Stampaggio ad iniezione

Lo stampaggio ad iniezione è una delle più importanti tecnologie di trasformazione di tipo discontinuo delle materie plastiche e può essere applicata sia ai termoindurenti che soprattutto ai termoplastici. Nel caso dei termoplastici è la tecnica principale per trasformare i granuli precedentemente processati tramite estrusione in prodotti finiti. I manufatti ottenuti possono avere forme tridimensionali qualsiasi, anche asimmetriche e possono avere dimensioni comprese tra qualche millimetro e qualche metro. La pressa ad iniezione viene utilizzata, inoltre, anche dalle aziende B2B al fine di ottenere provini e placchette opportunamente normalizzati, necessari per caratterizzare meccanicamente e termicamente il materiale estruso. I test vengono effettuati simultaneamente al processo di estrusione nell’ambito del controllo qualità, ma anche a 48 ore di distanza dallo stampaggio dei provini, tempo normalizzato necessario per permettere la cristallizzazione del polimero. La pressa ad iniezione è il macchinario ideale per la produzione di un numero elevato di oggetti di forme complesse che richiedono dimensioni precise.

In generale, una pressa per lo stampaggio ad iniezione è composta da tre unità principali, ossia le unità di plastificazione ed iniezione, il gruppo di chiusura e la cavità dello stampo. Nelle unità di plastificazione ed iniezione il polimero in granuli viene inizialmente scaldato e quindi fuso. La massa fusa viene accumulata nella camera vite ed in seguito iniettata ad elevate velocità nello stampo. A questo punto viene rilasciata gran parte della pressione, ma non tutta in quanto è importante avere una certa pressione, denominata pressione di mantenimento, durante il raffreddamento.

Il gruppo di chiusura può essere di tipo meccanico o idraulico ed è costituito da due parti, una fissa e l’altra mobile. La funzione principale consiste nel mantenere chiuso lo stampo durante la fase di iniezione, contrastando l’elevata pressione generata dal gruppo di iniezione, la quale porterebbe all’apertura delle due metà dello stampo.

La configurazione del gruppo di chiusura permette, inoltre, di aprire lo stampo nel momento in cui si desidera estrarre il pezzo. Tipicamente si utilizza un sistema di estrazione di tipo meccanico se i pezzi da realizzare sono costituiti da una geometria semplice, idraulico se essi sono più complessi e/o delicati.

Lo stampo è il componente più importante della pressa ad iniezione, in quanto permette l’ottenimento della forma finale desiderata. Si ha una distribuzione del polimero fuso all’interno delle cavità presenti nello stampo tramite i runners, ossia canali di piccolo diametro che permettono il trasferimento del materiale dall’ugello alle forme da stampare Lo stampo modella pertanto la forma dell’oggetto da espellere, tramite orientazione dell’ugello nella direzione desiderata, raffredda la massa fusa ed espelle il prodotto finito. In Figura 4.7 sono rappresentate schematicamente le unità ed i componenti principali di una pressa ad iniezione.

Figura 4.7. Layout di una pressa per lo stampaggio ad iniezione.

Per realizzare un oggetto perfettamente riempito, con la corretta quantità di materiale, è necessario settare al meglio i parametri di iniezione. A seconda delle condizioni di stampaggio impostate, infatti, si potrebbe incorrere nell’ottenimento di manufatti aventi i bordi sbavati a causa di un eccesso di materiale, oppure addirittura in manufatti carenti di materiale. Con il termine parametri di iniezione non si intendono solamente i parametri macchina, ma anche il design dello stampo e le proprietà reologiche, fisiche, termiche e meccaniche del polimero in funzione del profilo di temperatura. Tra le proprietà reologiche le più importanti sono la viscosità e il melt flow rate, tra le termiche il calore specifico, la conducibilità termica e la diffusività termica, tra le fisiche la densità del fuso, la densità del solido e il volume specifico, tra le meccaniche il modulo di Young, il coefficiente di Poisson, il modulo di taglio e il coefficiente di espansione termica trasversale. Il design dello stampo riguarda essenzialmente i layout delle cavità, dell’ugello e dei runners. I parametri macchina da ottimizzare sono molteplici, in quanto bisogna tenere in considerazione la dimensione del getto, la pressione, lo shear rate e lo shear stress, la velocità e la temperatura di iniezione, la pressione di mantenimento, la temperatura dello stampo e di estrazione, il tempo di mantenimento e le quote di fine carica della vite e di bassa pressione. Si noti che i parametri pressione e velocità di iniezione non sono indipendenti tra loro, in particolare la velocità di iniezione dipende dalla pressione, infatti qualora vengano impostate elevate velocità e basse

pressioni, il macchinario non permette il raggiungimento delle elevate velocità, le quali rimangono pertanto solamente nominali. Infine, è bene sottolineare che lo stampaggio ad iniezione non è processo stazionario, anzi deve avvenire molto rapidamente in modo da ovviare alla degradazione del fluido polimerico e al prematuro raffreddamento durante il trasferimento dalla camera calda allo stampo.

