Stampaggio di materie plastiche: tutto quello che c’è da sapere

Stampaggio a iniezione: cos’è e perché è importante?

Lo stampaggio di materie plastiche, o a iniezione, è una tecnologia di produzione utilizzata per la realizzazione di componenti plastici, che ha assunto un’importanza primaria nell’industria manifatturiera, specialmente negli ultimi decenni.

La plastica, grazie alla sua versatilità e al suo costo relativamente basso, ha sostituito i metalli in una vasta gamma di applicazioni. Questa ampia diffusione della plastica ha fatto da volano per lo sviluppo e l’innovazione nella tecnologia di stampaggio a iniezione, rendendo il processo sempre più efficiente e versatile. Lo stampaggio a iniezione consente infatti la produzione di parti in plastica con forme complesse in tempi estremamente rapidi, rendendolo ideale per la produzione di
massa.
Le parti in plastica ottenute tramite stampaggio a iniezione trovano applicazione in
numerosi settori industriali. Nell’industria automobilistica, ad esempio, vengono utilizzate per realizzare componenti interni ed esterni dei veicoli, grazie alla leggerezza e alla resistenza delle materie plastiche.
Nel settore dell’elettronica, gli involucri dei dispositivi
elettronici sono spesso prodotti tramite stampaggio a iniezione. Anche nell’industria
medicale, questo processo è fondamentale per la produzione di dispositivi sanitari. Altri settori rilevanti includono l’industria dei beni di consumo, l’imballaggio e il settore dell’edilizia, dove la plastica offre soluzioni durevoli e convenienti.
Un altro aspetto fondamentale dello stampaggio di materie plastiche è il suo elevato grado di
automazione.
Questo processo, infatti, può essere altamente automatizzato, permettendo di produrre componenti a basso costo con un livello qualitativo molto elevato. Le presse per lo stampaggio a iniezione sono progettate per funzionare con minima supervisione, riducendo i costi di manodopera e aumentando l’efficienza produttiva.stampaggio di materie plastiche

Tabella dei contenuti

Il ciclo di stampaggio

La precisione, la ripetibilità e l’efficienza del processo di stampaggio a iniezione dipendono
fortemente dalla qualità e dalle specifiche tecniche delle presse e degli stampi utilizzati.

Plastificazione

La plastica, generalmente sotto forma di granuli, viene introdotta per caduta in un cilindro riscaldato attraverso una tramoggia. Da qui, i granuli vengono spinti all’interno del cilindro grazie alla rotazione di una vite, che li trascina e li comprime contro il cilindro riscaldato forzandone la fusione. Contemporaneamente la vite si muove all’indietro per lasciare spazio alla plastica fusa, che si accumula tra la punta della vite e l’estremità del cilindro opposta alla tramoggia.

Raffreddamento e compattazione

Dopo che il materiale fuso è stato iniettato nello stampo, inizia la fase di raffreddamento. Lo stampo è dotato di un sistema di canali di raffreddamento, solitamente alimentati con acqua, che permettono di dissipare il calore dal materiale plastico forzandone la rapida solidificazione. Durante la prima parte del raffreddamento, la vite continua a spingere il materiale fuso dal cilindro di plastificazione allo stampo mantenendo una predefinita pressione di compattazione. Questa azione è particolarmente importante perché garantisce che il ritiro volumetrico della plastica durante il raffreddamento e la solidificazione venga compensato con l’introduzione di nuovo materiale fuso. La superficie
del componente stampato viene così mantenuta a contatto con quella della cavità dello stampo, replicandone fedelmente non solo la forma e le dimensioni ma anche la finitura superficiale.
La durata del raffreddamento dipende dal tipo di materiale plastico utilizzato e dallo spessore del pezzo ma generalmente rappresenta la frazione maggiore del tempo ciclo di stampaggio di materie plastiche.

Iniezione

Dopo aver accumulato un volume di plastica fusa sufficiente a riempire lo stampo, inizia la fase di iniezione. A stampo chiuso, la vite viene spinta in avanti ad elevata velocità, forzando il materiale fuso ad entrare nello stampo attraverso un ugello e una serie di canali che provvedono a distribuirlo in maniera bilanciata nelle varie cavità. Ciascuna cavità ha la forma negativa del pezzo da produrre. L’elevata viscosità della plastica fusa e le ridotte sezioni di passaggio realizzate nello stampo causano il rapido e significativo innalzamento della pressione nella fase di iniezione. Le elevate pressioni che caratterizzano il processo (possono superare i 2000 bar) hanno due importanti implicazioni: 1) gli stampi devono essere realizzati utilizzando piastre metalliche (acciaio o alluminio) molto spesse per evitarne la deformazione, che causerebbe la perdita di qualità dimensionale e di forma delle parti stampate; 2) le presse devono essere dotate di
motori elettrici molto potenti con conseguente aumento del costo e del consumo
energetico.

Estrazione

Una volta completato il raffreddamento, lo stampo viene aperto e il pezzo finito viene estratto grazie all’azione di sistemi automatizzati come gli estrattori integrati nello stampo e robot cartesiani dotati di mani di presa dedicate. Dopo l’estrazione da uno stampo ben progettato, il pezzo non dovrebbe richiedere alcuna operazione di finitura. A questo punto, lo stampo viene richiuso e il processo è pronto per ricominciare con un nuovo ciclo di iniezione.

