Ibridi plastica lamiera più leggeri con il processo DDBIM

La rapida evoluzione del mondo industriale pone a tutti sfide sempre più ambiziose. Oggi, infatti, non accade più di produrre stabilmente lotti di grandi quantità per diversi anni, è invece più comune doversi adattare rapidamente alla produzione di nuovi componenti con ritmi sempre più serrati. Queste richieste arrivano principalmente dai clienti che sono, a loro volta, obbligati a innovare i loro prodotti per poter competere in un ambiente globale e con una domanda in continua evoluzione. Le richieste sono diverse, ad esempio, aggiunta di funzionalità e miglioramento del design. Oppure, in altri casi, le modifiche dei prodotti sono rese necessarie dall’introduzione di nuove regolamentazioni relative alla sicurezza, all’impatto ambientale… Alla luce di tutto ciò i produttori, per rimanere competitivi in questo difficile mercato, devono riuscire a offrire processi ottimizzati e tecnologie innovative, in modo da poter proporre nuovi vantaggi e possibilità.

Componenti multi-materiale

La richiesta di produrre componenti in multi-materiale è in crescita nell’ultimo decennio. Le richieste spaziano dal settore automotive fino a quello degli elettrodomestici. Questo perché, combinando diversi materiali e sfruttandone i vantaggi sinergici, si riescono a ottenere migliori caratteristiche del prodotto finale. Nel caso della lamiera è possibile creare un ibrido con la plastica. I vantaggi di questa combinazione sono diversi come, ad esempio, la riduzione del peso e del numero di componenti. La produzione di questi nuovi prodotti in multi-materiale, tuttavia, può essere complessa e costosa. Infatti, per rimanere competitivi risulta fondamentale concentrare l’attenzione al processo tecnologico. Attualmente sono utilizzate diverse procedure, ma la maggior parte di esse richiede diverse operazioni di lavorazione. Questo causa una notevole complessità produttiva che spesso comporta limitazioni per produttività e geometria del componente. Una possibilità per superare queste sfide è quella di utilizzare un processo integrato (figura 1). In questo modo è possibile produrre un componente ibrido in una sola operazione e, di conseguenza, migliorarne la qualità, l’affidabilità e i tempi produttivi.

1 Schema dei vantaggi del processo integrato DDBIM, che permette di ottenere un prodotto multi-materiale in un’unica fase

Un processo integrato

La tecnologia DDBIM (Deep Drawing Back Injection Molding) combina il processo di imbutitura con quello di stampaggio a iniezione. Per permettere questa operazione è necessario progettare lo stampo a iniezione integrando i componenti necessari per l’imbutitura (e.g. il premi-lamiera). Il processo, schematizzato nella figura 2, inizia posizionando tra i due semistampi la lamiera (in azzurro), che viene deformata sotto l’azione del punzone come accade in un processo di imbutitura tradizionale. Terminata la fase di chiusura dello stampo e la conseguente formatura della lamiera inizia l’iniezione. In questa seconda fase, il polimero (in rosso) viene iniettato nello stampo e si lega alla lamiera grazie a uno strato adesivo, a un trattamento superficiale o ad un sistema di bloccaggio meccanico. Trascorso il tempo necessario per il raffreddamento, è possibile estrarre il singolo componente ibrido dallo stampo e ripetere il processo per il componente successivo.

2 Sequenza delle fasi del processo integrato DDBIM di imbutitura e stampaggio a iniezione

Ottimizzazione multi-obiettivo

Il processo integrato DDBIM, essendo una tecnologia innovativa, viene spesso ottimizzato in maniera empirica. Questo significa che il progetto del componente da realizzare e la scelta dei materiali non sempre avvengono in modo sistematico e rigoroso. In un recente studio [1], gli autori definiscono una procedura per esplorare sistematicamente le diverse opzioni possibili per quanto riguarda la scelta del materiale e il design del componente da stampare, in modo da ottenere la miglior soluzione. La procedura di ottimizzazione si basa sul “Design of Experiment” (DOE), una tecnica che permette di analizzare in modo sistematico le varie opzioni e limitare il numero di esperimenti necessari (quindi costi e tempi). L’obiettivo del DOE è quello di approfondire la conoscenza di un processo grazie al supporto di strumenti della statistica industriale. Gli autori propongono di investigare l’effetto di cinque fattori sul prodotto finale. Il primo è relativo alla combinazione di materiali: due diverse tipologie di lamiere di alluminio sono state utilizzate in combinazione con due diversi polimeri. Gli altri quattro fattori sono invece relativi alla progettazione del componente nella figura 3 (spessori, diametri, altezze…). Diversi livelli di ogni fattore sono stati proposti per lo studio e, grazie a una tecnica di DOE, sono state definite le condizioni per la sperimentazione, il cui obiettivo è quello di valutare la risposta del componente sotto diversi punti di vista. Infatti, si tratta di un’ottimizzazione multi-obiettivo, in cui molteplici risposte sono state tenute in considerazione e condensate in un unico indicatore. Le risposte considerate sono: l’energia di deformazione, la rigidità, il carico massimo, il peso e il costo del componente. In questo modo è possibile considerare congiuntamente i diversi aspetti del componente, così da evitare risultati non bilanciati.

3 Design del componente da ottimizzare (a sinistra) e risultati del modello FEM (a destra)

La simulazione del processo

La procedura di ottimizzazione del processo è stata concepita per essere utilizzata nelle fasi iniziali di progettazione. Infatti, risulta importante velocizzare le iterazioni che avvengono nella pre-produzione e, una volta definita la corretta soluzione, è necessario procedere evitando possibili difetti e rotture del componente. Per queste ragioni gli autori hanno optato per l’utilizzo di uno strumento virtuale, così da anticipare i risultati del processo. D’altra parte, sarebbe risultato eccessivamente oneroso creare appositi stampi e la produzione di esperimenti fisici. Si ricorre quindi alla tecnica, ormai molto diffusa, della simulazione a elementi finiti (FEM), che divide un sistema grande in piccoli elementi semplici e risolve le equazioni matematiche che descrivono le interazioni tra di essi. Il risultato della simulazione del processo è quindi una stima dei diversi parametri in ogni elemento. Per la simulazione è stato utilizzato ABAQUS, un software commerciale molto diffuso per questo tipo di analisi che ben si adatta alla strutture ibride. Grazie alla tecnica a elementi finiti è possibile stimare la risposta del componente nelle diverse condizioni precedentemente definite, così da riuscire a valutare la combinazione vincente di fattori.

La scelta dei parametri ottimali

La procedura proposta, tramite una sperimentazione strutturata, permette di ottenere un risultato ottimizzato da molti punti di vista. Le diverse opzioni sono state sperimentate tramite una simulazione a elementi finiti. Il risultato della sperimentazione è la definizione di un profilo suggerito di materiali e caratteristiche geometriche del componente. Questa combinazione di fattori permette di raggiungere alti valori di caratteristiche meccaniche e, allo stesso tempo, ridurre la massa dell’11% e il costo del 14%. Lo studio mostra che, soprattutto quando ci si avvicina a processi innovativi e ancora parzialmente conosciuti, è fondamentale ricorrere ad approcci sistematici e rigorosi. Solo in questo modo è possibile sfruttare a pieno i vantaggi di tali processi e passare rapidamente a un’implementazione nel mondo industriale.

Bibliografia
1 S. Farahani et al, “Multi-objective optimization of sheet metal polymer hybrids manufactured by the integrated process of deep drawing-back injection molding”, SAE Technical Paper Series. doi:10.4271/2020-01-0622, aprile 2020

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