In Figura 4.8 sono descritte schematicamente le quattro principali fasi che costituiscono il ciclo di una pressa ad iniezione. Nel primo stadio (a) viene immesso il materiale, tramite una tramoggia, nella zona di alimentazione della vite. A causa del moto roto-traslatorio della vite, situata all’interno del cilindro, si crea un attrito tra materiale e vite che provoca la fusione del materiale stesso. Tuttavia, la fusione del materiale è facilitata anche da un altro contributo, ossia l’apporto termico generato dalle resistenze elettriche situate sul cilindro di plastificazione. Nel secondo stadio (b) si ha l’iniezione del polimero attraverso l’ugello nello stampo. Come anticipato in precedenza, il trasferimento di materiale alle forme da realizzare si effettua attraverso i runners posti nello stampo. In essi si realizzano gradienti di velocità di taglio molto elevati, i quali sono necessari in quanto la potenza in essi dissipata si converte in calore che riscalda il materiale fluente. Nonostante l’elevato rapporto superficie/volume dei runners che favorisce una rapida dispersione del calore, il materiale deve infatti riuscire a mantenersi sufficientemente caldo per avere un completo riempimento dello stampo. In questa fase, dal momento che il materiale viene iniettato ad alta pressione, si necessita della presenza di una valvola di non ritorno, la quale svolge la funzione di impedire il retroflusso di parte del materiale fuso.

Una volta riempita la cavità, inizia la fase di compattamento (c) durante la quale il polimero viene mantenuto in pressione. È fondamentale, infatti, non avere un completo rilascio della pressione, in quanto durante il raffreddamento e la conseguente solidificazione del pezzo si registra un ritiro dimensionale. La diminuzione di volume è quindi associata alla diminuzione di temperatura. È necessario dunque compensare questo fenomeno con l’immissione di altro materiale, il quale viene forzato all’interno della cavità causando un aumento di densità. Sono

quali sono soggetti a maggiore ritiro dimensionale rispetto agli amorfi, che di raffreddamento. Durante la fase del raffreddamento, il manufatto solidifica portandosi alla temperatura dello stampo. La diminuzione di temperatura non è più compensata dal flusso di mantenimento e quindi provoca una diminuzione di pressione a volume e densità costanti. Se il raffreddamento non è adeguato e il pezzo viene quindi estratto quando è ancora troppo caldo, esso può subire deformazioni non volute compromettendo il risultato finale. In questa fase contemporaneamente al compattamento ed al raffreddamento avviene anche il caricamento della vite per lo stampaggio del pezzo successivo. Al termine del processo (d) si apre la parte mobile dello stampo e si espelle il pezzo, grazie a degli appositi estrattori.

Figura 4.8. Ciclo di trasformazione dello stampaggio a iniezione.

In Figura 4.9 è rappresentato il generico profilo di pressione in cavità che caratterizza il processo di stampaggio ad iniezione.

I principali vantaggi di questa tecnologia consistono nella possibilità di produrre pezzi di diverse dimensioni con geometrie complesse e nell’elevata produttività ed automazione dei processi. Lo svantaggio principale è essenzialmente l’elevato costo di stampi, presse ed iniettori. Questo svantaggio può essere però ammortizzato se vengono stampate grandi quantità di pezzi; in tal caso lo stampaggio ad iniezione diventa un processo vantaggioso. Nel tradizionale processo di stampaggio ad iniezione si produce una gran quantità di materiale di scarto in ogni ciclo dovuto al materiale presente nei runners. Nonostante questo materiale possa essere riciclato meccanicamente tramite macinazione (processo costoso, nel quale non sono esclusi problemi di contaminazione con altri materiali), vi è un’alternativa al processo standard che permette di evitare la produzione di questi scarti: si tratta dell’utilizzo di stampi a canali caldi. Ricorrendo all’uso dei canali caldi si ha che essi permettono di mantenere il materiale nei runners sempre allo stato fuso fino al raggiungimento del gate, minimizzando gli scarti di materiale. Questa tecnica si può perseguire utilizzando uno stampo a tre piastre, in cui la piastra centrale, contenente i runners, rimane sempre riscaldata. Nel momento in cui lo stampo si raffredda, il gate solidifica, ma il materiale contenuto nei runners viene mantenuto caldo. Quando la piastra mobile si ritira, essa trascina il pezzo con sé, si rompe il gate e viene espulso il pezzo. Lo svantaggio principale di questa tecnologia riguarda la notevole complessità degli stampi, i quali sono anche molto costosi. Un altro problema prettamente pratico riguarda il fatto che è necessario smontare l’intero stampo nel caso si intasino i runners. Infine questa tecnica non è attuabile per tutti i polimeri, in particolare non vengono processati in questo modo il PVC e molti altri polimeri contenenti antifiamma. In Figura 4.10 è schematizzato un esempio di stampo a canali caldi.

Figura 4.10. Stampo a canali caldi.