Sistemi e attrezzature per lo stampaggio di materie plastiche

La precisione, la ripetibilità e l’efficienza del processo di stampaggio a iniezione dipendono fortemente dalla qualità e dalle specifiche tecniche delle presse e degli stampi utilizzati.

Presse a Iniezione

Le presse a iniezione sono classificate e dimensionate principalmente in base alla forza di chiusura, ovvero la capacità della macchina di serrare lo stampo contro le elevate pressioni della plastica fusa. Esistono tre principali tipologie di presse a iniezione:

  • Le presse idrauliche utilizzano pompe ed attuatori idraulici per azionare la vite e per aprire, chiudere e serrare lo stampo. Queste macchine sono robuste e ideali per pezzi di grandi dimensioni o complessi che richiedono elevate pressioni.
  • Le presse elettriche utilizzano motori elettrici per tutti i movimenti. Sono molto efficienti dal punto di vista energetico, più precise e richiedono meno manutenzione rispetto alle idrauliche. Tuttavia, il loro costo iniziale è più alto e non sono impiegabili dove si richiede una elevata forza di chiusura.
  • Le presse ibride combinano caratteristiche di entrambe le precedenti, solitamente utilizzando motori elettrici per l’unità di iniezione e azionamenti idraulici per l’unità di chiusura stampo. Offrono un buon compromesso tra efficienza energetica e capacità di generare una elevata forza di chiusura.

Stampi

La progettazione e la fabbricazione degli stampi richiedono competenze meccaniche elevate e sistemi di lavorazione molto precisi. Gli stampi sono generalmente costituiti da due metà, una fissa, collegata alla unità di iniezione, e una mobile, che viene aperta e chiusa dall’unità di chiusura durante il ciclo di stampaggio di materie plastiche. A seconda della complessità delle parti da stampare, gli stampi possono includere diversi componenti aggiuntivi come movimenti interni azionati da cilindri idraulici e canali di alimentazione riscaldati da resistenze elettriche (i cosiddetti sistemi a canali caldi). 

Materiali stampati

Il processo di stampaggio di materie plastiche permette di utilizzare un’ampia varietà di materiali, ciascuno con specifiche proprietà che li rendono adatti a diverse applicazioni.

Termoplastici

I termoplastici sono i materiali più comunemente utilizzati nello stampaggio a iniezione. Questi polimeri possono essere fusi e solidificati ripetutamente, rendendoli molto versatili. Tra i termoplastici più usati ci sono:

  • Polipropilene (PP): leggero, resistente agli agenti chimici ed economico, spesso utilizzato per componenti automobilistici.
  • Poliammidi (PA): resistenti, rigide e utilizzate in applicazioni ingegneristiche come ingranaggi, cuscinetti e componenti meccanici.
  • Acrilonitrile butadiene stirene (ABS): combinazione di robustezza, resistenza agli urti e facilità di lavorazione, ideale per applicazioni come contenitori per elettronica.

Feedstock

Questi materiali sono utilizzati per stampare a iniezione parti metalliche (MIM) o ceramiche (CIM). Il feedstock è una miscela di polveri metalliche o ceramiche e un legante polimerico. Dopo lo stampaggio, il pezzo viene sottoposto a un processo di sinterizzazione per rimuovere il legante e densificare il materiale. Questo metodo permette di produrre componenti complessi con proprietà metallurgiche o ceramiche avanzate.

Compound

I compound sono termoplastici a cui vengono aggiunte cariche minerali o rinforzi fibrosi per migliorare determinate proprietà meccaniche, termiche o elettriche. Tra gli esempi più diffusi:

  • Poliammidi con fibre di vetro: aumenta la resistenza meccanica e la stabilità dimensionale, ideale per componenti strutturali.
  • Polipropilene caricato con talco: migliora la rigidità e la stabilità termica, spesso usato nell’industria automobilistica.

Termoindurenti

I materiali termoindurenti, a differenza dei termoplastici, non possono essere rifusi una volta solidificati. Alcuni esempi comuni di materiali termoindurenti utilizzati nello stampaggio di materie plastiche includono:

  • Silicone liquido (LSR): Uutilizzato per la produzione di componenti che richiedono elevata resistenza al calore, elasticità e biocompatibilità, come guarnizioni, dispositivi medici e prodotti per l’infanzia.
  • Poliuretano (PU) ed Etilene Vinil Acetato (EVA): spesso impiegati nella produzione di suole per calzature, offrono eccellenti proprietà di resistenza all’usura, leggerezza e ammortizzazione.

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L’importanza di una progettazione corretta

La qualità finale di un pezzo stampato a iniezione dipende principalmente da tre fattori:

1

Design del componente:
 la distribuzione degli spessori e delle feature secondarie è cruciale per evitare difetti e deformazioni che possono compromettere l’integrità strutturale e la funzionalità del pezzo.

