Stampi: come ridurre tempi e costi con le tecnologie 3D

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La tecnologia PolyJet permette di realizzare stampi per ottenere prototipi funzionali a velocità e costi ben inferiori rispetto ai metodi tradizionali. Ecco le linee guida suggerite dal produttore per operare al meglio

Lo stampaggio a iniezione è una tecnologia impiegata per la produzione in serie di un gran numero di parti. Cuore del processo è lo stampo, un’attrezzatura di precisione la cui costruzione richiede, in funzione della complessità, grandi risorse di tempo e denaro.
Quando il numero di pezzi da realizzare è molto elevato si utilizzano stampi di acciaio – che garantiscono una durata di milioni di cicli –, se tale valore scende ad alcune decine di migliaia gli stampi di alluminio diventano un’alternativa interessante. Oltre ad avere un costo inferiore, questi ultimi richiedono infatti tempi di costruzione più brevi (2-6 settimane) rispetto alle attrezzature in acciaio, il cui lead time è invece dell’ordine dei mesi. Ma per poche centinaia di pezzi, l’alluminio è ancora la soluzione più conveniente? In questi casi si può utilizzare la stampa 3D per produrre direttamente i manufatti oppure, secondo una tendenza più recente, per costruire lo stampo che verrà utilizzato per stampare a iniezione prototipi funzionali.

Stampi in 3D
La tecnologia di stampa 3D PolyJet è un metodo avanzato di produzione additiva brevettato da Stratasys. Il principio di funzionamento su cui si basa è la deposizione di fotopolimeri liquidi in strati successivi, che vengono solidificati istantaneamente tramite raggi UV. L’attrezzatura stampa con strati da 16 micron e un livello di precisione fino a 0,1 millimetri per superfici lisce, pareti sottili e geometrie complesse.
La tecnologia Polyjet è già stata impiegata per la produzione di stampi per iniezione di materie plastiche utilizzati per creare prototipi di precisione dello stesso materiale previsto per il prodotto finito: questo significa che permette di ottenere esempi realistici dei prodotti finiti, che possono essere utilizzati per raccogliere dati sulle prestazioni effettive nelle applicazioni reali. È opportuno sottolineare che questi stampi non si pongono come un’alternativa a quelli di acciaio o di alluminio, ma come una soluzione volta a colmare la lacuna tra gli stampi di soft-tooling e i prototipi stampati in 3D. La tabella 1 evidenzia la nicchia occupata dalla tecnologia PolyJet nel processo di prototipazione.

Confronto tra le caratteristiche della stampa PolyJet e i metodi di prototipazione tradizionali
Tabella 1 Confronto tra le caratteristiche della stampa PolyJet e i metodi di prototipazione tradizionali

I vantaggi della tecnologia PolyJet
Rispetto agli stampi tradizionali, quelli realizzati con la tecnologia PolyJet offrono numerosi vantaggi. Primo tra tutti è il costo relativamente basso. A questo proposito, si tenga presente, però, che uno stampo in 3D è ideale per piccole produzioni che, in base al tipo di materia plastica impiegata e alla complessità dello stampo, possono arrivare a un massimo di 100 pezzi. Un altro punto a favore – come anticipato – è il tempo di costruzione, il cui ordine di grandezza varia dalle ore rispetto ai giorni o alle settimane necessarie per creare gli stampi tradizionali. Ciò significa che, nel caso in cui sia necessario apportare delle modifiche al progetto, è possibile realizzare una nuova versione dello stampo a costi minimi.
Un altro aspetto favorevole è la grande libertà di progettazione: geometrie complesse, pareti sottili e dettagli fini, infatti, possono essere facilmente programmati nel progetto dello stampo senza aumentare il costo di realizzazione rispetto a stampi più semplici. Last but not least, gli stampi in ABS digitale possono essere prodotti con grande accuratezza, con strati di 30 micron e una precisione che arriva a 0,1 millimetri: grazie a queste caratteristiche si ottengono superfici lisce, tali da evitare nella maggior parte dei casi il ricorso a lavorazioni successive.
Per meglio comprendere i vantaggi di questa tecnologia, è stata effettuata un’analisi costo/beneficio che confronta lo stampaggio a iniezione con stampo PolyJet e in alluminio (tabella 2). Dall’analisi dei dati emerge che lo stampo in 3D permette di ottenere un notevole risparmio economico, dal momento che il costo per produrre gli stampi è generalmente più basso del 40-70%, e i tempi di produzione inferiori.

