Negli ultimi decenni, la tecnologia di microstampaggio a iniezione ha fatto passi da gigante, trasformando radicalmente il panorama della produzione industriale e aprendo la strada a una nuova era d’innovazione. Una delle componenti chiave per il suo successo è la progettazione e la produzione di stampi d’alta precisione, la cui qualità influisce direttamente sulla precisione e sulla qualità delle parti prodotte.
Il microstampaggio a iniezione è una tecnologia che consente di fabbricare componenti in materiale termoplastico con dimensioni estremamente ridotte e dettagli molto precisi. Questa tecnologia, come lo stampaggio a iniezione tradizionale, si basa sul concetto di replicazione: il polimero fuso, una volta iniettato all’interno della cavità stampo, ne replica la forma e la finitura superficiale, per poi raffreddarsi e poter essere estratto sotto forma di prodotto finito.
Il microstampaggio a iniezione differisce dal processo tradizionale non solo per quanto riguarda le dimensioni delle parti prodotte, ma anche per il livello di dettaglio di eventuali “feature” presenti sulla superficie del pezzo stampato, nonché per la precisione con cui i componenti sono realizzati. Sebbene anche le presse per microstampaggio differiscano da quelle utilizzate nel processo d’iniezione tradizionale – il gruppo di plastificazione è infatti disaccoppiato da quello d’iniezione – la vera differenza la fa lo stampo (nella foto d’apertura, ndr).
Il ruolo fondamentale degli stampi
Gli stampi sono utilizzati per creare le forme e i dettagli dei componenti durante il processo di microstampaggio a iniezione. Possono essere realizzati in vari materiali, tra cui acciaio, alluminio e rame, a seconda delle esigenze specifiche dell’applicazione. Gli stampi sono progettati per resistere a temperature elevate e alla pressione d’iniezione del materiale fuso: particolarmente elevate nel processo di microstampaggio al fine di evitare fenomeni di “esitazione” e non completa replicazione dello stampo.
Il processo di produzione inizia con la progettazione dello stampo, che deve tenere conto di numerosi fattori. Innanzitutto, la progettazione deve garantire che il materiale fuso possa fluire uniformemente nell’intero stampo, evitando sovrapressioni o flussi irregolari. In secondo luogo, gli stampi devono consentire una facile estrazione della parte finita senza danneggiare la parte stessa, o lo stampo. Questa fase è particolarmente critica nel microstampaggio, in quanto le dimensioni dei componenti stampati non riescono sempre a sopportare la forza d’estrazione. Infine, la progettazione degli stampi deve tener conto delle tolleranze dimensionali richieste per la parte finita: un ordine o due di grandezza inferiore rispetto alle tolleranze a cui si è abituati nei processi convenzionali!
Sfide nella produzione degli stampi per il microstampaggio
La progettazione e la produzione degli stampi per il microstampaggio a iniezione sono processi complessi e altamente specializzati, che differiscono dagli approcci “standard” utilizzati nel processo a iniezione tradizionale. Queste differenze sono da attribuire a quello che viene solitamente definito come “effetto scala”: quando le dimensioni si riducono di molto, alcuni fenomeni che vengono spesso trascurati nella scala “macro” devono essere presi in considerazione. Un esempio può essere lo scambio termico all’interfaccia polimero-stampo, oppure il posizionamento e il dimensionamento degli estrattori, i quali non possono essere posizionati liberamente sulla parte. Viceversa, altri fattori che giocano un ruolo fondamentale nel processo convenzionale, non sono poi così stringenti nel microstampaggio. Un esempio è dato dalla progettazione del sistema di raffreddamento: se nel processo convenzionale si vogliono garantire elevato scambio termico e uniformità di temperatura in cavità (per minimizzare il tempo di ciclo e anche le distorsioni del componente), nel microstampaggio la massa di polimero iniettata è talmente ridotta che si raffredda istantaneamente a contatto con la superficie dello stampo, compromettendo la completa replicazione e dunque la funzionalità del componente finito. Nel microstampaggio, infatti, si è soliti riscaldare lo stampo piuttosto che raffreddarlo.
