Un nuovo processo per stampare a iniezione guide luce a Led

Le lampade a Led sono sempre più apprezzate come elemento di design nell’illuminazione dei contorni degli interni dei veicoli (Foto Engel)

Negli ultimi anni l’applicazione dell’illuminazione Led in campo automobilistico ha visto una crescita inarrestabile in virtù dei numerosi punti di forza che la predispongono naturalmente all’impiego. La luce Led, prima di tutto, è ampiamente controllabile: è possibile illuminare singole aree in modo altamente mirato, oppure ottenere l’effetto contrario, ad esempio quando si desidera evitare l’abbagliamento dei veicoli in arrivo. La luce Led è anche energeticamente efficiente, aspetto fondamentale per i veicoli elettrici, dove ogni watt risparmiato significa chilometri di autonomia. Infine, il colore può essere modificato, offrendo ai designer la possibilità di progettare varianti geometriche sempre nuove, imponendo richieste davvero sfidanti ai produttori di lampade, che devono trovare soluzioni all’altezza e soprattutto a un costo accessibile. Il costruttore austriaco di macchine a iniezione Engel, in collaborazione con collaudati partner di sviluppo, ha messo a punto un processo ottimizzato per lo stampaggio di strisce Led capace di coniugare tutte queste esigenze.

Superfici perfettamente lisce

Una buona guida luce a Led è in grado di trasmettere la luce prodotta da una data sorgente su distanze relativamente lunghe senza diminuirne l’intensità o modificarne il colore originario in modo apprezzabile. Per soddisfare tali requisiti è necessario che le superfici siano molto lisce sull’intera distanza di trasmissione, in modo da assicurare una riflessione interna totale della luce. Nelle guide luce a Led, infatti, la luce deve fuoriuscire solo in determinati punti dotati di appositi diffusori. In queste applicazioni si rende pertanto necessario ricorrere al processo di stampaggio a iniezione allo scopo di riprodurre accuratamente le caratteristiche superficiali di ciascun pezzo e di ottenere un fuso con un’elevata omogeneità e purezza. Engel si è concentrata proprio su questi aspetti, arrivando a sviluppare una tecnologia che consente la realizzazione di guide luce a Led in polimetilmetacrilato (PMMA) ad altissima purezza con forme ancora più lunghe e complesse, da utilizzare, ad esempio, nell’illuminazione dei contorni degli interni dei veicoli (immagine di apertura). Grazie alla collaborazione con Volvo Car Corporation – che ha fornito alcuni campioni (figura 1) – è stato possibile integrare fin dall’inizio del progetto ogni esigenza dei car maker.

1a Le guide luce a Led stampate a iniezione da Engel nel corso del progetto di sviluppo di una nuova tecnologia di plastificazione sono caratterizzate da elevata qualità ottica e forme complesse (in alto). La fine struttura superficiale (in basso) ha il compito di diffondere la luce (Foto Engel)
1b Le tre guide luce, di diversa forma e lunghezza, sono state fabbricate con uno stampo famiglia fornito da Inevo (Foto Engel)

Lo starve feeding riduce il carico di taglio

Nel progetto è stato utilizzato uno stampo famiglia (figura 2) fornito da Inevo (all’epoca della ricerca parte del Gruppo INglass, produttore di canali caldi con sede a San Polo di Piave, in provincia di Treviso, nda), con il quale sono state realizzate in un’unica stampata tre guide luce a Led di diversa forma e lunghezza in PMMA LPL V825T di Altuglas International. L’impronta della guida luce più lunga era dotata di due punti di iniezione.
Per massimizzare la resa luminosa sono stati identificati tre obiettivi di sviluppo:
• rugosità superficiale inferiore a 25 nanometri in presenza di rugosità maggiori: la luce a onde corte (blu), in particolare, non viene completamente riflessa, ma rifratta e quindi la luce risultante assume un colore tendente al giallo (più caldo);
• eliminazione totale dei contaminanti, poiché provocano fenomeni di dispersione della luce;
• eliminazione o esclusione delle (micro)cavità, perché anch’esse causano dispersioni.

2 Le tre guide luce, di diversa forma e lunghezza, sono state fabbricate con uno stampo famiglia fornito da Inevo (Foto Engel)

La soluzione tecnica messa a punto da Engel consiste nel metodo dello starve-feeding, per il quale l’azienda austriaca ha sviluppato uno speciale software. Questo particolare metodo consente di ridurre la quantità di granuli alimentati alla vite rispetto a quella normalmente richiesta da un processo di stampaggio a iniezione convenzionale.
In pratica, nella zona di alimentazione il cilindro viene riempito con granuli solo parzialmente. Il materiale viene compresso in direzione del puntale della vite e riempie completamente il cilindro in quest’area (figura 3).

Lo starve feeding, che consiste nel riempimento parziale del cilindro nella zona di alimentazione, è la soluzione sviluppata da Engel per ottenere lampade Led a elevata efficienza luminosa (Foto Engel)

Una quantità inferiore di materiale nel cilindro significa una coppia ridotta e quindi un minore carico di taglio sul fuso, che riduce anche la degradazione del polimero. Inoltre, per prevenire fenomeni di ossidazione il cilindro viene contemporaneamente sottoposto a un flusso di azoto attraverso la zona di alimentazione.

