Stampaggio a iniezione: quando l’innovazione è radicale

In occasione della XXVIII edizione del Congresso delle Materie Plastiche di TMP, Giovanni Lucchetta, che è anche il direttore tecnico di Plastix, ha presentato una riflessione sul tema del convegno: l’innovazione nel mondo delle materie plastiche. Il professore dell’Università di Padova si è soffermato in particolare sulle innovazioni definite radicali, introducendo due strumenti per identificarle, ovvero le contraddizioni e i trend tecnologici della metodologia TRIZ, oltre al diagramma di Hype Cycle

Purtroppo, per presentare una novità si usa fin troppo spesso il termine “innovazione”. È diventato un leitmotiv onnipresente, usato in modo eccessivo e quindi svuotato del suo reale significato.  Prendendo a prestito le parole usate da Massimiano Bucci nel suo brillante saggio “Per un pugno di idee”, occorre riconoscere e andare oltre la retorica dell’innovazione.

L’innovazione non deve essere confusa con l’invenzione; è piuttosto un processo che introduce nuove idee, prodotti, servizi o processi che apportano valore alla società, accrescono l’efficienza e stimolano la crescita economica. Le sue caratteristiche chiave sono:

– la novità, che introduce elementi nuovi o significativamente migliorati rispetto al preesistente;

– l’applicazione pratica, che si manifesta attraverso realizzazioni concrete;

– il valore aggiunto, che genera benefici tangibili o intangibili;

– la diffusione, che estende l’innovazione ben oltre il suo creatore iniziale.

Esaminando più da vicino, possiamo distinguere tra innovazione incrementale e radicale.

L’innovazione incrementale è quella che si concentra su miglioramenti progressivi delle tecnologie e dei processi esistenti, come ad esempio l’automazione avanzata che introduce bracci robotici intelligenti per rimuovere automaticamente i pezzi finiti dagli stampi, riducendo i tempi di ciclo e migliorando la qualità. Al contrario, l’innovazione radicale porta cambiamenti rivoluzionari, come lo stampaggio a iniezione assistito da gas, che riduce il consumo di materiale e riduce le distorsioni e la forza di chiusura, reinventando le possibilità di design e l’efficienza del processo.

In questo articolo intendo soffermarmi proprio sulle innovazioni radicali. Introdurrò due strumenti per identificare le vere innovazioni radicali e comprendere quando possano entrare nelle nostre strategie di investimento:

1. le contraddizioni e i trend tecnologici della metodologia TRIZ,
2. il diagramma di Hype Cycle.

Con questi strumenti, potremo scorgere oltre la nebbia della retorica e riconoscere le innovazioni che veramente spostano l’ago della bilancia nel settore delle materie plastiche.

Come riconoscere un’innovazione radicale

L’evoluzione dell’industria delle materie plastiche è una testimonianza vivente del potere trasformativo dell’innovazione radicale. Sfruttando la metodologia TRIZ, ovvero la Teoria della Soluzione Inventiva dei Problemi, possiamo analizzare (e addirittura prevedere) il percorso dell’innovazione tecnologica. Nella TRIZ, l’innovazione non è un lampo di genio isolato, ma il culmine di un processo logico e prevedibile che risolve contraddizioni tecniche o fisiche, e segue leggi di evoluzione dei sistemi tecnologici.

Innovazione e contraddizioni tecniche

Il cuore dell’innovazione, secondo la TRIZ, è la risoluzione di contraddizioni tecniche. Queste contraddizioni si presentano quando l’ottimizzazione di un parametro porta al deterioramento di un altro. Prendiamo come esempio lo stampaggio a iniezione tradizionale: qui incontriamo la contraddizione di dover garantire una plastificazione omogenea del materiale e contemporaneamente esercitare una pressione di iniezione sufficiente (vedi figura 1).

Un estrusore monovite è un ottimo sistema per fondere rapidamente e omogeneamente i granuli plastici, ma non può raggiungere né le portate né le pressioni richieste dallo stampaggio rispettivamente nelle fasi di riempimento e compattazione. D’altronde, un sistema basato su un pistone idraulico non garantirebbe una plastificazione omogenea. Una soluzione TRIZ a tale contraddizione è il principio di asimmetria, che suggerisce di introdurre un elemento dinamico che cambia in base al contesto, o alle condizioni, per migliorare le prestazioni.

Questo principio trova un’applicazione emblematica nella vite pistonante, che combina la rotazione per plastificare omogeneamente e la traslazione per esercitare una portata e una pressione efficace. Il processo di stampaggio a iniezione si è evoluto con un’innovazione che ha risolto la contraddizione senza scendere a compromessi: una soluzione ottimale che soddisfa entrambi i requisiti critici.

