8.2 Scelta del polimero adatto
8.3.3 Analisi di Fill + Pack
Le simulazioni di riempimento sono iniziate con il modello 1 (mash grossolana). Questo ha permesso di ricercare una prima definizione dei parametri di processo mediante simulazioni più leggere.
Successivamente si è proceduti con il modello 2 per risultati più accurati da utilizzare per i controlli di processo.
La letteratura, i consigli di personale esperto e la sperimentazione del programma hanno permesso di identificare le caratteristiche decisionali principali da considerare per ottenere i risultati desiderati.
Descrizione polimero PA66 20% fiber glass
Figura 156: parametri di processo Thermocomp RF004
Parametri di processo
Le temperature di processo
Tabella 63: le temperature di processo
Descrizione Temperatura [°C]
Mold surface temperature 75
Melt temperature 320
Per quanto riguarda le temperature di processo si predilige utilizzare i valori consigliati dal fornitore del materiale plastico forniti direttamente sul software utilizzato per questo progetto. I valori sono stati leggermente modificati in alto per facilitare la fase di riempimento dello stampo. Le temperature indicate nella tabella non superano i limiti massimi raccomandati e i controlli riportati di seguito certificano la scelta intrapresa.
Tempo di compressione:
Tabella 64: il tempo di compressione
Descrizione Tempo [s]
Tempo di compressione 1
Il valore utilizzato è sufficiente per garantire la chiusura completa della pressa. Un valore troppo grande comporterebbe un aumento inutile dei tempi computazionali. Il periodo esatto viene automaticamente calcolato e gestito dal simulatore.
La pressione di processo:
La fase di compressione che da origine al manufatto può essere suddivisa in due fasi:
• Fase 1: avanzamento a velocità controllata
• Fase 2: avanzamento a pressione costante.
Questo parametro di processo definisce la soglia in cui l’avanzamento della pressa commuta passando dalla prima alla seconda fase. La pressione è un parametro molto importante da definire in quanto influenza la fase di riempimento. Valori troppo bassi non permettono lo riempimento completo dello stampo mentre valori troppo alti causano stress maggiori che devono essere sopportati dal polimero e costi macchina superiori.
Tabella 65: la pressione massima di processo
Descrizione Pressione [tonn]
Campo della pressione 750
Il valore trovato soddisfa le esigenze di processo, i controlli riportati nel capitolo dedicato certificano il valore scelto. Trattandosi di un manufatto di grandi dimensioni il parametro assume valori importanti per cercare di raggiungere tutte le regioni da riempire.
Apertura della pressa:
L’apertura iniziale della pressa deve garantire lo spazio per il posizionamento delle cariche. Questo parametro può essere calcolato dal simulatore. Si è deciso di utilizzare questa opzione per trovare un valore, successivamente si è impostato un parametro fisso leggermente superiore utilizzato per tutte le simulazioni successive. L’altezza delle cariche fissata a 40mm non ha più richiesto la modifica di questo valore
Tabella 66: apertura della pressa
Descrizione Lunghezza [mm]
Apertura pressa 101
Gestione delle velocità di chiusura stampo:
La gestione della velocità di chiusura stampo è un parametro molto importante di questa fase del processo di stampaggio a compressione. Questa deve garantire il raggiungimento del polimero in tutte le regioni dello stampo prima che il materiale si indurisca. Durante l’ottimizzazione dei valori numerici di velocità nei diversi spostamenti incrementali della pressa si deve tenere in considerazione diversi fattori:
• Basse velocità causano:
o Grandi pressioni di chiusura stampo
o Inizio di indurimento del polimero prima che esso sia interamente formato o Tempi di lavorazione maggiori
o Aumento della differenza di temperatura nel fronte di flusso
• Alte velocità causano:
o Shear rate maggiori o Shear stress maggiori
o Prestazioni pressa superiori (costi maggiori)
• Le accelerazioni devono essere sopportate dalla pressa (minimizzare per diminuire i costi della macchina)
Nota: il campo delle velocità è stato impostato a 1000 mm/s. Parametro utilizzato dalla pressa come limite massimo.
Tabella 67: profilo delle velocità
Spostamento incrementale [mm] Velocità finale [mm/s] Accelerazione [mm/s2]
- 950 -
Tempo di raffreddamento
Il tempo di raffreddamento definito nella tabella garantisce una completa solidificazione della resina termoplastica prima dell’apertura dello stampo
Descrizione Quantità
Cooling time 20 [s]
% filled 100%
Il tempo ciclo valutato è di 20.51 secondi. Questo comprende la fase di compressione fissata a 1 secondi e la fase di raffreddamento. Il valore scelto è di 20 secondi ed è sufficiente a garantire la completa solidificazione del manufatto.
Figura 158: time to reach enjection temperature
Nota: durante l’analisi di cool è stato definito il valore minimo utilizzabile per il tempo di raffreddamento del manufatto nello stampo. Per le simulazioni svolte è stato mantenuto sempre il valore scelto di 20 secondi. Si faccia riferimento al capitolo “analisi di cool” per maggiori informazioni.
Controlli:
Contemporaneamente all’ottimizzazione dei parametri si sono controllati i risultati al fine di non superare i limiti fisici del materiale scelto per questo processo (PA66 20% fibra di vetro)
Per quanto riguarda la scelta del polimero fare riferimento al capitolo “scelta del polimero adatto”. Il superamento di tutti i controlli ha permesso di certificare il corretto riempimento dello stampo e la conseguente corretta realizzazione del manufatto in esame.
