Soft-touch in un solo stampo

Foto Mercedes-Benz, interni Actros
Foto Mercedes-Benz, interni Actros

La finitura degli interni è senza dubbio uno degli elementi di forte impatto sulla qualità percepita di una vettura. Accanto al comfort e al design, altri fattori determinanti sono l’estetica e il touch delle superfici, aspetti che le case automobilistiche cercano di conciliare con qualità, fattibilità tecnica e costi. In particolare, nella realizzazione di pannelli con un piacevole effetto tattile, i processi tradizionali – come l’accoppiamento di pezzi in termoplastici stampati a iniezione, la schiumatura nello stampo di poliuretani o i processi slush –, seppur diversi dal punto di vista tecnologico, presentano lo stesso inconveniente: sono costituiti da fasi distinte che avvengono in tempi successivi. Il collegamento delle singole fasi (stampaggio, rifilo, piegatura o curvatura, accoppiamento con altri pezzi…) e la finitura dei pezzi – altro tratto comune tra le diverse tecnologie convenzionali – sono operazioni lunghe, comportano un aumento dei costi di investimento sulla linea di produzione, impongono sforzi – in molti casi anche considerevoli – in termini di logistica per il trasporto dei prodotti semilavorati e, come la produzione di pellicole di accoppiamento in PVC slush, sono spesso molto dispendiosi dal punto di vista energetico.

1 Confronto tra le prestazioni del processo Dolphin e delle tecnologie tradizionali di produzione di pannelli per il cruscotto e l’interno portiera (fonte Engel, 2008)

Un’alternativa a processi multistep è il Dolphin, attraverso il quale è possibile realizzare, in un unico stadio e con un solo stampo, superfici soft-touch mediante stampaggio a iniezione. La tecnologia, che prevede l’applicazione della superficie morbida su un substrato in materiale rigido direttamente nella pressa a iniezione, permette al contempo di eliminare tutti i processi secondari, a eccezione del taglio delle materozze. Un bel vantaggio, dunque, in termini di riduzione dei tempi di lavorazione e, secondo uno studio comparativo condotto nel 2008 da Engel Austria su pannelli per l’abitacolo e per l’interno delle portiere, anche dei costi di produzione (figura 1).

2 Quadri strumenti, braccioli ed elementi pieghevoli per interni sono tra i primi prodotti realizzati con il processo Dolphin, come prototipi oppure in piccole serie (foto Engel)

Un giusto equilibrio tra costi ed efficienza
All’interno dei processi di produzione dei pannelli per l’interno vettura, il Dolphin si è ritagliato una nicchia ben precisa, che si colloca tra le tecnologie di produzione per le vetture di alta gamma (che prevedono lo stampaggio a iniezione di una base strutturale, seguita dalla sellatura con uno skin esterno goffrato e dalla successiva schiumatura in stampo con PUR) e più economiche (ovvero la decorazione mediante l’applicazione di una pellicola o la verniciatura di un pezzo stampato a iniezione).

Per illustrare nel dettaglio le potenzialità economiche del processo si farà riferimento alla realizzazione di un cruscotto per auto. Il pezzo considerato è costituito da un supporto con un volume di 1.300 cm3 e uno sviluppo di superficie di 4.500 cm2; lo strato iniziale in TPE è di 2 mm, valore che corrisponde a un volume di 1.050 cm3. Nel caso in cui lo spessore finale della parete è pari a 8 mm, il tempo ciclo arriva a circa 150 secondi. Il tempo ciclo dell’intero processo è determinato dai tempi dei movimenti specifici della macchina e dai tempi di raffreddamento. Il tempo di raffreddamento dei componenti in schiuma dipende dal loro spessore finale: per uno strato di 3 mm sono necessari circa 90 secondi.
In queste condizioni, il costo dell’intero componente è di 11,90 euro, di cui 4,40 euro per il supporto e 7,50 euro per lo strato in schiuma al netto dei costi di ammortamento e di stampaggio.

Lo stampaggio a decompressione
Il processo Dolphin combina lo stampaggio a iniezione bicomponente (tecnologia Engel combimelt) con la schiumatura fisica dei polimeri (MuCell di Trexel) e con lo stampaggio a espansione. Per la produzione si utilizza una pressa Engel duo combi M a due iniettori, uno dei quali viene generalmente posizionato sul piano fisso, e l’altro direttamente sul piano mobile, in posizione contrapposta al primo.

La pressa è provvista di una tavola rotante ad asse verticale a due stazioni, collocata all’interno del basamento della macchina. La prima stazione è dedicata allo stampaggio della base strutturale rigida in termoplastico (per esempio PC+ABS) con un sistema a canali caldi con ugelli a otturazione. Dopo il raffreddamento, la macchina si apre, la tavola ruota di 180 gradi e la base strutturale rigida viene trasferita nella seconda stazione, dedicata al sovrastampaggio della pelle estetica. In questa cavità viene iniettato, con un processo tradizionale a materozza, un elastomero termoplastico (TPE) che, in fase di plastificazione, viene caricato con un gas inerte (azoto o anidride carbonica) allo stato di fluido supercritico; questa operazione permette di ottenere una dissoluzione totale del gas nel polimero. La massa di gas/polimero a contatto con le parteti dello stampo solidifica formando una pelle che riproduce la superficie goffrata dello stampo. Subito dopo, lo stampo viene aperto (fase di decompressione) sino a una quota di massima espansione, preimpostata per consentire l’espansione del gas e la conseguente schiumatura interna dello strato estetico in TPE.

