1.3 I processi di fabbricazione
1.3.1 I processi di fabbricazione in generale
Di seguito sono riportati tutti i possibili metodi di fabbricazione utilizzabili per realizzare delle colonnine di ricarica. Sono stati identificati 10 differenti processi:
• Struttura metallica assemblata
• Lamiere lavorate per imbutitura
• La stampa 3D
• La lavorazione CNC
• Processo di stampaggio con iniezione (injection molding)
• Processo di stampaggio a compressione (compression molding)
• Processo di stampaggio combinato (iniezione+compressione)
• Processo di stampaggio SMC
• Processo di termoformatura (vuoto/pressione)
• Processo di rotostampaggio
Di seguito sono riportati i dettagli dei processi individuati al fine di valutare al meglio tutte le possibilità.
È presente una breve descrizione, le caratteristiche principali e i limiti di ogni metodo.
Struttura metallica assemblata
Questa tipologia di processo di fabbricazione è il più adoperato dai fornitori attualmente presenti sul mercato. Il concetto base è quello di realizzare una struttura rigida metallica sulla quale vengono fissate delle lamiere in materiale polimerico o metallico. Lo scheletro della colonnina viene assemblato mediante svariate tipologie di assemblaggio come la saldatura, l’avvitatura o la rivettatura. Il rivestimento esterno viene applicato a posteriori e protegge tutti i componenti della colonnina dai fattori esterni quali le condizioni ambientali o la manomissione da parte di un utilizzatore. Il montaggio finale viene garantito tramite viti o rivettatura.
I vantaggi nella realizzazione di una colonnina mediante struttura metallica assemblata:
• Strutture robuste, rigide e con lunga durata di vita
• Processo di fabbricazione classico (processi standardizzati)
I limiti nella realizzazione di una colonnina mediante struttura metallica assemblata:
• Processo costoso
• Velocità di produzione limitata
• Impiego di materiale metallico
Figura 2: struttura metallica assemblata
Lamiere lavorate per imbutitura
Processo di fabbricazione che prevede la realizzazione di sagome in metallo mediante il processo di imbutitura/trafilatura. Questi elementi vengono successivamente assemblati mediante collegamenti a vite, saldature o rivettature.
I vantaggi nella realizzazione di una colonnina mediante imbutitura:
• Strutture robuste, rigide e con lunga durata di vita
• Processo di fabbricazione classico (processi standardizzati)
I limiti nella realizzazione di una colonnina mediante imbutitura:
• Processo costoso (meno di struttura metallica assemblata)
• Impiego di materiale metallico
Figura 3: lamiere imbutite e assemblate
La stampa 3D
Questo processo di fabbricazione prevede l’utilizzo di una stampante 3D. Questo metodo è innovativo e ad oggi non esistono colonnine sul mercato realizzate mediante stampante 3D. Questo è da attribuirsi al fatto che questo processo non è adatto alla realizzazione di grandi volumi ed implica un lungo periodo di tempo per effettuare la stampa completa.
I vantaggi nella realizzazione di una colonnina mediante stampa 3D:
• Materiale termoplastico (riciclabile)
• Realizzazione di geometrie molto particolari
I limiti nella realizzazione di una colonnina mediante stampa 3D:
• Tempo di realizzazione lungo
• Processo costoso
• Non adatto ai grandi volumi di produzione
Figura 4: stampante 3D
La lavorazine CNC
Questo metodo prevede la realizzazione di una colonnina mediante la lavorazione delle parti con asportazione di truciolo partendo dal pieno. Questa tecnica non è attualmente in uso in quanto ha una serie di limitazioni che implicano la non idoneità di questa tecnica per la realizzazione di grandi manufatti. Questo non implica che alcuni piccoli elementi possano essere sviluppati partendo da un grezzo pieno mediante lavorazione CNC
I vantaggi nella realizzazione di una colonnina mediante lavorazione CNC:
• Processo economico per grandi volumi
• Processo di fabbricazione classico (processi standardizzati)
I limiti nella realizzazione di una colonnina mediante lavorazione CNC:
• Tempo di lavorazione lungo
• Non adatto per grandi volumi di produzione
• Non adatto alla realizzazione di manufatti di grandi dimensioni
• Elevato volume di scarto per lavorazioni particolari
Figura 5: macchina CNC
Processo di stampaggio con iniezione (injection molding)
Lo stampaggio a iniezione consiste nell’inoculazione di un polimero in uno stampo chiuso.