Innovazione e contraddizioni fisiche

Passando alle contraddizioni fisiche, incontriamo sfide come quella risolta dai sistemi Variotherm, anche noti con i termini Rapid Heat Cycle Moulding (RHCM) o sistemi Heat & Cool. Qui, la contraddizione è tra la necessità di alte temperature dello stampo, per ottenere un’elevata lucentezza (gloss) e ridurre la visibilità delle linee di giunzione, e la necessità di un rapido raffreddamento per solidificare il prodotto in tempi ciclo economici. Quando la contraddizione si pone per lo stesso parametro, in questo caso la temperatura dello stampo, siamo di fronte a una contraddizione fisica che può essere risolta secondo quattro principi generali di separazione: nello spazio, nel tempo, fra l’intero e le sue parti o sotto condizione.

Con i sistemi Variotherm, questa contraddizione fisica viene risolta applicando il principio di separazione nel tempo: riscaldando le pareti dello stampo prima dell’iniezione e raffreddandole rapidamente subito dopo. Questo permette di ottenere una finitura superficiale di alta qualità senza scendere a compromessi con il tempo di ciclo.

L’approccio ingegneristico tradizionale avrebbe invece proposto una temperatura stampo “ottimale”, intermedia tra quella raggiunta in iniezione e quella necessaria per accelerare il raffreddamento del pezzo (vedi figura 2). Come spesso accade nei sistemi tecnologici, si vende per ottima una soluzione di compromesso che non soddisfa appieno nessuno dei requisiti iniziali.

Innovazione ed evoluzione tecnologica

I trend di evoluzione tecnologica identificati dalla metodologia TRIZ, attraverso l’analisi di centinaia di migliaia di brevetti, mostrano come le innovazioni seguano spesso percorsi prevedibili. Uno di questi trend prevede la segmentazione dello spazio: il passaggio da un solido monolitico a un solido cavo, a uno con cavità multiple e, infine, a un solido poroso (figura 3). Il passaggio da una soluzione all’altra porta una serie di benefici riconducibili, per esempio, alla riduzione di peso, al minor utilizzo di materiale, all’aumento del grado d’isolamento termico o acustico. Un esempio classico è costituito dall’evoluzione dei mattoni impiegati in edilizia.

A questo punto, chi è pratico di stampaggio a iniezione avrà già compiuto un ragionamento per analogia, pensando allo stampaggio assistito da gas o allo stampaggio con espansione chimica o fisica. Sono entrambe innovazioni che hanno permesso, attraverso la creazione di cavità e porosità, di ridurre il consumo di materiali e il peso, ma anche le deformazioni post stampaggio e la forza di chiusura.

Quando investire in un’innovazione radicale

La rapidità con cui il settore delle materie plastiche evolve rende difficile per aziende e investitori distinguere tra il clamore (hype) generato dal lancio di nuove soluzioni tecnologiche e ciò che può effettivamente portare valore aggiunto in produzione. Le nuove tecnologie di stampaggio a iniezione, per esempio, sono spesso circondate da promesse ambiziose e l’aspettativa che rivoluzioneranno l’industria. Tuttavia, la domanda persiste: quando, se mai, tali promesse saranno mantenute?

Per navigare in questo territorio incerto, propongo un adattamento personale dei cicli di hype di Gartner, che rappresentano graficamente il percorso di maturazione di nuove tecnologie introdotte nel mercato. I cicli di hype ci aiutano a:

– discernere i benefici reali di una promessa commerciale dal rumore di fondo dell’hype.

– ridurre il rischio associato a scelte di investimento in nuove tecnologie.

Esaminando la curva delle aspettative che circonda un’innovazione, possiamo mettere in relazione queste aspettative con i benefici concreti che l’innovazione porta nel tempo. Attraverso questo modello, possiamo seguire un’innovazione attraverso cinque fasi prevedibili (figura 4):

1. Innesco dell’innovazione. Una potenziale svolta tecnologica cattura l’attenzione dei media con le prime dimostrazioni di concetto, generando notevole pubblicità. La fattibilità commerciale in questa fase è spesso incerta, senza prodotti praticabili disponibili sul mercato.

2. Picco delle aspettative esagerate. La precoce esposizione genera molteplici casi di successo, ma anche fallimenti. Nonostante l’entusiasmo e l’attenzione dei media, le prove concrete che l’innovazione possa soddisfare le esigenze del mercato sono spesso scarse.

3. Fossa della disillusione. L’interesse cala quando le sperimentazioni e le applicazioni non realizzano le attese. I produttori di tecnologia falliscono o si ritirano, ma gli investimenti possono persistere mentre i prodotti migliorano e trovano la loro nicchia di mercato.

4. Salita dell’illuminazione. Emergono altri esempi concreti di come la tecnologia può fornire benefici alle imprese. Le aziende tecnologiche lanciano prodotti più maturi e l’interesse cresce nuovamente, con progetti pilota che iniziano a essere finanziati.

