindurenti o termoplastici. Per lo stampaggio dei termoplastici si adotta generalmente il sistema a iniezione. Il materiale portato a temperatura di fusione nel cilindro plastificatore della pressa, viene iniettato a pressione nella cavità dello stampo mantenuto a bassa temperatura. La materia plastica, raffreddandosi a contatto con le pareti dello stampo, si solidifica e può quindi essere estratta.