MuCell: come migliorare prestazioni ed estetica

Negli ultimi anni, il weight saving è uno dei driver principali per molte applicazioni e, nell’ottica della competitività e sostenibilità di un prodotto, il peso dei componenti stampati in materiale plastico ne determina spesso il successo, o l’insuccesso, al pari delle prestazioni meccaniche o dell’aspetto estetico. Questo è vero, per esempio, nel comparto del packaging, dove il costo del materiale spesso ha un peso importante sul costo complessivo del prodotto, e dove l’impatto dei materiali plastici sull’ambiente esercita un’influenza sempre maggiore sulla sensibilità dei consumatori, diventando un affilato strumento di marketing nella sfida ai diretti competitor. Analogamente, nel settore automobilistico la diminuzione del peso complessivo delle vetture e, a cascata, del peso dei componenti plastici è una delle chiavi della riduzione dei consumi del veicolo. Ancora più importante, nell’automotive come in molte altre aree applicative tecniche, è la stabilità dimensionale e il contenimento delle deformazioni legate al processo di stampaggio a iniezione. Non ultimo, la riduzione dei tempi ciclo e dei consumi energetici dello stampaggio si traduce in una riduzione dei costi di produzione e un aumento dei possibili margini di guadagno nella produzione di massa, che è il campo d’azione principale dello stampaggio a iniezione.
In quest’ottica, la tecnologia di espansione microcellulare MuCell, che permette di realizzare componenti plastici espansi fisicamente, e quindi alleggeriti, acquisisce un’importanza sempre maggiore, offrendo numerosi vantaggi in termini di performance del processo e del prodotto.

La tecnologia MuCell
Il processo MuCell consiste nell’iniettare, e miscelare nel polimero fuso, gas inerti (azoto o anidride carbonica) allo stato supercritico direttamente nel cilindro durante la fase di plastificazione, ottenendo nella successiva fase di iniezione un riempimento facilitato e un’espansione fisica della resina in cavità a bassa pressione. L’espansione determina una riduzione della densità (o alleggerimento) dei pezzi e ne riduce le deformazioni, grazie a ritiri più uniformi e controllati e ad una fase di mantenimento molto uniforme effettuata dal gas in ogni punto della cavità, in sostituzione del tradizionale mantenimento operato dalla pressa, e quindi variabile rispetto alla lunghezza di flusso. Per questo motivo, oltre all’alleggerimento del pezzo stampato, si ottiene un forte incremento della stabilità dimensionale, un’efficace e puntuale compensazione dei ritiri volumetrici con eliminazione dei risucchi, una riduzione delle pressioni di iniezione e delle forze di chiusura e un’apprezzabile riduzione del tempo di ciclo e del consumo energetico. Fattori particolarmente apprezzati in molti settori dell’industria, cui le ricerche condotte nell’ultimo anno aggiungono un buon aspetto superficiale. L’abbinamento dello stampaggio a iniezione con espansione microcellulare a tecnologie innovative, tra cui l’heat and cool, hanno dimostrato chiaramente la possibilità di migliorare in maniera radicale l’aspetto estetico superficiale. Con l’applicazione di tecnologie di heat and cool si è infatti riusciti a eliminare completamente dalla superficie del pezzo le striature tipiche dei componenti espansi legate allo stiramento delle celle.
I nuovi orizzonti aperti dall’utilizzo della tecnologia MuCell e i vantaggi a livello di trasformazione, di qualità e di alleggerimento globale del componente (che comprende non solo la riduzione della densità, ma anche una sensibile riduzione degli spessori stampabili rispetto alla lunghezza di flusso, che apre il campo a una riprogettazione mirata del componente) hanno dato, negli ultimi anni, nuovo impulso a questa tecnologia, la cui comprensione e il pieno sfruttamento sono tutt’altro che banali.

