Tecnologie hi-tech per lo stampaggio a iniezione di polimeri riciclati

Sebbene il nostro paese sia tra i primi in Europa per recupero dei rifiuti, le difficoltà nel trasformare il materiale recuperato in nuovi oggetti ancora rimangono. Nel 2017, secondo Corepla, solo il 41% della plastica derivante dalla raccolta differenziata è stata avviata a riciclo e di questa poco meno di due terzi è stata realmente riconvertita in nuovi prodotti. La plastica selezionata dal post consumo torna in circolazione con utilizzo in diversi prodotti: il PET rivive in contenitori e tessuti, l’HDPE in tubi e contenitori per detergenti, il PVC in altri prodotti per l’edilizia. La frazione che rimane dopo aver separato la prima scelta è il cosiddetto plasmix, un residuo di plastiche miste quasi esclusivamente destinato al conferimento in discarica, a termovalorizzazione o ai cementifici.

Il riciclo del plasmix

Il plasmix è composto principalmente da polipropilene e polietilene, che hanno una viscosità molto elevata e variabile, a causa dell’elevato peso molecolare necessario per poterli processare nella produzione di imballaggi, tipicamente estrusione e soffiaggio. L’impiego di queste plastiche riciclate nello stampaggio a iniezione è ostacolato sia dall’elevata pressione richiesta per riempire gli stampi sia dalla necessità di pulirne gli sfiati, sporcati frequentemente dalle emissioni di impurità residue (tracce di alimentari, etichette, adesivi…) legate al processo di riciclo. Smart Mold, spin-off dell’Università di Padova, affronta questi problemi fornendo soluzioni innovative ai propri clienti per la conversione di plastica post consumo in prodotti a elevato valore aggiunto.

L’attività di ricerca di Smart Mold viene condotta a Rovigo, presso il Laboratorio Te.Si. del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Padova. Il Laboratorio dispone di attrezzature e tecnologie all’avanguardia per le lavorazioni più avanzate di diversi comparti dell’industria manifatturiera

Stampaggio a iniezione di plastiche riciclate

L’idea innovativa proposta da Smart Mold consiste nel trattare le superfici delle cavità dello stampo con un rivestimento nanostrutturato brevettato, che facilita lo scorrimento del fuso durante il riempimento della cavità. Il rivestimento consente di ridurre significativamente l’attrito tra la plastica e lo stampo e, al contrario dei lubrificanti, è permanente e non contamina il materiale. Un’estesa campagna di prove sperimentali ha permesso di verificare che il rivestimento resiste all’usura al pari delle superfici non trattate, mantenendo inalterata la finitura superficiale. Inoltre, diminuendo l’attrito con il polimero, si riduce anche l’adesione delle impurità emesse.
La soluzione apre nuove opportunità per la plastica da post consumo, con la conseguente riduzione dell’impatto ambientale e un maggiore rispetto per l’ambiente.

Un nuovo approccio alla progettazione

La sostenibilità delle materie plastiche, tuttavia, va ben oltre il semplice riciclo. Per compiere un cambio di paradigma nella scala gerarchica delle strategie di gestione dei rifiuti urbani è necessario perseguire una politica di contenimento dei consumi di plastica vergine. In molte applicazioni risulta tuttavia difficile impiegare plastica riciclata a causa delle sue inferiori proprietà meccaniche ed estetiche (ad esempio, dispositivi biomedicali e imballaggio alimentare). Smart Mold propone al mercato soluzioni per la progettazione di processo e prodotto che consentono di affrontare queste problematiche. Software avanzati consentono l’ingegnerizzazione del manufatto, l’analisi delle caratteristiche meccaniche e del processo. La sinergia con Sirmax, che lo scorso maggio ha acquisito il 50% di Smart Mold, permetterà di arrivare a soluzioni ancora più performanti, vista la possibilità di formulare compound ad hoc per ogni applicazione. L’obiettivo comune è quello di progettare e fornire compound polimerici per realizzare componentistica ad alto valore aggiunto in settori strategici come l’automotive, l’elettrodomestico e il settore elettrico ed elettronico. Le soluzioni ibride proposte sono in grado di coniugare le performance dei materiali vergini con una percentuale elevata di materiale riciclato, caratteristica sempre più richiesta dal mercato.