2

Design dello stampo: la posizione dei punti di iniezione e dei canali di raffreddamento deve essere ottimizzata per garantire un riempimento uniforme dello stampo e un raffreddamento efficiente.

3

Parametri di stampaggio: temperature, pressioni e velocità di iniezione devono essere controllate con precisione. Tuttavia, senza un design adeguato del componente e dello stampo, anche i migliori parametri di stampaggio non possono compensare un progetto iniziale difettoso.

Per questo motivo, il design del pezzo e dello stampo dovrebbe essere valutato e ottimizzato utilizzando software di simulazione numerica di processo prima di iniziare le lavorazioni dello stampo. Questi software permettono di prevedere il comportamento del materiale durante l’iniezione e il raffreddamento, individuando e risolvendo potenziali problemi in fase di progettazione. Gli stampi sono infatti molto costosi ed errori di progettazione comporterebbero costi elevati e lunghi tempi di modifica, se non addirittura il rifacimento dell’intero stampo.

Varianti tecnologiche

La tecnologia di stampaggio a iniezione ha diverse varianti che permettono di ottenere caratteristiche specifiche nei pezzi prodotti:

  • Stampaggio assistito da gas: utilizza gas inerti, come l’azoto, iniettati durante il processo di stampaggio per creare cavità interne nei pezzi, riducendo il peso e migliorando la rigidità senza compromettere la resistenza strutturale.
  • Sovrastampaggio: consente di stampare un materiale plastico sopra un altro, creando pezzi con materiali diversi in aree specifiche. È ideale per produrre componenti con inserti metallici, guarnizioni o parti con impugnature morbide.
  • Stampaggio con schiumatura: impiega agenti espandenti fisici o chimici per creare una struttura a celle chiuse all’interno del pezzo, riducendo il peso e migliorando le proprietà di isolamento termico e acustico. Utilizzato spesso per applicazioni che richiedono leggerezza e robustezza.

Queste varianti ampliano le possibilità di design e applicazione del processo di stampaggio a iniezione, permettendo la produzione di componenti innovativi con proprietà personalizzate.

Principali difetti dello stampaggio di materie plastiche

Se il processo di stampaggio a iniezione non è progettato e condotto correttamente possono verificarsi diversi difetti, tra cui:

  •  Linee di giunzione: si formano dove i flussi di materiale si incontrano e non si fondono correttamente.
  • Segni di bruciatura: causati da intrappolamento di aria o degradazione del materiale dovuta a temperature troppo elevate.
  • Deformazioni: si verificano a causa di un raffreddamento non uniforme o di tensioni interne nel pezzo dovute ad elevati gradienti di pressione.
  • Vuoti e bolle: derivano da un’inadeguata pressione di compattazione o dall’inclusione di gas.
  • Bave: eccesso di materiale che fuoriesce dal piano di separazione dello stampo, dovuto a una pressione di iniezione troppo alta o a uno stampo usurato.
  • Riempimento incompleto: il materiale non riempie completamente la cavità, spesso a causa di una pressione o una velocità di iniezione insufficienti.

Per assicurare la qualità dei pezzi stampati e migliorare l’efficienza del processo, è essenziale monitorare ed eventualmente correggere i principali parametri di processo: temperature, pressioni e velocità di iniezione. La manutenzione regolare degli stampi è un altro fattore chiave. Questo include la pulizia degli stampi, la verifica delle superfici di chiusura e la sostituzione delle parti usurate. Infine, l’implementazione di un controllo qualità in-line mediante sensori di pressione in cavità o telecamere a bordo pressa è fondamentale per rilevare difetti in tempo reale durante la produzione.

Come evolverà lo stampaggio di materie plastiche?

La tecnologia di stampaggio a iniezione è stata inventata nel 1872. Dopo 150 anni di progressi tecnici, possiamo considerarla matura dal punto di vista meccanico ed elettrico. Tuttavia, il settore continua a evolversi con nuove tendenze che promettono di migliorare ulteriormente il processo.

Industria 4.0

L’integrazione dell’Industrial Internet of Things (IoT) e dell’intelligenza artificiale permetterà un monitoraggio e un’ottimizzazione in tempo reale dei processi produttivi.
Questo consentirà di migliorare la qualità dei prodotti, ridurre i tempi di fermo macchina e ottimizzare l’efficienza energetica. Le macchine intelligenti e interconnesse possono raccogliere e analizzare dati, fornendo informazioni utili per la manutenzione predittiva e la gestione efficiente della produzione.

Bioplastiche e plastiche riciclate

   L’uso crescente di bioplastiche e plastiche riciclate riflette la crescente attenzione alla sostenibilità ambientale. Tuttavia, questi materiali presentano sfide particolari. Le
bioplastiche sono sensibili alla degradazione e richiedono un controllo preciso dei parametri di processo per evitare decomposizioni. Le plastiche riciclate, invece, possono contenere impurità che causano emissioni e depositi sugli stampi, rendendo necessarie frequenti pulizie e manutenzioni. Inoltre, i parametri di stampaggio devono essere adattati per gestire la variabilità delle proprietà del materiale riciclato, assicurando comunque la qualità del prodotto finale.

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