Questo processo è caratterizzato dall’utilizzo di grandi pressioni. La realizzazione dello stampo e la progettazione della macchina ad iniezione è complicato. I ‘investimento iniziale per recuperare l’attrezzatura risulta quindi essere relativamente elevato. la macchina per iniettare deve essere adatta alla tipologia di polimero che si vuole stampare. Tramite iniezione si possono realizzare manufatti di piccole, medie e grandi dimensioni. Le plastiche lavorabili sono sia termoplastici che termoindurenti che quali possono essere in forma semplice oppure composita (caricati fibra)
Questo processo diventa economicamente conveniente quando si devono produrre grandi volumi in quanto si riesce ad ammortizzare l’elevato costo iniziale.
Questo processo di fabbricazione più essere riassunto in 5 fasi principali:
1. Impostazione dello stampo: aggiunta di eventuali inserti e chiusura dello stampo
2. Estrusione della plastica: il polimero viene fluidificato e trasportato nella camera di iniezione adiacente lo stampo.
3. Stampaggio: il polimero viene iniettato nello stampo chiuso mediante pressioni elevate
4. Reticolazione e rimozione: raffreddamento (termoplastici) o reticolazione chimica (termoindurenti) del manufatto nello stampo e successiva estrazione meccanica.
5. Post-elaborazione: rimozione di bave/sporgenze/guide (di solito in automatico durante apertura stampo)
I vantaggi nella realizzazione di una colonnina mediante processo di stampaggio con iniezione:
• Possibilità di lavorare materiale termoplastico (riciclabile)
• Processo adatto alla realizzazione di manufatti con geometria complessa
• Processo adatto alla realizzazione di piccoli, medi e grandi manufatti
• Tempo ciclo inferiore rispetto allo stampaggio a compressione
• Economico per grandi volumi di produzione (ammortamento costo iniziale)
I limiti nella realizzazione di una colonnina mediante processo di stampaggio con iniezione:
• Costi attrezzature superiori rispetto a stampaggio a compressione (investimento iniziale elevato)
Figura 6: processo di injection molding
Processo di stampaggio a compressione (compression molding)
A differenza dello stampaggio a iniezione questo processo opera a pressioni inferiori. Un preformato polimerico (carica), con forma e peso noto, viene posizionato su uno stampo caldo che, chiudendosi (compressione), genera il manufatto finale desiderato. Le caratteristiche della carica svolgono un ruolo determinante: vi sono applicazioni particolari in cui questa è composta da più elementi (anche tessuti o micropellet). Con questo metodo lo stampo e le attrezzature necessarie sono più economici ma il processo risulta essere più lento. La formatura a compressione diventa economicamente conveniente rispetto al processo di iniezione quando il volume da realizzare è relativamente contenuto. Questa tecnologia è adatta alla produzione di manufatti di media e grande dimensione. Mediante stampaggio a compressione è possibile lavorare sia termoplastici che termoindurenti, le caratteristiche reologiche-strutturali ottenibili sono molteplici. Si possono lavorare il polimero semplice oppure svariate tipologie di compositi (polimero caricato fibra). Bisogna considerare che lo stampo deve essere adatto alla tipologia di materiale plastico che si vuole lavorare.
Esistono due tipologie di stampaggio a compressione:
• Stampo freddo: il materiale da formare viene preriscaldato prima di essere introdotto nello stampo.
• Stampo caldo: la carica viene inserita fredda e viene successivamente riscaldata tramite lo stampo.
Questo processo di fabbricazione più essere riassunto in 5 principali fasi:
1. Pulizia e assemblaggio: tutti i componenti dello stampo vengono puliti e assemblati 2. Inserimento carica: la carica viene posizionata all’interno dello stampo
3. Riscaldamento e formatura: dopo un preriscaldamento di applica pressione allo stampo al fine di generare la geometria finale del pezzo
4. Reticolazione e estrazione: successivamente alla formatura si aspetta la solidificazione del polimero nello stampo mediante reazione fisica o chimica. Dopo si procede all’estrazione del manufatto.