5. Altopiano della produttività. La tecnologia comincia a essere adottata su larga scala, con criteri di valutazione della redditività e dell’applicabilità di mercato ben definiti.

Una tipica innovazione impiega tra i tre e i cinque anni per passare attraverso ciascuna di queste fasi, sebbene alcune innovazioni possano muoversi a ritmi diversi o addirittura scomparire dal ciclo.

Esempi di innovazione nello stampaggio a iniezione

Vediamo, fase per fase, dove si collocano nel diagramma alcune innovazioni tecnologiche introdotte nel corso degli ultimi vent’anni

L’iMFLUX è un sistema di controllo per lo stampaggio a iniezione sviluppato da una sussidiaria della società Procter & Gamble. Si caratterizza per il modo in cui regola e monitora costantemente la pressione di iniezione. Utilizza la prima parte della corsa d’iniezione per riempire lo stampo utilizzando valori di portata molto elevati. Commuta in controllo di pressione molto anticipatamente, per concludere il riempimento mantenendo una pressione costante e inferiore rispetto a quella che si raggiungerebbe con un sistema di controllo tradizionale. Questo controllo a bassa pressione consente di riempire lo stampo in modo più uniforme e con minori tensioni rispetto al metodo tradizionale (figura 5). I potenziali benefici dell’iMFLUX includono:

– minore consumo di energia grazie a una modesta riduzione della forza di chiusura richiesta;

– capacità di processare materiali riciclati a viscosità molto variabile (grazie al controllo adattativo della pressione d’iniezione);

– riduzione delle tensioni residue.

Questa tecnologia sta guadagnando attenzione man mano che l’industria è sempre più spinta verso processi di produzione più efficienti e sostenibili. Tuttavia, poiché è relativamente nuova e richiede un cambiamento significativo rispetto ai metodi tradizionali, potrebbe ancora essere considerata emergente e non completamente matura nel ciclo di adozione tecnologica. La collocherei quindi nella fase di “Innesco dell’innovazione”.

L’uso della stampa 3D per creare rapidamente inserti per stampi a iniezione ha sperimentato un picco di aspettative esagerate, con previsioni che avrebbe rivoluzionato rapidamente la realizzazione degli stampi. Tuttavia, le difficoltà tecniche e i costi hanno confinato questa tecnologia principalmente alla prototipazione, alla produzione di piccole serie e a specifiche applicazioni di nicchia.

Procedendo nel tempo troviamo tecnologie che hanno ormai dimostrato un maggior grado di maturità. Ricorderete l’iniziale eccitazione creatasi nel primo decennio del secolo attorno ai potenziali vantaggi dei sistemi Variotherm. Sembrava che potessero risolvere qualsiasi problema di stampaggio. Con il passare del tempo, i sistemi Variotherm si sono evoluti (passando dal vapore surriscaldato all’acqua pressurizzata, fino ai più moderni sistemi a induzione) e hanno trovato una propria nicchia di mercato nei prodotti di alto valore estetico, il cui valore può giustificare il costo più elevato connesso alla maggiore complessità tecnologica.

Le presse completamente elettriche sono state introdotte come una soluzione più precisa ed energeticamente più efficiente rispetto ai modelli idraulici. Inizialmente sono state bollate come un investimento costoso, ma con l’aumentare dei costi energetici e la spinta verso la produzione sostenibile, queste macchine stanno trovando maggiore diffusione e accettazione nell’industria.

D’altra parte, le presse ibride, che combinano la precisione dei sistemi elettrici con la potenza dei sistemi idraulici, dopo un periodo di sviluppo e miglioramento, sono diventate lo standard in molti contesti produttivi, offrendo un buon equilibrio tra costo, efficienza energetica e prestazioni. Questa tecnologia può essere vista come matura e ampiamente adottata nel settore dello stampaggio a iniezione.

Conclusioni

Adottare un approccio metodologico è essenziale per le aziende che cercano di individuare le vere innovazioni radicali e di capire quando investire per introdurle nel proprio processo produttivo. È cruciale riconoscere che non tutte le innovazioni attraversano il ciclo dell’hype alla stessa velocità e che alcune possono essere soppiantate da soluzioni superiori. Inoltre, l’investimento in una nuova tecnologia è una decisione complessa che va ben oltre la sua posizione nel ciclo di hype.

Tale scelta dipende in modo critico dalla propensione al rischio dell’impresa e dall’importanza strategica di posizionarsi come anticipatori (early adopter) nel mercato. Avere il coraggio di investire precocemente può offrire un vantaggio competitivo significativo, consentendo all’azienda di distinguersi e di innovare prima dei concorrenti, ma richiede anche un’attenta valutazione del potenziale di una tecnologia e della capacità dell’organizzazione di assorbire e valorizzare le innovazioni emergenti.

Giovanni Lucchetta, Università degli Studi di Padova