Lo stampaggio rotazionale, o rotostampaggio, è un metodo di produzione a bassa pressione e temperatura elevata per la fabbricazione di manufatti cavi, che non richiedono fasi successive di saldatura e montaggio, pressoché privi di tensioni. Il processo può essere utilizzato per realizzare corpi di forme semplici (contenitori cilindrici o serbatoi) o più complesse (complementi d’arredo o componenti automobilistici) con pareti di spessore variabile tra 2 e 15 millimetri. In questo tipo di applicazioni la tecnologia è una valida alternativa a soffiaggio, termoformatura e stampaggio a iniezione (tabella 1), che permette di realizzare, a costi contenuti, oggetti in piccole e medie serie (circa 2.500 pezzi l’anno per singolo stampo) anche di dimensioni molto elevate. Le moderne macchine dotate di bracci multipli, che consentono di installare contemporaneamente stampi di forme e dimensioni differenti, rendono possibile la produzione simultanea di articoli diversi e quindi di ottimizzare la produttività.
Il processo di stampaggio rotazionale
La tecnologia di stampaggio rotazionale prevede quattro fasi: caricamento dello stampo, riscaldamento dello stampo, raffreddamento dello stampo ed estrazione del pezzo. Durante la prima (figura in basso a sinistra), uno stampo cavo in metallo (a temperatura ambiente) viene caricato con una quantità predefinita di materiale plastico in polvere (o fluidificato), equivalente al peso del prodotto che si desidera ottenere. La polvere può essere pre-miscelata con il colore desiderato. L’entità della carica viene determinata in base alla superficie dello stampo, allo spessore previsto per le pareti del componente finale e alla densità del polimero impiegato. Un importante vantaggio dello stampaggio rotazionale è l’assenza di sprechi di materiale: tutta la plastica caricata nello stampo viene utilizzata per fabbricare il manufatto.
Nella seconda fase, dopo la chiusura, lo stampo inizia a ruotare in un ambiente riscaldato. Spesso si tratta di un forno a convezione o conduzione, ma è possibile utilizzare una varietà di metodi che spaziano dall’elettricità ai raggi infrarossi. È importante sottolineare che lo stampo ruota a velocità relativamente bassa, generalmente inferiore a 20 giri/min; il processo non va confuso quindi con la colata per centrifugazione, che prevede la rotazione dello stampo ad alta velocità, in modo da spingere il materiale plastico contro le pareti dello stampo. Sebbene l’idea di accelerare la rotazione dello stampo per incrementare la produttività possa sembrare allettante, lo sbilanciamento delle forze coinvolte derivante dalla geometria complessa e dalle dimensioni degli stampi non consente di procedere in questo modo.
All’inizio del processo il polimero si trova sul fondo dello stampo, ma quando viene avviata la rotazione l’intera superficie dello stampo riscaldato entra in contatto con la polvere e si riveste di fuso plastico. Modificando la velocità dei due assi di rotazione, perpendicolari fra loro, è possibile regolare lo spessore delle pareti del manufatto: le aree in cui si desidera ottenere uno spessore maggiore dovranno entrare in contatto con la polvere più spesso rispetto alle altre parti della superficie dello stampo. Il rapporto tra le velocità di rotazione attorno ai due assi può essere impostato a valori differenti in base alla geometria del manufatto da realizzare. Tale rapporto è dato dalla divisione della velocità dell’asse maggiore (braccio) per la velocità dell’asse minore (piano portastampo). Solitamente, per ottenere pareti di spessore uniforme viene impiegato un rapporto tra le velocità pari a 4:1. Se si desidera realizzare un manufatto con pareti di spessore uniforme, un metodo pratico per determinare il rapporto corretto tra le velocità consiste nel caricare nello stampo soltanto una quantità di polvere sufficiente a formare un sottile strato che ricopra l’intera superficie dello stampo. Il passo successivo è testare diversi rapporti tra le velocità, fino a riuscire a garantire una copertura adeguata della superficie dello stampo in ogni sua area. In alternativa, è possibile ricorrere a programmi di simulazione computerizzata per determinare il rapporto corretto tra le velocità prima che lo stampo venga installato sulla macchina.