Analisi costo/beneficio in termini di tempo di costruzione e costo rispetto agli stampi in alluminio. Pezzi realizzati (dall’alto in basso): rotore di ventilatore in POM, set di sei cucchiaini da gelato in PP, tappo filettato in vari materiali
Tabella 2 Analisi costo/beneficio in termini di tempo di costruzione e costo rispetto agli stampi in alluminio. Pezzi realizzati (dall’alto in basso): rotore di ventilatore in POM, set di sei cucchiaini da gelato in PP, tappo filettato in vari materiali

La scelta del materiale
Uno degli elementi critici per la riuscita del processo di stampaggio a iniezione con stampi PolyJet è la scelta del materiale adeguato per la realizzazione dello stampo. A tale scopo, l’ABS digitale si è rivelato la scelta migliore, poiché coniuga resistenza ad alte temperature e robustezza elevata. Materiali come FullCure 720 e Vero, sebbene adatti, non garantiscono la stessa durata di uno stampo in ABS digitale quando utilizzati per la produzione di parti con geometrie complesse.
Generalizzando, i materiali migliori per realizzare parti stampate a iniezione sono quelli con temperature di stampaggio non eccessivamente elevate (inferiori a 300 °C) e un buon comportamento del flusso. Questo significa che i materiali più adatti allo scopo possono essere: polietilene (PE), polipropilene (PP), polistirene (PS), acrilonitrile butadiene stirene (ABS), elastomero termoplastico (TPE), poliammide (PA), poliossimetilene o resina acetalica (POM), miscela di policarbonato e ABS (PC-ABS), polipropilene caricato con fibra di vetro o resina caricata con fibra di vetro (G).
Plastiche che richiedono temperature di lavorazione di 250 °C o superiori, oppure con alta viscosità alla temperatura di lavorazione riducono la durata utile dello stampo e, in alcuni casi, la qualità del pezzo finito. La figura 1 illustra il numero di pezzi generalmente prodotti utilizzando i diversi metodi di produzione degli stampi.

1 Numero di pezzi previsto per classe di materiale* A = polietilene, polipropilene, polistirene, acrilonitrile butadiene stirene, elastomero termoplastico B = polipropilene caricato con fibra di vetro, poliammide, resina acetalica/poliossimetilene, miscela di policarbonato e ABS C = poliammide caricata con fibra di vetro, policarbonato, resina acetalica caricata con fibra di vetro D = policarbonato caricato con fibra di vetro, ossido di polifenilene, solfuro di polifenilene *Il numero varia a seconda delle geometrie e delle dimensioni dei pezzi stampati a iniezione
Figura 1 Numero di pezzi previsto per classe di materiale (il numero varia a seconda delle geometrie e delle dimensioni dei pezzi stampati)
A = polietilene, polipropilene, polistirene, acrilonitrile butadiene stirene, elastomero termoplastico
B = polipropilene caricato con fibra di vetro, poliammide, resina acetalica/poliossimetilene, miscela di policarbonato e ABS
C = poliammide caricata con fibra di vetro, policarbonato, resina acetalica caricata con fibra di vetro
D = policarbonato caricato con fibra di vetro, ossido di polifenilene, solfuro di polifenilene

Le linee guida
La progettazione degli stampi per processi a iniezione richiede anni di esperienza e la conoscenza approfondita del processo di stampaggio a iniezione. Sebbene le considerazioni relative alla progettazione e all’impiego di uno stampo realizzato con tecnologia PolyJet e con tecnologie tradizionali siano sostanzialmente analoghe, è necessario seguire alcuni accorgimenti. Vediamo in dettaglio le best practice suggerite da Stratasys.

La progettazione dello stampo
In fase di progettazione è necessario aumentare gli angoli di sformo quanto più possibile, compatibilmente con il progetto del pezzo: questo faciliterà l’estrazione e ridurrà le sollecitazioni sullo stampo durante tale processo.
Per quanto riguarda il punto di iniezione, è bene aumentarne le dimensioni al fine di ridurre le sollecitazioni di taglio. Inoltre, deve essere posizionato in modo che il materiale fuso che entra nella matrice non prema contro feature piccole/sottili nello stampo. Infine, si raccomanda di evitare di utilizzare iniezioni a tunnel e puntiformi, e di preferire invece punti di iniezione che riducono le sollecitazioni di taglio, quali iniezione diretta o iniezione laterale.