5. Post-elaborazione: rimozione di bave/sporgenze/guide (di solito eseguito manualmente da operatore)
I vantaggi nella realizzazione di una colonnina mediante processo di stampaggio a compressione:
• Possibilità di lavorare materiale termoplastico (riciclabile)
• Processo adatto alla realizzazione di medi e grandi manufatti
• Economicamente conveniente per piccoli e medi volumi di produzione (costi attrezzature inferiore rispetto a stampaggio a iniezione ma tempi di processo più lunghi)
• Lunghezza fibre illimitata
• Possibilità di realizzare manufatti con spessore elevato (15-20mm)
I limiti nella realizzazione di una colonnina mediante processo di stampaggio a compressione:
• Non adatto alla realizzazione di manufatti a geometria complessa
• Tempo ciclo superiore rispetto a stampaggio a iniezione (bassa produttività)
• Necessita rimozione manuale delle bave
Figura 7: processo di compression molding
Processo di stampaggio combinato (injection+compression molding)
Il processo consiste in una combinazione di stampa a iniezione e stampa a compressione. In particolare, vi è in una modifica dell’apertura dello stampo durante o dopo la fase di iniezione che avviene a stampo aperto (3-4mm). Processo complicato che necessita di personale espero. Lo stampaggio combinato trova impiego per la realizzazione di manufatti particolari in quanto ha la capacità di minimizzare le tensioni interne residue dei manufatti prodotti. Ad esempio, le lenti in plastica sono realizzate tramite inietto compressione
I polimeri lavorabili sono molteplici: sia termoplastici che termoindurenti con la possibilità di caricamento fibra per elaborare compositi
I vantaggi nella realizzazione di una colonnina mediante processo di stampaggio a inietto-compressione:
• Possibilità di lavorare materiale termoplastico (riciclabile)
• Per manufatti piccoli, medi o grandi a spessori ridotti
• Lunghezza fibre illimitata
• Minimizza la deformazione del materiale (temperatura pressione costante in tutte le regioni stampo)
I limiti nella realizzazione di una colonnina mediante processo di stampaggio a compressione:
• Tempo ciclo superiore rispetto a stampaggio per iniezione (bassa produttività)
• Necessita rimozione manuale delle bave
Figura 8: stampaggio per inietto-compressione
Processo di termoformatura
Metodo di produzione mediante il quale una lamina di plastica viene formata mediante applicazione di vuoto o pressione tra il polimero e lo stampo. I materiali plastici lavorabili son questo metodo sono sia termoplastici che termoindurenti. Il prodotto finito può essere sia semplice che composito mediante applicazione di fibre inorganiche.
Questo processo di fabbricazione più essere riassunto in 5 principali fasi:
1. Fissaggio: lamina di plastica fissata al telaio
2. Riscaldamento: lamina avvicinata a riscaldatori per aumento temperatura
3. Sottovuoto: la pellicola calda viene messa sullo stampo e viene applicato il vuoto per fare aderire il materiale polimerico
4. Raffreddamento e rimozione: dopo la formatura della pellicola si raffredda il sistema e si estrae l manufatto
5. Rifilatura: eliminazione del materiale in eccesso mediante asportazione manuale o CNC I vantaggi nella realizzazione di una colonnina mediante formatura sottovuoto:
• Possibilità di lavorare materiale termoplastico (riciclabile)
• Processo adatto per grandi volumi di produzione
I limiti nella realizzazione di una colonnina mediante formatura sottovuoto:
• Geometrie ottenibili semplici e spessori massimi limitati
• Spessore manufatto finale non costante (causato da deformazione lamina)
Figura 9: processo di formatura sottovuoto
Processo di rotostampaggio
Questo processo di fabbricazione consiste nel riscaldamento di uno stampo cavo nel quale viene inserita della polvere termoplastica. Lo stampo ruota su due assi e genera uno spessore di polimero costante su tutta la superfice del manufatto. IL rotostampagio è adatto a realizzare manufatti cavi di grandi dimensioni on spessore compreso tra 2 e 15 mm. Il processo consiste in 4 fasi principali:
1. Caricamento: polvere plastica caricata e chiusura dello stampo
2. Riscaldamento: riscaldamento e rotazione (per ottenere plastica liquida sulle pareti) 3. Raffredamento: raffreddamento e rotazione (per ottenere plastica solida sulle pareti) 4. Rimozione della parte: separazione manufatto stampo
I vantaggi nella realizzazione di una colonnina mediante rotostampaggio:
• Materiale termoplastico (riciclabile)
• Per la produzione di piccoli-medi volumi
• Stampo economico (sottile e no leghe particolari)
I limiti nella realizzazione di una colonnina mediante rotostampaggio:
• Gamma di materiali termoplastici limitata (costi elevati materia prima)
• Tempo ciclo lungo (no adatto a produzione in massa)
• Difficile stampare nervature
• Difficile reperibilità personale esperto
Figura 10: processo di rotostampaggio