Verifica volume cavità:
Il controllo è superato se il volume della cavità finale coincide o è leggermente inferiore al volume della carica iniziale.
Figura 159: cavity volume:XY plot
• Volume carica iniziale: 2954.4 cm3
• Volume cavità finale: 2952.75 cm3
Esito controllo: ok Verifica volume finale stampo
Questo controllo è superato se il volume del modello è uguale o leggermente superiore al volume della cavità finale ottenuta dalla simulazione. Se questa condizione non fosse verificata potrebbe essere avvenuta una solidificazione del polimero prima della completa chiusura dello stampo
Figura 160: mesh statistics (fill+pack)
• Volume modello: 2952.91 cm3
• Volume cavità finale: 2952.75 cm3
Esito controllo: ok
Proprietà delle superfici di compressione:
Con questo controllo si verifica che il softwer abbia identificato correttamente le diverse regioni dello stampo con il comando automatico. Se questo non è corretto è necessario definire manualmente queste superfici.
• Resalt 1: elemento che si muove durante la compressione.
• Resalt 2: elemento incluso nella superfice fissa.
• Resalt 3: elemento incluso nelle superfici laterali.
Figura 161: compression surface property (fill+pack)
Come riportato nell’immagini le superfici sono state identificate correttamente. Con questa conformazione lo stampo fisso necessita l’applicazione di estrattori meccanici. La soluzione proposta nel concetto dello stampo è inversa e permette di utilizzare la movimentazione dello stampo per l’estrazione del manufatto.
Esito controllo: ok Riempimento bilanciato
Figura 162: fill time (fill+pack)
La simulazione definitiva rappresenta il miglior riempimento possibile che si è riusciti ad ottenere.
Trattandosi di manufatti di grandi dimensioni è molto difficile garantire questo requisito. La soluzione proposta è in grado di produrre il manufatto anche se negli angoli più esterni il polimero non ha raggiunto tutti i nodi del modello. Questa problematica non influenza le caratteristiche reologiche globali, rimane un fattore puramente estetico e puntuale. Globalmente il riempimento è bilanciato.
Esito controllo: ok
Posizione delle weld lines
Figura 163: weld lines (fill+pack)
Come si vede raffigurato si crea una linea di giunzione molto importante nel centro del manufatto.
Questa condizione è inevitabile in quanto, trattandosi di un manufatto di grandi dimensioni, una sola carica non era sufficiente. Oltre a questa problematica nota vi è un ulteriore linea di giunzione nella regione superiore. Questi risultati erano previsti e non è possibile eliminarli. Un consulto con lo stampista esperto è necessario per minimizzare la presenza di weld lines sulla superfice esterna (visibile) del manufatto della colonnina. La diminuzione della resistenza strutturale in quella zona è compensata dalla presenza degli elementi metallici di rinforzo i quali collegano le due “regioni” del manufatto
Valutazione dello shear rate
Dalla simulazione si trova un valore massimo di Sher rate di 77390.2 1/s. Questo valore super il limite massimo di 60000 1/s sopportato dal polimero utilizzato. Come riportato nella seconda immagine gli shear rate superiori al limite del materiale non sono presenti nel modello. Data questa considerazione l’esito del controllo è positivo.
Esito controllo: ok
Valutazione dello shear stress
Figura 164: shear stress at wall (fill+pack)
Per quanto riguarda lo shear stress il valore massimo calcolato nella simulazione è di 0.2319 MPa. Il valore ammissibile per questo materiale è di 0.5 MPa. Lo stress subito dal materiale è quindi inferiore alla metà del limite massimo.
Esito controllo: ok Temperatura del fronte di flusso
Figura 165: temperature at flow front (fill+pack)
Durante la fase di riempimento il fronte del flusso varia da 320°C a 322.8°C con una differenza di 2.8°C.
Questa variazione è ammissibile in quanto è consigliato avere una differenza massima di temperatura di 5-10°C turante il riempimento mediante processo di compressione
Esito controllo: ok
Temperatura a fine compressione
Figura 166: temperature (fill+pack)
Alla fine della fase di riempimento il polimero presenta una variazione, tra la temperatura di iniezione (320°C) e quella finale (326.8°C), di 6.8°C. Questa variazione è ammissibile in quanto è consigliato avere una differenza massima di 10-15°C. Da questo risultato si può anche affermare che il materiale non supera la temperatura limite di iniezione pari a 345°C.
Esito controllo: ok Guaina solidificata
Figura 167: frozen layer fraction at end of fill (fill+pack)
Mediante questo risultato si valuta la percentuale di spessore solidificato alla fine del riempimento. I valori massimi consigliati sono del 15/20% per garantire una buona compattazione del manufatto. In questa simulazione il valore di frozen layer massimo è del 43 %. Isolando i risultati si evince che questo valore è locale e non dovrebbe compromettere la qualità del manufatto prodotto.
Esito controllo: ok
Ritiro volumetrico
Figura 168: average volmetric shrinkage (fill+pack)
I valori di ritiro massimi consigliati sono del 2%, questo valore è indicativo e non rappresenta una soglia limite. Una presenza di ritiri non omogenei potrebbe causare delle deformazioni nel manufatto. In questa simulazione sono stati trovati valori di 12.65%. Trattandosi di un manufatto di grandi dimensioni e con spessori importanti questo valore è accettabile, durante lo studio sulle deformazioni è stata verificata l’influenza di questo fattore sul prodotto finito.
Esito controllo: ok