Descrizione della M.P.T

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Indice

INDICE

SOMMARIO ………...pag.3 ABSTRACT ………...……….…pag.4 INTRODUZIONE

DESCRIZIONE DELLA M.P.T E DEL CICLO TECNOLOGICO ………….………pag.5

1. SCOPO DELLO STUDIO

1.1 SCOPO DELLO STUDIO………pag.8 .

2. CICLO DI STAMPAGGIO

2.1 FASI FONDAMENTALI CICLO DI STAMPAGGIO……….……….pag.10 2.2 RIEMPIMENTO……….………pag.10 2.3 COMPATTAZIONE………..……….……pag.15 2.4 MANTENIMENTO……….……...pag.16 2.5 RAFFREDDAMENTO………..……….…pag.19

3. SISTEMI DI INIEZIONE

3.1 SISTEMI DI INIEZIONE ………..pag.23 3.2 SIST. DI INIEZIONE TRADIZIONALI……….………….…..pag.24 3.3 BUSSOLA DI INIEZIOE……….…..pag.25 3.4 CANALI DI ALIMENTAZIONE ………...pag.26 3.5 SUGGERIMENTI PER IL DIMENSIONAMENTO DEI CANALI DI

ALIMENTAZIONE………...…..pag.28 3.6 PROGETTAZIONE DEI PUNTI DI INIEZIONE……….………….……...pag.30 3.7 DESCRIZIONE DELLE PRINCIPALI TIPOLOGIE DI INIEZIONI………

………..…..pag.34

4. STAMPAGGIO ASSISTITO DAL SOFTWARE

4.1 STAMPAGGIO VIRTUALE ………..……….….pag.39 4.2 LIMITI PRATICI………..…….pag.40 4.3 METODOLOGIA UTILIZZATA NELLE SIMULAZIONI…………..…………..….pag.41

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Indice

5. OBIETTIVO DELLE SIMULAZIONI

5.1 OBIETTIVO DELLE SIMULAZIONI………..…… …….………..….….pag.55

6. VARIABILI DEL PROBLEMA

6.1 SCELTA DELLE VARIABILI DEL PROBLEMA………..…….………….….pag.57 .

7. RISULTATI DELLE SIMULAZIONI

7.1 RISULTATI CON GATE TRADIZIONALI PER LA PIASTRA 300 X 600….……..pag.64 7.2 PROVE CON GATE PIRAMIDALE E RISULTATI………...……….………....pag.70

8. CONCLUSIONI

8.1 CONCLUSIONI………..pag.76 9. APPENDICE

9.1 DESCRIZIONE DELLA TECNOLOGIA GIT...pag.78 9.2 VANTAGGI COLLEGATI ALL’UTILIZZO DELLA TECNOLOGIA GIT………… pag.80 9.3 SVANTAGGI COLLEGATI ALL’UTILIZZO DELLA TECNOLOGIA GIT……...…pag.81 9.4 ESEMPI DI APPLICAZIONE UTILIZZATI IN MPT………..….pag.82 9.5 REGOLE PER LO STAMPAGGIO ASSISTITO DAL GAS………...pag.84 9.6 CONSIGLI COSTRUTTIVI PRATICI DA SEGUIRE PER L’APPLICAZIONE DELLA TECNOLOGIA GID………....pag.86 9.7 REGOLE PER IL POSIZIONAMENTO DEGLI UGELLI INIEZIONE GAS……...pag.88 9.8 SPESSORE RESIDUO DELLA PARETE DEL MANUFATTO………....pag.90 10.1 CARATTERISTICHE TECNICHE DELLE PRESSE PRESENTI IN M.P.T…...…...pag.91 10.2 CARATTERISTICHE TECNICHE DELLE MATERIE PLASTICHE……...………...pag.95 10.3 LISTATO DELLE SIMULAZIONI SVOLTE CON MOLDFLOW…………...…...pag.97

BIBLIOGRAFIA...pag.100

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Sommario

SOMMARIO

La presente tesi affronta le metodologie di progettazione di stampi per iniezione di materie plastiche considerando tutti i problemi ad essa legati.

Lo studio è stato svolto presso la M.P.T. s.r.l di Calcinaia presso la quale il sottoscritto ha trascorso circa cinque mesi.