Il caso di studio
Il Consorzio Proplast di Rivalta Scrivia (Alessandria), da sempre attento a promuovere l’innovazione e le tecnologie più promettenti nell’ambito dell’intera filiera delle materie plastiche e, grazie alla partnership con Engel Italia e Trexel, si è da tempo interessato alla tecnologia MuCell per testarne e metterne in evidenza i punti di forza e le eventuali criticità, e acquisire una serie di competenze che vanno dall’ingegneria dei componenti e del processo, alla possibilità di effettuare test di stampaggio presso i propri laboratori. Proprio la scrupolosa attenzione nella fase di progettazione e ingegnerizzazione dei componenti, infatti, permette alla tecnologia di esprimersi al meglio e di fornire il massimo dei suoi potenziali vantaggi.
Attraverso la realizzazione di un caso di studio, sviluppato in collaborazione con il costruttore di stampi torinese Onni-Stamp nell’ambito del progetto Microcell*, Proplast ha valutato sul campo diversi aspetti della tecnologia (tra cui la stampabilità e le condizioni di processo, i ritiri e le deformazioni, le prestazioni meccaniche e l’estetica del pezzo) e messo a punto una procedura per l’analisi e la simulazione a 360 gradi dello stampaggio microcellulare: dalla previsione del processo e della qualità dell’espansione alla previsione del comportamento meccanico dei componenti.

L’oggetto del caso di studio è una staffa a forma di ferro di cavallo, sulla quale sono state specificatamente inserite una serie di features atte a valutare e quantificare i vantaggi offerti dallo stampaggio con MuCell rispetto a uno stampaggio tradizionale compatto (figura 1). Tra queste, una serie di riferimenti per le misurazioni dimensionali e delle deformazioni, una serie di nervature disegnate volutamente con elevato rapporto dello spessore rispetto allo spessore di parete (2:1), dei fori per creare sul pezzo delle linee di giunzione, differenti finiture superficiali e texture, e tre sensori di pressione e di temperatura per il monitoraggio delle variabili fisiche del materiale durante il processo. È stata, inoltre, prevista la possibilità di iniettare il pezzo con tre diversi sistemi di iniezione a canale freddo (un gate in posizione centrale, un gate a un’estremità, due gate in posizione simmetrica alle due estremità) e la stessa forma a U del componente è stata scelta per amplificare le deformazioni naturali dovute allo stampaggio. Infine, lo stampo è stato progettato e realizzato con canali conformali su entrambi i semistampi per la valutazione dell’aspetto superficiale ottenibile con MuCell in combinazione con le tecnologie di heat and cool.

I vantaggi a portata di mano
La sperimentazione, condotta impiegando diversi materiali (dalle PA ai PC agli ABS) ha messo in evidenza, in tutti i casi testati, una serie di vantaggi dello stampaggio con MuCell rispetto a quello compatto in termini di processo e di qualità del prodotto. I risultati della sperimentazione sono riportati nelle tabelle 1 e 2 relative alle prove di stampaggio effettuate sull’ABS Cilac TBB fornito da Maip.

Tabella 1 Confronto tra stampaggio tradizionale compatto e stampaggio con MuCell. Principali parametri di processo reali ottenuti dalle prove di stampaggio con ABS Cilac TBB

In termini di processo i vantaggi consistono in una riduzione delle pressioni di iniezione di circa il 20% e delle forze di chiusura di oltre il 50%, insieme a una riduzione del tempo di ciclo di circa il 30% con una diminuzione della temperatura dello stampo di alcune decine di gradi rispetto allo stampaggio tradizionale. Tra i vantaggi ottenuti sulla qualità del pezzo, invece, vanno menzionati un alleggerimento del componente dal 7 al 10%, una sensibile riduzione delle deformazioni e un miglioramento della distribuzione dei ritiri volumetrici in termini sia di valore medio sia di deviazione standard.

Tabella 2 Confronto tra stampaggio tradizionale compatto e stampaggio con MuCell. Valutazione dei ritiri volumetrici e delle deformazioni misurati sui pezzi stampati con ABS Cilac TBB (si veda figura in alto a destra)

Come prevedibile, lo stampaggio tradizionale compatto ha prodotto particolari con un buon aspetto superficiale sia nelle regioni ad alto gloss, sia in quelle con texture ma con risucchi molto marcati in corrispondenza delle nervature. Per alcuni materiali, tra cui PC e PC/ABS, le linee di giunzione attorno ai fori lasciano dei segni visibili, praticamente impossibili da eliminare. Con la tecnologia MuCell, invece, è stato possibile eliminare completamente i risucchi dovuti alle nervature (spessore nervatura/spessore parete = 2) e anche quelli in corrispondenza degli incroci dove il rapporto tra gli spessori supera il fattore 2.5.
Combinando le tecnologie MuCell ed heat and cool ad acqua pressurizzata (utilizzando la centralina Dynatemp di Piovan) è stato possibile eliminare completamente anche l’aspetto striato tipico degli stampati espansi (figura 2). In questo caso, a tutti i vantaggi offerti dallo stampaggio a espansione si sommano una qualità superficiale ottima, con un gloss elevatissimo nelle regioni lucide, alta definizione delle texture, scomparsa delle linee di giunzione visibili e una maggiore brillantezza dei colori.