Esaminando le diverse fasi che portano dal design del componente al pezzo finito, vediamo quindi di analizzare le principali criticità che caratterizzano il processo di produzione.
1. Progettazione dello stampo
La progettazione dello stampo rappresenta una fase critica del processo. Dal progetto dello stampo dipenderà infatti la scelta dei processi manifatturieri per la sua realizzazione e la qualità del componente stampato. Durante questa fase – realizzata in co-design tra progettista e stampista – si utilizza un approccio di tipo Concurrent Engineering (CE). Utilizzando software dedicati (solitamente CAD, CAM e CAE), si percorre tutta la catena di processo in modo tale da acquisire il maggior numero d’informazioni su prodotto e processo, restando in ambiente virtuale. Il vantaggio di questo approccio è quello di poter applicare modifiche al prodotto e al processo in maniera rapida, senza costi aggiuntivi. Gli output derivanti da questa fase sono solitamente modelli tridimensionali del componente e dello stampo, nonché l’identificazione della finestra di stampaggio, al fine di ottimizzare il processo produttivo.
2. Produzione della cavità dello stampo
Le scelte fatte in fase progettuale definiscono la catena di processo che verrà impiegata per la produzione dello stampo. Le minime dimensioni che caratterizzano il componente finito, la presenza o meno di spigoli vivi o di texture superficiali vanno a definire i processi manifatturieri (solitamente di asportazione) impiegati per la produzione della cavità stampo. Essendo il componente stampato un “microcomponente”, la cavità sarà caratterizzata da geometrie di piccole dimensioni e tolleranze molto strette. Anche per quanto riguarda la realizzazione dello stampo, l’effetto scala gioca un ruolo fondamentale: non si parla più di fresatura o elettroerosione, ma di microfresatura o microelettroerosione (figure 1 e 2).
Tali processi prevedono l’utilizzo di utensili da taglio con diametri nel range di qualche decimo di millimetro, oppure l’impiego di macchine opportunamente progettate: molto rigide e con mandrini a elevatissime velocità di rotazione (circa 120 mila giri/minuto) per la microfresatura, oppure caratterizzate da una bassissima densità di carica e da impulsi ultrarapidi per quanto riguarda la microelettroerosione. Oltre a questo, la finitura superficiale gioca anch’essa un ruolo importante, in quanto dello stesso ordine di grandezza delle feature funzionali presenti sul componente stampato. Inoltre, riuscire a ottenere finiture spinte su superfici molto piccole, o con feature micrometriche, risulta pressoché impossibile.
È per questa serie di motivi che non è inusuale, nel processo di microstampaggio, l’utilizzo di tecnologie non convenzionali per la produzione della cavità dello stampo. Un esempio può essere l’impiego di laser a impulsi ultrarapidi (pico- o femto-secondo) o di tecniche litografiche ad altissima risoluzione (litografia a raggi X), seguite da elettrodeposizione di nickel. Un’ultima considerazione, sempre legata all’effetto scala, dev’essere fatta riguardo all’ordine con cui le lavorazioni vengono svolte. Se prendiamo, per esempio, la realizzazione di una cavità stampo che prevede l’utilizzo di microelettroerosione seguita da microfresatura, bisognerà tener presente che la zona termicamente alterata dal processo termico (microelettroerosione) è comparabile alla profondità di passata del processo di microfresatura. La fresa, in questo caso, andrà ad asportare del materiale in superficie avente caratteristiche completamente diverse dal materiale di base (sarà più duro e caratterizzato da stati di tensioni interne).
Tutte queste considerazioni devono essere fatte al fine di garantire un livello di precisione e uno standard qualitativo molto elevati.
3. Produzione dello stampo
La cavità stampo è solitamente alloggiata all’interno del “pacco stampo”, il quale racchiude in sé il sistema di centraggio, di alimentazione, di raffreddamento e di estrazione. Sebbene lo stampo non richieda il livello di precisione previsto per la cavità, anche in questo caso vi sono alcune complessità legate al processo di microstampaggio che devono essere esaminate e progettate in maniera opportuna (figura 3). Il primo aspetto critico è legato al sistema di centraggio. Se negli stampi convenzionali si sfruttano elementi standard, come colonne e guide, negli stampi per il microstampaggio vi è la necessità di utilizzare elementi supplementari che possano garantire un centraggio molto preciso tra parte mobile e fissa. In questo caso, la cavità (solitamente nel lato mobile) è lasciata libera di muoversi e, sfruttando elementi di centraggio progettati ad hoc, ad ogni chiusura andrà a centrarsi perfettamente sull’altra semi-metà stampo (solitamente nel lato fisso).