Il presente studio prende in considerazione e risolve problematiche essenziali per il dimensionamento della tipologia di iniezione molto utilizzata nell’ambito dello stampaggio delle materie plastiche: quella a “tunnel”. A tale scopo si è fatto ricorso a prove di simulazione utilizzando il software CAE ad elementi finiti Moldflow 2.0 . Questa parte sperimentale dello studio è stata preceduta da una prima fase di apprendimento dei fenomeni fisici dell’intero ciclo di stampaggio e di conoscenza delle diverse tipologie di iniezione utilizzate che vengono passate in rassegna nei primi capitoli dell’elaborato.

I risultati ottenuti dalle simulazioni hanno permesso la creazione di un data base guida per il progettista, il cui utilizzo garantisce una fase di progettazione esente da errori e più rapida in quanto non più soggetta ai tipici tentativi “prova e correggi”.

Tali risultati sono stati essenziali per il completamento di un manuale ad uso dei progettisti che viene già utilizzato all’interno dell’M.P.T i cui contenuti sono di validità generale per le altre realtà operanti nel settore.

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Sommario

ABSTRACT

This thesis deals with the design of “plastic moulds” .

The research , developed at M.P.T s.r.l. located in Calcinaia, is about the dimensioning of a particolare kind of injection system ( the submarine injection ) by making simulations using a finite element software : the Moldflow 2.0 . At the same time the whole injection phenomenons involved with the injection of plastic moulds, together with the most common injection systems were studied and discussed at the beginning of the thesis.

The aim of this work is to make the design of plastic mould simple and more systematic.

The results were also put into an easy reference handbook for M.P.T.’s technicians and operators ,which can be also used in the others realities operating in the same field.

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Introduzione

INTRODUZIONE

Descrizione della M.P.T

La M.P.T. Meccanica di Precisione Toscana si occupa della realizzazione di stampi per iniezione di materie plastiche e in quest’ambito vanta un esperienza ormai ventennale che le ha fatto raggiungere livelli d’avanguardia nel settore. L’azienda occupa un’area complessiva di circa 3500 mq. dove sono situati gli uffici amministrativi, tecnici, commerciali, i magazzini e l’officina di produzione stampi. La società opera in conformità alle norme UNI EN ISO 9002,essendo stata certificata dall’Ente certificatore DET NORSKE VERITAS ITALIA. L’azienda offre la possibilità al committente di commissionare stampi che possono raggiungere la ragguardevole dimensione massima di 1500X1000 mm. Il ventaglio delle aree applicative possibili sono molteplici e tra le principali troviamo:

• Moto e scooter

• Auto

• Arredamento

• Elettrodomestici

• Casalinghi

• Computer

• Elettronica

• Etc.

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Introduzione

Il ciclo tecnologico

Il ciclo tecnologico all’interno della M.P.T. parte dall’acquisizione del disegno dello stampo da realizzare in genere fornito dal committente ma, a volte, viene realizzato direttamente all’interno dell’ufficio tecnico dell’

M.P.T. In questa fase l’oggetto da realizzare viene analizzato preventivamente ed eventualmente sottoposto a modifiche in assoluta sinergia col committente; questo perché assuma una forma il più possibile compatibile con le problematiche tipiche che affliggono lo stampaggio a iniezione di materiale plastico. Superati questi problemi iniziali vengono acquistati i blocchi di acciaio o alluminio che costituiranno poi lo stampo.

Esso sarà costituito tra le altre cose da due elementi fondamentali: “matrice”

e “punzone”; sono queste due parti che, opportunamente guidate all’interno dell’incastellatura dello stampo, chiudendosi, daranno origine all’intercapedine che dovrà successivamente contenere il polimero fuso. Le prime lavorazioni che si affrontano sui blocchi grezzi di acciaio vengono svolte da macchine alesatrici, rettificatrici, torni e fresatrici tutte a controllo numerico. Grazie, infatti, alla strumentazione CAD-CAM che la ditta possiede, una volta acquisita la forma dello stampo è estremamente semplice poi ricavarla dal pieno nei blocchi di acciaio o alluminio tramite la programmazione delle macchine a controllo numerico. Molto spesso si rendono poi necessarie anche lavorazioni particolari quali quelle di elettroerosione (a filo o a tuffo ) e di finitura superficiale tramite fotoincisione. La realizzazione di uno stampo è, tuttavia , una operazione così delicata da non poter prescindere da lavorazioni di finitura che dovranno essere eseguite rigorosamente a mano. Proprio per questo motivo una zona dell’officina è attrezzata con macchine tradizionali che sono di complemento a quelle a C.N.C. e sono : trapani a colonna, trapani radiali, segatrici, torni e presse. In tale area dell’officina vengono operati controlli

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Introduzione

di accoppiamento sullo stampo superati i quali lo stesso viene avviato presso la sala prove della M.P.T dove verrà montato su una delle due presse a iniezione presenti per l’ultimo definitivo test che prevede la realizzazione di un certo numero di manufatti successivamente sottoposti al vaglio del committente.