La realizzazione dello stampo
Per massimizzare le opportunità offerte dalla tecnologia PolyJet viene suggerito di stampare in modalità “glossy” per assicurare superfici lisce, e di orientare la parte nel software Objet Studio in modo da massimizzare le superfici lisce. Lo stampo, invece, deve essere orientato in modo che il flusso del polimero sia nella stessa direzione delle linee di stampa.
Uno dei vantaggi chiave degli stampi PolyJet è che possono essere progettati, costruiti e utilizzati in poche ore, senza la necessità di lavorazioni successive. Quest’ultima affermazione, seppur valida in generale, può dar luogo a qualche eccezione quando:
• gli inserti sono inseriti in una base;
• è richiesta una levigatura extra delle superfici;
• lo stampo viene montato su un sistema di espulsione.
In alcuni casi è necessario effettuare una leggera sabbiatura delle superfici trasversalmente all’apertura dello stampo: per esempio, prima di utilizzare uno stampo con un punzone alto, una leggera levigatura può facilitare la rimozione della parte.

Gli inserti dello stampo sono fissati a uno stampo base mediante dei perni
Gli inserti dello stampo sono fissati a uno stampo base mediante dei perni

Il montaggio
Stampi stand-lone, cioè non fissati a un telaio di base, possono essere montati direttamente sulla piastra posteriore della macchina standard o in acciaio, mediante viti o nastro biadesivo. Per esempio, gli inserti dello stampo illustrato nella figura 2 sono fissati a uno stampo base mediante dei perni. Qualsiasi sia l’opzione di montaggio prescelta, è importante evitare il contatto diretto tra l’ugello e lo stampo ottenuto con stampa 3D, mediante l’uso di una boccola di iniezione standard. In alternativa, è possibile centrare il canale di iniezione dello stampo con la carota situata su una normale piastra di acciaio.

Lo stampaggio a iniezione
Anche la fase di stampaggio a iniezione richiede delle attenzioni particolari. Vediamo, per punti, i suggerimenti del produttore della tecnologia PolyJet quando si utilizza per la prima volta uno stampo in 3D.
• Iniziare con una stampata incompleta e una bassa velocità di iniezione. Il tempo di riempimento può essere elevato, poiché il materiale fuso non si raffredda mentre entra nello stampo. Aumentare la dimensione dell’iniezione finché la cavità non è piena al 90-95%.
• Nella fase di mantenimento, utilizzare il 50-80% della pressione di iniezione attuale e regolare il tempo di mantenimento in base alle necessità, per evitare risucchi.
• Applicare una forza di chiusura calcolata normalmente (pressione di iniezione x superficie del pezzo proiettata) come valore iniziale.
• Questi stampi presentano una bassa conduttività termica, quindi richiedono tempi di raffreddamento prolungati. Per parti piccole o sottili (spessore delle pareti di 1 millimetro o inferiore), iniziare con un tempo di raffreddamento di 30 secondi e regolare in base alle necessità. Per parti di maggiori dimensioni (spessore delle pareti di 2 millimetri o più), iniziare con 90 secondi e regolare di conseguenza. Il tempo di raffreddamento varia a seconda del tipo di materia plastica utilizzata.
• Si raccomanda un raffreddamento minimo per evitare un eccessivo ritiro della parte sui punzoni stampati. Un eccessivo raffreddamento può sollecitare lo stampo quando la parte viene espulsa e determinarne il cedimento.
• Dopo ogni ciclo di stampaggio è fondamentale permettere alla superficie dello stampo di raffreddarsi, applicando aria pressurizzata: questa misura contribuirà a mantenere la qualità del pezzo e la durata dello stampo. In alternativa, è possibile utilizzare sistemi di raffreddamento dello stampo automatizzati.

Una tecnica promettente
L’uso di stampi realizzati mediante stampa 3D con tecnologia PolyJet offre ai produttori la possibilità di raggiungere nuovi traguardi nelle verifiche funzionali, creando prototipi dei pezzi dal processo di stampaggio a iniezione e con gli stessi materiali utilizzati per realizzare il prodotto finale. Questo significa permettere alle aziende di migliorare i dati prestazionali e di convalidare la conformità dei pezzi ai requisiti di certificazione prima di avviare la produzione di serie.

Nei video alcuni esempi di stampi realizzati con tecnologia PolyJet

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