Impianto con test di qualità integrato

La sperimentazione è stata condotta con una pressa elettrica Engel e-motion 310/120 TL (figura 4) dotata di vite e valvola di non ritorno specificamente progettate e con un rivestimento adatto alla lavorazione del PMMA. La serie e-motion combina efficienza, elevato dinamismo e precisione, caratteristica quest’ultima particolarmente importante per la fase di distacco dallo stampo della fine struttura superficiale dei manufatti che ha il compito di diffondere la luce (figura 1b). La macchina era equipaggiata con un essiccatore Luxor EM-A 60 e un’unità di dosaggio Minicolor forniti da Motan Colortronic.

4 Le prove per lo sviluppo della nuova tecnologia di plastificazione sono state effettuate su una pressa elettrica Engel e-motion 310/120 TL (Foto Engel)

Per tenere conto delle diverse lunghezze del percorso del fuso per le tre geometrie, il partner di sviluppo HRSflow (società del Gruppo INglass) ha testato diversi sistemi di iniezione dotati di valvole di non ritorno ad azionamento elettrico e del sistema FlexFlow, che consente di azionare individualmente le valvole a spillo in base alla posizione della vite.
La qualità delle parti è stata verificata direttamente in linea, in una stazione integrata dotata di una sorgente luminosa Led (figura 5), dove un sistema di visione Radiant Vision Systems IC-PMI8 di Konica Minolta Sensing misurava la variazione della temperatura del colore correlata (CCT). Per ogni stampata è stata analizzata solo la guida luce a Led più corta (15 centimetri).

5 La qualità viene testata in linea in una stazione dedicata, dove viene rilevato il valore della temperatura del colore della guida luce a Led vicino alla sorgente e a distanza (Foto Engel)

La temperatura del colore conferma la qualità

Il valore della CCT descrive come l’occhio umano percepisce il colore della luce, che a sua volta dipende dalla temperatura dell’oggetto riferita a un corpo radiante di colore nero e, nel caso dei Led, dalle caratteristiche della sorgente luminosa. Temperature del colore inferiori a 3.000 gradi Kelvin sono percepite dall’occhio umano come colori caldi, mentre quelle superiori a 3.000 gradi Kelvin come colori freddi. La qualità della guida luce a Led è tanto migliore quanto minore è lo scostamento tra il valore della CCT e il valore di riferimento (sorgente Led di colore chiaro). La sperimentazione condotta da Engel mostra chiaramente gli effetti vantaggiosi dello starve-feeding sulla qualità della guida luce a Led stampata a iniezione (figura 6, in alto).

6 La tecnica dello starve feeding permette di incrementare la qualità della guida luce a Led: i migliori risultati si ottengono quando il cilindro viene riempito al 65% (in alto). Il flusso di azoto della zona di alimentazione (in basso) aumenta la purezza del fuso: tanto minore è la variazione della temperatura del colore correlata, quanto maggiore sarà la qualità della guida luce a Led (Foto Engel)

L’unità di dosaggio provvede a variare la quantità di materiale alimentato per i singoli test, mantenendola sempre inferiore a quanto sarebbe stato prelevato dalla tramoggia in un processo di stampaggio a iniezione convenzionale. I migliori risultati si ottengono quando il cilindro viene riempito moderatamente (ad esempio, al 65%). Se l’alimentazione del materiale viene ridotta eccessivamente, la qualità ottica diminuisce perché al decrescere della quantità di materiale alimentato i tempi di dosaggio si allungano e il carico di taglio sul fuso aumenta significativamente. I test hanno inoltre dimostrato l’effetto positivo del flusso di azoto (figura 6, in basso), che nel corso degli esperimenti è stato mantenuto a 20 centilitri al minuto per spurgare l’ossigeno e prevenire così i fenomeni di ossidazione del fuso.

7 La qualità della guida luce a Led è influenzata principalmente dalla velocità periferica della vite, dalla velocità di iniezione, dalla temperatura dello stampo
e dalla quantità di polveri nei granuli. I grafici riportano le migliori condizioni individuate per il grado di PMMA utilizzato nella sperimentazione (Foto Engel)

La ricerca dei parametri di processo ottimali

Al fine di ottimizzare il processo, i partner del progetto hanno individuato anche altri parametri in grado di influenzare la qualità ottica della guida luce a Led (figura 7). Il grafico in alto evidenzia l’effetto della velocità periferica della zona di plastificazione della vite. Sebbene il produttore abbia suggerito una velocità periferica di 0,3 metri al secondo per il grado di PMMA utilizzato, i test hanno dimostrato che una velocità di plastificazione minore migliora la qualità ottica in modo significativo. Al contrario, durante l’iniezione del fuso nello stampo, una velocità di iniezione più elevata tende a migliorare la qualità della guida luce. Tuttavia, se la velocità di iniezione aumenta eccessivamente, la qualità tende nuovamente a diminuire perché, con l’aumentare della velocità, cresce anche la pressione e quindi il carico di taglio. Le prove hanno dimostrato che il processo è influenzato anche dalla temperatura dello stampo: quando è più elevata migliora la riproducibilità della superficie, che a sua volta rende il valore della CCT più costante. Anche gli ausiliari possono esercitare un effetto positivo sul processo, soprattutto in relazione all’eliminazione delle polveri: i test hanno evidenziato infatti che minore è la quantità di polveri nei granuli e nel fuso, minore è la dispersione della luce lungo la guida luce a Led.

Nuovi orizzonti nell’illuminazione

I risultati ottenuti dalla sperimentazione permettono di concludere che la nuova tecnologia apre interessanti orizzonti nel campo dell’illuminazione. In particolare, lo starve-feeding, in combinazione con il controllo ottimizzato del processo, consente di produrre guide luce a Led più lunghe e complesse di altissima qualità ottica. La tecnologia di plastificazione può essere implementata su tutte le presse a iniezione Engel.

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