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Capitolo1 Scopo dello studio

CAPITOLO 1

1.1 Scopo dello studio

Durante lo sviluppo di questo lavoro di tesi, svolto presso la M.P.T s.r.l., dall’analisi delle problematiche legate alla progettazione degli stampi, è emersa la necessità di rendere più rapide e sistematiche alcune fasi della progettazione, a tutto vantaggio dell’efficienza produttiva dell’azienda, requisito questo fondamentale per fronteggiare la continua evoluzione dell’odierna industria meccanica. A tale scopo è stato sviluppato uno studio sperimentale tramite l’utilizzo del software ad elementi finiti Moldflow 2.0 che ha affrontato in maniera più generale possibile il problema del dimensionamento di una tipologia di iniezione frequentemente utilizzata : quella a “tunnel”.

Tale studio si è prefissato come obiettivo quello di ottenere dei risultati che fossero applicabili a qualunque tipologia di manufatto alimentato con un sistema di iniezione a tunnel e che avessero validità generale per qualunque altra realtà operante nel settore delle materie plastiche.

Nonostante, infatti, l’azienda abbia accumulato negli anni una notevole esperienza nel dimensionamento dei vari sistemi di iniezione, tali conoscenze non sono mai state raccolte e catalogate in maniera sistematica.

Ad oggi, infatti, la fase di dimensionamento di tali sistemi parte con dei valori di tentativo, spesso dettati dalla sola esperienza e poi testati tramite la realizzazione di costosi stampi prototipo che solo dopo molte prove e modifiche successive forniscono il dimensionamento ottimale.

I risultati ottenuti dalle simulazione, preventivamente validati da prove pratiche, hanno permesso la creazione di un data base che fornisce al progettista, in maniera immediata ma al contempo accurata, informazioni sul

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dimensionamento ottimale del sistema di iniezione a tunnel, riducendo al minimo i consulti col personale altamente specializzato al fine di trasferire le conoscenze acquisite in lavori svolti precedentemente su quelli attuali . I risultati ottenuti dalle simulazioni sono stati inseriti a completamento di un manuale ad uso del progettista che affronta i seguenti punti:

• Materiali

• Movimentazione stampi.

• Staffaggio e montaggio stampo sulla pressa.

• Sistemi di iniezione.

• Sistemi di condizionamento.

• Ventilazione degli stampi.

• Iniezione assistita dal gas.

Nell’ultima parte dell’ elaborato è stato invece affrontato il problema dello stampaggio assistito dal gas. Dall’analisi delle esperienze accumulate negli anni dall’azienda si sono estrapolate delle preziose regole e suggerimenti da seguire durante la fase di progettazione degli stampi che prevedono l’utilizzo del gas per ottenere manufatti in parete cava o semplicemente per migliorarne la compattazione.

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CAPITOLO 2 2.1 CICLO DI STAMPAGGIO

Il ciclo di iniezione comprende le quattro sottofasi fondamentali:

• fase di riempimento ( filling ).

• fase di compattazione ( paking ).

• fase di mantenimento ( holding ).

• fase di raffreddamento ( cooling ).

2.2 Riempimento

Durante la prima fase il materiale viene iniettato fino al completo riempimento della cavità da ottenere. La pressione di iniezione, in questa fase, non varia linearmente con la portata, come avverrebbe per un fluido newtoniano, ma, nel caso dei polimeri fusi, un aumento di velocità genera una diminuzione della viscosità. Questo comportamento può essere qualitativamente spiegato col fatto che le lunghe catene polimeriche diminuiscono il loro grado di aggrovigliamento con l’aumento della velocità e, conseguentemente, diminuiscono i legami interlaminari, direttamente legati con la viscosità. La fase di iniezione rappresenta dunque un fenomeno molto complesso, caratterizzato da trasporto di materia in condizioni non isoterme con transizione di fase di un fluido reologicamente complesso. I fenomeni termici coinvolti nel processo sono visibili nella fig. 2.1 seguente e sono tre :