Fondamentalmente, il processo di stampaggio rotazionale prevede il riscaldamento del polimero in polvere, o liquido, attraverso un incremento della temperatura dello stampo in rotazione. Quando la temperatura della superficie interna dello stampo risulta sufficientemente elevata, il materiale plastico inizia ad aderirvi. Con la rotazione, l’impronta entra quindi ripetutamente in contatto con il materiale, fino a quando il polimero non si deposita interamente sulla sua superficie interna.
Durante la terza fase, lo stampo caldo viene estratto dal forno e ha inizio il ciclo di raffreddamento. Lo stampo continua a ruotare anche in questa fase, nel corso della quale viene solitamente esposto a getti d’aria ad alta velocità e, in alcuni casi, di acqua nebulizzata. Si tenga presente che qualora il raffreddamento venisse effettuato troppo velocemente, il manufatto potrebbe deformarsi. Quando il materiale plastico si raffredda, passa da uno stato liquido viscoso a uno semi-solido, trasformandosi infine in un manufatto solido. Una volta sufficientemente raffreddato, lo stampo può essere aperto e il manufatto rimosso (ultima fase). A questo punto, la polvere può nuovamente essere posizionata nello stampo e il ciclo ripetuto.
I vantaggi dello stampaggio rotazionale
Come già anticipato, lo stampaggio rotazionale si svolge a pressione atmosferica e utilizza polimeri in polvere fine. Prerequisito fondamentale è che il materiale plastico sia in grado di resistere a temperature elevate per tempi relativamente lunghi. Dal momento che, durante la formatura del polimero, non viene applicata alcuna pressione, gli stampi rotazionali presentano generalmente pareti sottili e, pertanto, la loro realizzazione risulta relativamente economica perché, al contrario dello stampaggio a iniezione, non richiede costose leghe metalliche.
Con uno stampo progettato in modo idoneo è possibile realizzare componenti complessi, difficili se non impossibili con qualsiasi altra tecnologia. Uno stampo e un controllo di processo adeguati consentono di eliminare linee di giunzione e saldature, e anche di ottenere uno spessore delle pareti più uniforme rispetto ad altre tecnologie, spessore che può essere modificato senza apportare modifiche allo stampo. La tecnologia è adeguata anche per realizzare componenti complessi con sottosquadri e contorni elaborati senza particolari difficoltà, oltre che articoli con pareti doppie. E, last but not least, il processo genera scarti relativamente ridotti, dal momento che nello stampo viene introdotta una quantità di materiale corrispondente al peso del manufatto finito.
Gli svantaggi dello stampaggio rotazionale
Sebbene il rotostampaggio presenta numerosi vantaggi, ha anche qualche inconveniente. Il più significativo consiste nel numero limitato di materiali disponibili – che hanno spesso anche un costo più elevato – rispetto ad altri metodi di lavorazione delle materie plastiche. Altri possibili svantaggi sono i tempi di ciclo relativamente lunghi, che non lo rendono adeguato alla produzione di massa, e l’elevata incidenza della manodopera nelle operazioni di carico e scarico. Dato lo scarso livello di riempimento dell’impronta durante la rotazione e il riscaldamento, inoltre, è difficoltoso stampare articoli con aggetti e nervature, che peraltro comportano una serie di ostacoli anche in sede di estrazione dallo stampo.
Un’ultima sfida che l’industria del rotostampaggio deve affrontare è la difficoltà a reperire progettisti con una buona padronanza dei principi fondamentali di questa tecnica, oggi relativamente poco diffusa. La maggior parte di essi, infatti, ha una buona conoscenza di stampaggio a iniezione, soffiaggio e termoformatura, e sa come progettare manufatti e stampi per questi processi.
Condizioni di lavorazione e proprietà del manufatto
Attraverso un controllo di processo adeguato – come in tutte le altre tecnologie di lavorazione delle materie plastiche – è possibile ottenere un manufatto privo di difetti. Generalmente, gli unici parametri che vengono controllati nello stampaggio rotazionale sono la temperatura del forno, il tempo di riscaldamento e la velocità di raffreddamento, perché ciascuna di queste variabili influisce in maniera significativa sulle proprietà del prodotto finale. Riguardo alla fase di riscaldamento, è importante sapere che se il tempo trascorso nel forno è troppo breve o la temperatura del forno è troppo bassa, il materiale plastico non riuscirà a fondersi e consolidarsi completamente e darà origine a un pezzo caratterizzato da resistenza, rigidità e solidità ridotte. Per contro, se il polimero viene surriscaldato, subirà un deterioramento che ne aumenterà la fragilità.