Dal momento che la pressione all’interno dell’impronta diminuisce con un gradiente costante in ogni punto dell’impronta stessa, si forma una schiuma caratterizzata da una struttura microcellulare particolarmente fine e uniforme, che poi è il requisito fondamentale per una superficie soft-touch di alta qualità. Lo stampo viene mantenuto in posizione “aperta” finché il TPE non è perfettamente raffreddato e cristallizzato. Oltre a regolare il tempo di ritardo, è possibile variare la velocità di apertura dello stampo. Per ottenere una schiumatura uniforme è necessario controllare il parallelismo dei piani durante la fase di espansione.

L’iniezione e l’espansione del TPE nella seconda stazione avviene contemporaneamente all’iniezione del PC/ABS nella prima stazione, in cui viene stampata una nuova base strutturale. Per questa ragione, la forza di bloccaggio del primo semistampo non deve diminuire durante la corsa di apertura. Il mantenimento della forza di bloccaggio viene assicurato grazie a un sistema meccanico di ancoraggio dello stampo.

Tolleranze ristrette per gli stampi
Appare chiaro, quindi, che il processo Dolphin richiede stampi particolarmente stabili e di alta precisione. Un dettaglio di particolare rilievo nel design dello stampo è una cornice avvolgente, incorporata nel maschio, capace di assicurare la tenuta e di prevenire la fuoriuscita del polimero fuso durante la fase di apertura e di espansione. La tolleranza degli elementi mobili e di quelli a temperatura controllata è di 3 centesimi di millimetro. Il raffreddamento, dunque, rappresenta una sfida altrettanto ardua. Per produrre manufatti della migliore qualità i due semistampi devono essere mantenuti a temperature differenti. Il supporto richiede una temperatura superiore di 35 °C rispetto alla fase di sovrastampaggio del componente morbido.

3 Il processo Dolphin apre l’orizzonte a una grande libertà nel design: sottosquadri e raggi di raccordo ridotti diventano possibili (foto So.F.Ter.)

La tecnologia Dolphin consente un elevato grado di libertà progettuale dal momento che è possibile realizzare facilmente anche le geometrie più complicate, come per esempio sottosquadri (figura 3) con l’aiuto di speciali slitte; inoltre, il processo di espansione permette la realizzazione di raggi di raccordo molti ridotti (figura 4).

4 Stampo dal design modificato: per ottenere linee di giunzione invisibili i bordi della slitta sono stati ribassati (foto Engel)

Per la goffratura della superficie, Georg Kaufmann Formenbau (uno dei partner che hanno sviluppato il processo Dolphin, vedi box) ha messo a punto un metodo speciale. Nel suo impianto pilota, lo stampista ha costruito uno stampo di prova con inserti in rilievo intercambiabili per presentare una serie di possibili opzioni ai designer (figura 5).

5 Regolando i parametri di processo è possibile ottenere una schiuma della qualità desiderata (foto Engel)

La corsa di decompressione determina la morbidezza
Il peso della stampata che costituirà lo strato in schiuma è determinata dal volume iniziale della cavità dello stampo, mentre lo spessore finale della schiuma è fissato dall’ampiezza della corsa di decompressione (figura 6).

6 La tecnologia MuCell consente un controllo selettivo della struttura espansa nel prodotto finale (figura Engel)

Questo significa che la densità della schiuma – e quindi la morbidezza del pezzo – può essere regolata attraverso la corsa di decompressione, e che, indirettamente, è proporzionale al rapporto tra lo spessore iniziale e finale della parete dello stampo.
Tale evidenza è stata dimostrata sperimentalmente. Partendo da uno spessore della cavità dello stampo di 2 mm e da una densità del materiale di 1,12 g/cm3, la corsa di decompressione è stata fatta variare tra 2, 3 e 4 mm. Le densità medie ottenute sono rispettivamente di 0,56, 0,45 e 0,37 g/cm3, tenendo conto dello strato superiore compatto, che si sviluppa sia sulla parete dello stampo sia sulla superficie a contatto con la struttura di supporto. L’elevata pressione di riempimento favorisce lo sviluppo di un collegamento adesivo molto resistente tra lo strato di schiuma e la struttura di supporto.

Pezzi ancora più leggeri
All’elevata qualità dell’aspetto estetico, i componenti realizzati attraverso stampaggio a iniezione seguito da schiumatura uniscono il vantaggio della leggerezza, vantaggio che i partner del progetto Dolphin stanno cercando di accrescere. I ricercatori sono infatti all’opera per realizzare anche il supporto strutturale rigido con la tecnologia MuCell. Questo, secondo le previsioni, permetterà un’ulteriore riduzione del peso del pezzo variabile tra il 7 e il 10%. Con l’espansione della base strutturale in PC/ABS appare realistico pensare a un peso inferiore a 0,95 g/cm3, in particolare in presenza di un’ottimizzazione degli attuali spessori di parete del supporto stesso.

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