• convezione lungo la direzione del flusso

• conduzione attraverso la guaina verso la parete dello stampo

• dissipazione di calore per frizione meccanica

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SCHEMATIZZAZIONE DEI FLUSSI DI CALORE DURANTE IL RIEMPIMENTO

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La geometria del flusso assume il tipico andamento detto a“fontana”(fig. 2.2)

fig. 2.2

dove il materiale a ridosso della parete dello stampo si solidifica (frozen skin layer) e genera una specie di guaina termica protettiva nei confronti del polimero che scorre al suo interno. E’ interessante notare che il profilo di velocità del polimero assume un andamento non parabolico, caratteristico dei fluidi newtoninani, ma a “ tappo” (plug flow). Questo comportamento è facilmente giustificabile osservando il profilo del gradiente di velocità del polimero ( fig. 2.3 ) che, infatti, presenta due massimi nelle semisezioni e non al centro. L’aumento di temperatura del fuso dovuto al calore dissipato

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per attrito deve essere tenuto sottocontrollo nelle sezioni del manufatto, per scongiurare eventuali zone di polimero degradate. Tuttavia, l’aumento di temperatura per attrito, entro certi limiti, concorre a contrastare il rapido raffreddamento del fronte di flusso, facendo si che, una volta riempito lo stampo, la differenza di temperatura tra il punto di iniezione ( gate ) e quello più lontano da esso sia il più possibile contenuta.

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fig. 2.3

Dalle poche considerazione fatte appare chiara la difficoltà pratica che si incontrerebbe nell’affrontare questo genere di calcoli. Solo l’enorme progresso degli ultimi venti anni, rendendo disponibile una grande potenza di calcolo a basso costo, ha permesso di affrontare, attraverso la modellazione ad elementi finiti, il problema e tutte le variabili che lo governano. Nella fig. 2.4 sottostante, in cui

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fig. 2.4

la velocità di iniezione viene relazionata al tempo, sono visibili aree affette dai tipici difetti generati da una errata progettazione della fase di iniezione.

Eccessive velocità iniziali causerebbero problemi di jetting ( gocce fredde ), col proseguire del riempimento questo problema sparisce ma, aumentare la velocità, potrebbe portare a fenomeni di aria intrappolata nel manufatto (entrapped air); alla fine del riempimento una velocità eccessiva causerebbe problemi di bruciatura per effetto dell’aria inevitabilmente intrappolata tra fronte di flusso e stampo. Anche velocità troppo basse causerebbero difetti quali: linee di flusso e cattive linee di saldatura.

2.3 Compattazione

Una volta che la cavità è stata completamente riempita inizia la fase di

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posizionamenti degli sfoghi d’aria, potrebbero causare un aumento di pressione sul fronte di flusso anche prima dell’avvenuto riempimento; in tali aree si avrebbe, dunque, l’inizio della fase di compattazione in anticipo rispetto al tempo previsto dal ciclo. Dunque stabilire l’esatto momento di inizio della fase di compattazione può talvolta non essere così banale. Ad ogni modo supponiamo di analizzare una tipologia molto semplice di iniezione, lastra piana a spessore costante e flusso monodimensionale.

Quello che si verifica alla fine del riempimento è proprio quello che ci si aspetta: un aumento della pressione nel gate che decresce lungo le linea di flusso azzerandosi sul fronte dello stesso. Subito dopo la pressione comincia a salire rapidamente lungo tutto il manufatto (inizio compattazione) senza, tuttavia, mai livellarsi a causa del comportamento viscoso e altamente comprimibile del polimero. La fase successiva sarà quella di mantenimento (holding).

2.4 Mantenimento

Dalla figura 2.4 si può notare che la pressione di solidificazione sarà inevitabilmente diversa da punto a punto del manufatto ( curva T2 ), generando disuniformità di proprietà. Un fattore che quantifica in maniera

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diretta tale disomogeneità è il “volumetric shrinkage” o ritiro volumetrico.

Per comprendere meglio il significato di tale indice basta riferirsi ad un tipico diagramma PVT che mette in relazione pressione, temperatura e volume durante l’evoluzione della fase di stampaggio di un polimero( fig.

2.5 ).