Cambio di paradigma nella scala gerarchica delle strategie preferenziali di gestione dei rifiuti urbani in plastica

Risparmiare riducendo lo spessore dei componenti

La strategia perseguita con successo da Smart Mold punta sull’introduzione di specifiche di design che prendono in considerazione l’utilizzo di minor quantità di plastica vergine. Nella visione di Smart Mold, il prodotto in polimero deve essere progettato prendendo in considerazione l’utilizzo di compound a più elevate prestazioni meccaniche fin dalle prime fasi del progetto. La riduzione dello spessore dei componenti strutturali attraverso l’impiego di compound più performanti, a vantaggio anche dei costi di stampaggio, apre nuove opportunità per la riduzione dell’impatto ambientale. I numerosi oggetti in plastica che ci circondano, vengono progettati con spessore uniforme e molto inferiore rispetto alle altre dimensioni. Questa caratteristica è legata alla necessità di raffreddare velocemente il fuso all’interno degli stampi, minimizzando il tempo ciclo di stampaggio. Per componenti di dimensioni medie e grandi, che presentano le maggiori potenzialità di riduzione di costo e impatto ambientale, il volume di materiale impiegato è proporzionale alla misura dello spessore, mentre il costo del processo di stampaggio è addirittura proporzionale al quadrato dello spessore. Per ridurre sia il consumo di plastica sia i costi di produzione è quindi fondamentale comprendere le ragioni che guidano la progettazione dello spessore di un componente.

Vantaggi della riduzione dello spessore di un componente a fronte dell’impiego di compound a più elevate prestazioni meccaniche. I valori sono espressi per singolo pezzo prodotto

Spessore ridotto, stesse proprietà meccaniche

Il dimensionamento dello spessore è dettato dai requisiti di prestazione strutturale (rigidezza e resistenza dell’oggetto), considerando le proprietà meccaniche e fisiche del polimero selezionato. Ad esempio, i cassetti bianchi porta alimenti per frigoriferi possono essere stampati con polipropilene (PP) non caricato, che ha un modulo a flessione di 1.500 MPa, oppure un compound di PP caricato con il 30% di talco, che ha un modulo a flessione di 3.300 MPa. A causa della significativa differenza nelle proprietà meccaniche, un cassetto progettato in PP con uno spessore di 2,5 millimetri ha la stessa rigidezza di un cassetto spesso 2 millimetri in PP caricato con il 30% di talco. A parità di prestazioni strutturali, nella seconda soluzione si impiega il 28% in meno di polipropilene con un abbattimento del 21% della CO2 prodotta (l’impatto ambientale derivante dalla produzione del talco è solo il 5% di quello del polipropilene). A rendere ancora più interessante questa soluzione contribuisce il 12% di riduzione del costo di produzione, ottenuto attraverso la diminuzione del volume di materiale impiegato e del tempo ciclo di stampaggio (lo spessore viene ridotto del 20%).

Rivestimento nanostrutturato per stampi

L’esempio illustrato mostra chiaramente come un approccio ingegneristico alla progettazione, unito a un miglior impiego delle elevate proprietà meccaniche offerte da alcuni compound, permetta di produrre oggetti di spessore più sottile. Tuttavia, se lo spessore – e quindi la sezione di passaggio della plastica fusa in cavità – fosse troppo sottile, il fuso non riuscirebbe a riempire completamente lo stampo, perché le perdite di carico sarebbero eccessive. Il problema può essere risolto grazie allo specifico rivestimento nanostrutturato sviluppato da Smart Mold, che consente di ridurre significativamente la pressione di iniezione, diminuendo il consumo di plastica vergine in tutte quelle applicazioni in cui non sia possibile utilizzare quella riciclata.

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