Come dichiarato in precedenza, il sistema di raffreddamento non è particolarmente critico nel microstampaggio, dato che il calore apportato dalla massa di polimero iniettato (solitamente sotto al grammo) è di gran lunga inferiore rispetto alla capacità termica dello stampo. Il polimero, appena entra in contatto con le superfici fredde dello stampo, solidifica istantaneamente, andando a creare una pelle superficiale di materiale solidificato, o addirittura occludendo il passaggio del restante polimero in cavità. Per questo motivo, al fine di massimizzare il grado di replicazione del polimero, lo stampo viene mantenuto a temperature elevate e successivamente raffreddato.
In particolare: si scalda lo stampo con l’utilizzo di resistenze termiche a cartuccia durante la fase d’iniezione e poi lo si raffredda durante la fase di impaccamento-raffreddamento, al fine di poterlo estrarre. In questo modo si mantiene il polimero a viscosità ridotta per tutta la fase di riempimento, riuscendo a replicare fedelmente lo stampo.
Un altro aspetto da considerare è l’estrazione della parte stampata. Solitamente si è soliti posizionare gli estrattori vicino alle nervature, o comunque dove la forza d’estrazione risulta essere massima. Nel microstampaggio questo non è sempre possibile. Gli estrattori, infatti, possono essere troppo grandi per poter essere posizionati nelle zone ottimali, oppure il posizionamento di questi potrebbero influenzare la funzionalità del componente stampato. Per tali motivi, nel microstampaggio gli estrattori sono posti nel perimetro esterno del componente stampato, oppure direttamente nel sistema di alimentazione. La progettazione di opportuni angoli di sformo e la finitura superficiale della cavità devono dunque essere tali da poter garantire la separazione della parte dallo stampo senza danneggiarla.
4. Caratterizzazione, assemblaggio e test
Lo stampo, realizzato e assemblato in tutte le sue parti, viene dunque collaudato andando a realizzare una prima preserie di componenti stampati. La verifica dello stampo e la definizione ottimale dei parametri di processo rappresentano un altro punto di criticità per il microstampaggio. Se nello stampaggio tradizionale il primo setup viene condotto da un operatore esperto in grado di settare i parametri di processo in base a come il componente stampato appare, nel microstampaggio le dimensioni sono talmente piccole che, a ogni variazione dei parametri, il componente va misurato e analizzato utilizzando opportuni strumenti di caratterizzazione. Se, per esempio, si pensa di realizzare un componente come quelli mostrati in figura 4, la verifica del solo completo riempimento dovrà essere svolta mediante l’utilizzo di un microscopio ottico. Nel microstampaggio, dunque, l’ottimizzazione dei parametri di processo richiede una serie di esperimenti pianificati: si variano i diversi parametri di processo all’interno della finestra di stampaggio, si collezionano i componenti stampati e si caratterizzano in modo tale da identificare i valori ottimali.
La tecnologia che sta ridisegnando il futuro
In conclusione, la produzione di stampi per il microstampaggio a iniezione è un elemento fondamentale di questa tecnologia avanzata. Gli stampi d’alta precisione sono la chiave per la produzione di componenti microscopici che alimentano numerose industrie, dall’elettronica alla medicina e oltre. La progettazione e la produzione di stampi richiedono competenze tecniche sofisticate e attenzione ai dettagli, ma il risultato è la possibilità di creare parti d’alta qualità con tolleranze dimensionali straordinariamente strette. Con il continuo progresso tecnologico, la produzione di stampi per il microstampaggio ad iniezione continuerà a svolgere un ruolo cruciale nel plasmare il futuro delle tecnologie miniaturizzate e dei dispositivi avanzati.
Marco Sorgato e Giovanni Lucchetta (Smart Mold)