A cavità vuota il materiale entra a pressione atmosferica ( punto A ), effettuando il riempimento si arriva nel punto B, che può essere a destra o a sinistra di A a seconda che prevalga il riscaldamento per frizione o il raffreddamento per conduzione del polimero con le pareti dello stampo. Dal punto B si passa alla pressione di mantenimento che si mantiene fino a che il canale di iniezione non è solidificato ( punto D ). Da questo punto in poi il manufatto si raffredderà ulteriormente e la pressione raggiungerà quella atmosferica. Il ritiro volumetrico è visualizzabile sul grafico dalla differenza di volume specifico tra il punto D ed il punto E. Esso è indicato in percentuale ma con buona approssimazione può essere trasformato in ritiro lineare moltiplicandolo per il fattore 0.33 . Il grafico ci dice che è anche possibile ottenere lo stesso ritiro volumetrico a pressioni di mantenimento minori ma con tempi di mantenimento più lunghi. La pressione di impacchettamento dovrebbe avere un valore prossimo all’ 80% della massima pressione raggiunta durante la fase di iniezione del manufatto, ma può anche essere minore o maggiore, il tutto compatibilmente con la massima forza di chiusura dello stampo. Conoscendo dai dati di targa della pressa il suo tonnellaggio massimo, è facile ottenere la massima pressione di iniezione dalla seguente formula [( tonnellaggio macchina ) / ( area proiettata del pezzo )] * 100 * 0.5 Mpa.

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fig. 2.4

fig. 2.5

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Nel caso di pressioni di iniezione molto alte, tipiche di pezzi con pareti profonde a sezione molto sottile, la contrazione termica potrebbe non riuscire ad azzerare il valore della pressione a fine ciclo, generando un valore negativo del ritiro volumetrico. Questo è uno dei principali motivi di difficoltà di estrazione dei manufatti che viene ulteriormente esaltato nel caso in cui sia elevato il coefficiente d’attrito tra pareti dello stampo e pezzo.

Dalla figura 2.5 abbiamo visto come sia possibile ottenere uguali valori di ritiro volumetrico con differenti pressioni di mantenimento aumentando il tempo di tale fase. Il ritiro volumetrico è, tuttavia, influenzato fortemente dal dimensionamento del canale di iniezione. Un buon sistema dovrebbe garantire la solidificazione del “gate” al termine della applicazione della pressione di mantenimento, evitando pericolosi fenomeni di risucchio che farebbero rapidamente azzerare la pressione nello stampo con conseguente aumento del valore del ritiro volumetrico. Dunque, considerando quanto sia importante ai fini della produttività l’abbassamento del tempo di mantenimento in pressione, il dimensionamento del sistema di iniezione, appunto, rappresenta un problema molto delicato che peraltro va affrontato contemporaneamente allo studio delle altre variabili ad esso strettamente correlate ( tempo, pressione ).

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2.5 Raffreddamento

La quarta ed ultima fase è quella di raffreddamento. La sua durata può impegnare dal 50 % al 90 % dell’ intero ciclo. Proprio per questo molto spesso si cerca di limitarne il più possibile la durata per abbreviare il tempo di ciclo; il tutto compatibilmente con i vincoli imposti dalla morfologia del polimero e dalla qualità che si vuole raggiungere nel manufatto iniettato.

Oltre la durata del raffreddamento è di fondamentale importanza anche l’uniformità con cui esso avviene. Senza un sufficiente grado di uniformità di raffreddamento si incorrerebbe in problemi di deformazioni dei pezzi iniettati che potrebbero essere inizialmente risolti con un eventuale aumento del tempo di raffreddamento in stampo ma che, col tempo, riemergerebbero come fenomeni di post-ritiro, generati dal rilassamento delle inevitabili tensioni interne introdotte da una simile metodologia di trattamento del problema. Un buono studio di questa fase non può prescindere dal considerare i seguenti cinque punti fondamentali:

• quantità di calore da estrarre

• valutare la velocità limite di raffreddamento compatibile con le specifiche richieste dal manufatto

• controllo della velocità di raffreddamento

• stabilire il minimo grado di uniformità del raffreddamento

• tempo minimo di raffreddamento

Per quanto riguarda il primo punto si parte dal grafico delle entalpie specifiche visibili nella figura 2.6 che moltiplicate per il peso del pezzo danno in prima approssimazione l’ordine di grandezza delle calorie da asportare.