Un altro concetto da tenere presente è che il rotostampaggio non si avvale delle forze centrifughe per spingere il polimero contro le pareti dello stampo. Le velocità di rotazione sono ridotte e la polvere viene sottoposta a un’azione di costante rotolamento e miscelazione. In realtà, la polvere si trova sul fondo dello stampo, ed è la superficie dello stampo a muoversi per entrare in contatto con essa. La regolarità con cui ciò accade dipende dal rapporto tra le velocità di rotazione attorno all’asse maggiore (braccio) e all’asse minore (piano portastampo). Il rapporto tra le velocità utilizzato più comunemente corrisponde a 4:1, dal momento che tale valore garantisce una copertura uniforme della superficie interna per la maggior parte delle geometrie.
Quando lo stampo ruota all’interno del forno, la parete metallica si riscalda e la superficie dei granelli di polvere diventa appiccicosa. Di conseguenza, le particelle aderiscono l’una all’altra e alle pareti dello stampo, formando su di esse una massa polverosa che tende a sfaldarsi. Gran parte del ciclo ha lo scopo di sinterizzare quella massa polverosa fino a ottenere un fuso omogeneo. Le sacche d’aria distribuite in maniera irregolare tra i granelli di polvere si trasformano lentamente in bolle che, sottoposte al calore per un determinato periodo di tempo, scompaiono. Queste bolle non si muovono all’interno del fuso: il materiale presenta infatti una viscosità troppo elevata perché ciò accada, e pertanto rimangono nel punto in cui si sono formate, riducendo lentamente le proprie dimensioni.
In alcuni casi, gli stampatori osservano la densità delle bolle nella sezione trasversale di un manufatto stampato per determinarne la qualità. Se il numero di bolle è troppo elevato, il componente non è stato riscaldato a sufficienza; se invece non vi sono bolle, è probabile che il pezzo sia stato riscaldato in maniera eccessiva. Una sezione trasversale con un numero ridotto di bolle vicine a una superficie interna libera viene di norma considerata la condizione ottimale.
Altri indicatori della qualità degli articoli rotostampati in polietilene riguardano l’aspetto e l’odore della superficie interna del manufatto, che dovrebbe risultare liscia e priva di odori, eccetto quello tipico del polietilene. Se la superficie interna appare polverosa o ruvida, il manufatto potrebbe aver trascorso nel forno un tempo insufficiente, impedendo alle particelle di fondersi tra loro. Se invece la superficie interna presenta una brillantezza elevata, unita a un odore acre, il componente è rimasto nel forno troppo a lungo e la plastica ha iniziato a deteriorarsi a causa dell’interazione tra calore e aria (ossigeno).
L’importanza del raffreddamento
Anche quando il manufatto ha trascorso nel forno un periodo di tempo ottimale, tuttavia, la qualità del prodotto finito può essere compromessa da un metodo di raffreddamento inadeguato. Il problema principale risiede nel fatto che, nel rotazionale, lo stampo viene raffreddato esclusivamente dall’esterno, riducendo la velocità di raffreddamento; un’esecuzione asimmetrica del processo può invece provocare la deformazione del manufatto stampato. La struttura del polimero viene definita proprio durante la fase di raffreddamento: se rapido (mediante acqua) è destinato a dare origine, di fatto, a un materiale differente rispetto a quello ottenuto raffreddando più lentamente (mediante l’azione dell’aria) la medesima resina. In entrambi i casi, il materiale plastico presenterà proprietà meccaniche alquanto diverse. Un raffreddamento più lento tende a migliorare la resistenza meccanica e la rigidità della plastica, ma ne riduce la resistenza ai carichi dinamici. Un raffreddamento rapido, d’altro canto, genera un manufatto più resistente, ma meno rigido. La velocità di raffreddamento, infine, influisce anche sulla geometria e sulle dimensioni dell’articolo stampato.
Questa breve introduzione alle interrelazioni tra condizioni di lavorazione e proprietà sottolinea l’importanza di conoscere a fondo la tecnologia dello stampaggio rotazionale. Sebbene possa apparire un processo semplice, implica invece problematiche complesse, che costringono lo stampatore a comprendere cosa accade in ogni fase di lavorazione.
Bibliografia
1 R. J. Crawford e M. P. Kearns “Practical Guide to Rotational Moulding”, Smithers Rapra (UK), 2012
2 rotodesign.it