La simulazione dei componenti MuCell
La metodologia di analisi CAE messa a punto e consolidata presso i laboratori Proplast permette di simulare, con accuratezza e affidabilità, il processo di stampaggio a iniezione con MuCell, la qualità e la morfologia dell’espansione e il comportamento meccanico ultimo del componente stampato.
La simulazione dello stampaggio con MuCell, effettuata con il software Moldex3d, oltre a fornire indicazioni sui parametri di processo ideali, sul ciclo ottimizzato e sulla qualità globale dello stampato (previsione dell’alleggerimento ottenibile, di ritiri, deformazioni, risucchi…) permette di ottenere puntualmente le caratteristiche microstrutturali dell’espansione (dimensione, densità e distribuzione delle celle). Ovviamente, tutti questi parametri sono da confrontare con quelli ottenuti mediante stampaggio tradizionale. A cascata, i risultati di questo tipo di simulazione vengono utilizzati per costruire un modello di materiale dipendente dalla microstruttura che sono il presupposto per una serie di analisi strutturali FEM (statiche, dinamiche, vibrazionali…) accurate.

Il workflow proposto (figura 3) permette di ottenere, con un approccio totalmente virtuale e quindi a basso costo, una serie di informazioni preziose per le analisi delle performance (stampaggio, verifica delle specifiche di prodotto, valutazione del componente in esercizio) e per l’analisi economica (investimenti, produttività, costi di produzione, consumi).

Tabella 3 Simulazione del processo di stampaggio tradizionale compatto e dello stampaggio con MuCell (virtual injection moulding). Confronto dei principali parametri di processo teorici. Il materiale utilizzato è ABS Cilac TBB

Dal caso di studio in esame (simulato considerando ABS Cilac TBB) è emersa un’ottima capacità predittiva del processo su tutti i parametri fondamentali del ciclo (tabella 3) con valori numerici in ottimo accordo con quelli sperimentali. Sul piano della qualità dello stampato, è stata riscontrata una buona sensibilità per quanto riguarda sia la previsione dei risucchi e delle deformazioni sia la previsione morfologica dell’espansione (figure 4, 5 e 6). I risultati ottenuti dalle simulazioni, infatti, sono stati confrontati con le misurazioni sui pezzi stampati e attraverso l’analisi al microscopio elettronico.

La mappatura puntuale delle caratteristiche cellulari del pezzo stampato (dimensione, densità, distribuzione delle bolle) sulla mesh di un modello strutturale consente di eseguire simulazioni FEM, molto accurate del componente in esercizio utilizzando modelli di materiale, sviluppati utilizzando il software Digimat di MSC, che sono dipendenti dalla microstruttura del polimero espanso e quindi dalle condizioni dello stampaggio. Diversi casi di carico sono stati simulati e confrontati con i test di laboratorio ottenendo un buon accordo in termini sia qualitativi e quantitativi delle performance meccaniche, sia nel campo delle piccole che delle grandi deformazioni (figura 7).

A completamento del quadro di simulazioni disponibili, sono state condotte le simulazioni termiche delle matrici dello stampo da utilizzare quando viene impiegata la tecnologia di heat and cool allo scopo di progettare il sistema di condizionamento conformale e il ciclo di condizionamento dinamico che, associato alla tecnologia di espansione microcellulare, offre la migliore combinazione di vantaggi, estendendo il campo di applicabilità del MuCell anche ad applicazioni altamente estetiche che finora non era possibile approcciare.

*Microcell è un progetto finanziato nell’ambito del programma POR-FESR Asse I – Innovazione e transizione produttiva – Regione Piemonte. I partner del progetto sono: Maip, Mopla, Mista, Onni-Stamp e Cornaglia