Materiali e Tecnologie per il Design, prof. Andena

Materiali

Criteri di selezione dei materiali

1) Definizione dei requisiti del prodotto

- Individuare se il prodotto deve essere puramente funzionale o anche estetico.

- Individuare approssimativamente un volume produttivo, basato sulla possibilità che hanno le aziende che producono il prodotto e su possibili esigenze di mercato. Eventualmente anche a questioni di distribuzione e trasporto del prodotto.

- Qual è lo scopo del prodotto e in che modo lavora.

- Quali condizioni di lavoro può avere il prodotto (descrivere lo scenario di utilizzo del prodotto perché si deve capire perché ho selezionato determinati requisiti e specifiche).

- Definire l’impatto emotivo del prodotto (come deve essere percepito, quale deve essere il suo carattere).

- Considerare i quattro aspetti fondamentali per disegnare un prodotto (questo consentirà di eliminare da subito dei materiali):

• Aspetto tecnico (proprietà fisiche, meccaniche, termiche, elettriche)
• Aspetto relativo all’utente (ergonomia, user interface, user experience, ecc.)
• Sostenibilità (risorse utilizzate per crearlo/produzione, consumo di energia per lavorarlo/lavorazione, emissioni/utilizzo, fine ciclo di utilizzo/smaltimento)
• Sensoriale (tatto/caldo freddo duro morbido liscio texturizzato ecc., apparenza/trasparente colorato lucido, acustica/vivacità acustica e tono, sapore e odore)

- Cosa deve essere massimizzato o minimizzato (costo, peso, isolamento termico, ecc.).

- Definire gli obiettivi del prodotto, considerando anche gli aspetti di mercato, la funzione, i limiti che siano produttivi o anche altro.

- Definire le specifiche tecniche che dovrà avere il prodotto considerando tutti i punti precedenti.

- Scelta del processo di produzione del prodotto (considerando che la tecnologia può modificare la percezione del prodotto sotto questi aspetti): formatura, assemblaggio, finitura.

Quindi alla fine di tutto bisogna arrivare ad avere deciso:

• Funzione (scopo del prodotto, cosa deve fare)
• Vincoli (che siano geometrici, strutturali, ambientali, numero di produzione, ecc.)
• Obiettivi (cose che devono essere massimizzate o minimizzate)

*In realtà qui manca un po' sui metodi per la selezione di materiali in maniera innovativa, se si vuole cioè individuare un materiale innovativo oppure ricontestualizzato. (nelle slide c’è comunque qualcosa)

2) Identificazione delle proprietà del materiale

- I requisiti devono essere associati al fenomeno fisico che li governa (es. isolamento termico > trasferimento del calore).

- Individuare la matematica che sta dietro il fenomeno fisico coinvolto, cioè le formule (es. formula del flusso di calore).

- Individuare quindi le proprietà del materiale necessarie (es. densità, calore specifico, conducibilità termica).

3) Ricerca dei materiali candidati

- Ricercare informazioni sui materiali tramite:

• Database di materiali (www.matweb.com , Campus Plastics, Cambridge Engineering Selector (CES), CAD/CAE programs, ecc.)
• Letteratura scientifica e tecnica
• Datasheet dei materiali disponibili sui siti dei produttori
• Test di laboratorio

4) Valutazione del migliore materiale

- Ranking del materiale in base a un grafico (che deve tenere conto del diverso prezzo che un materiale ha in base alle risorse in un determinato paese) oppure sulla somma dei valori associati a ogni proprietà.

5) Selezione della tecnologia produttiva

Si deve considerare: forma, geometria, spessori, raccordi, angoli di sformo, incastri, sottosquadra, costo stampi, numero di pezzi.

Tecnologie produttive

Lavorazione dei polimeri

Perché usare i polimeri?

• Per le loro proprietà (bassa densità, isolamento termico ed elettrico, buona deformabilità)
• Per la loro quantità (disponibilità di molti materiali di composizioni e proprietà diverse)
• Per la possibilità di ottenere forme complesse
• Per la ridotta necessità di lavorazioni o trattamenti superficiali di finitura
• Per la possibilità (in alcuni casi) di essere additivati
• Per il costo limitato nella produzione in serie

Stampaggio ad iniezione (injection molding)

Lo stampaggio ad iniezione copre all’incirca 1/4 della produzione (l’estrusione ne copre 1/2) e permette di ottenere forme complesse e con buona finitura superficiale.

Principio

Il principio prevede l’iniezione di materiale liquido sotto pressione in uno stampo del negativo dell’oggetto che si vuole riprodurre (lo stampo è fissato alla macchina mentre il semistampo è estraibile); i pellet del polimero scendendo dalla tramoggia nel cilindro di plastificazione, dove vengono riscaldati sino a raggiungere uno stato liquido-viscoso e vengono poi forzati, tramite una vite punzonante, nello stampo. Il flusso del materiale è veloce ed anche la velocità di raffreddamento.

I macchinari sono altamente sofisticati ed hanno un alto grado di automazione, il ché li rende adatti anche ad alti numeri di produzione in serie (n > 10 000). Esistono macchinari che vanno dalle 30 t alle 5000 t.

Il peso degli oggetti producibili attraverso lo stampaggio ad iniezione va da un range di 0,05 kg (5 g) a 85 kg.

La durata del ciclo di stampaggio è sui 1 - 2 minuti, dipende dalla forma e dagli spessori del manufatto.

Fasi del processo

• Chiusura dello stampo
• Iniezione
• Compressione e tenuta
• Plastificazione del materiale e riempimento
• Apertura stampo ed espulsione
• Screw advancement and mould filling, part cooling, screw retraction, mould opening and part extraction

Materiali

Termoplastici:

• A bassa temperatura: PE, PP, PS
• In condizioni medie: ABS, PC, PMMA, PA, CA, POM, PPO, PBT
• Difficili da stampare: PEEK, PI, PAI, PEI, PPS, PFA, FEP
• Non stampabili: PTFE, UHMWPE

Termoindurenti:

• PF, MF, UF, EP

Altri:

• Elastomeri termoplastici (EPDM, SBS, EVA, TPU)
• Elastomeri reticolati (NBR, SBR)
• Plastiche rinforzate a fibra corta
• Espansi

A seconda della categoria di materiale utilizzato nel processo alcuni elementi della macchina variano: per materiali termoplastici il cilindro di iniezione è riscaldato e lo stampo raffreddato; per i materiali termoindurenti il cilindro è riscaldato a temperatura inferiore e lo stampo è riscaldato a temperatura superiore. Anche il tempo ciclo è fortemente condizionato dal materiale che si utilizza.

Applicazioni

Lo stampaggio ad iniezione è utilizzato per ottenere forme complesse e con sottosquadra, pezzi con spessori costanti, oggetti che non hanno bisogno di finiture superficiali secondarie e per volumi di produzione elevati ( > 10 000 pezzi).

Stampi

Gli stampi per iniezione permettono la distribuzione del materiale iniettato nelle impronte, la compressione del materiale fuso, il raffreddamento del materiale fuso e l’espulsione dello stampato. Gli stampi possono essere realizzati in acciaio (bonifica, cementazione, inox) o in lega di alluminio. Per ovviare a sottosquadra interni o esterni si utilizzano degli stampi con carrelli mobili (o si lavora sulla linea di divisione dello stampo). Per aumentare la produttività possono essere previsti degli stampi a multi-impronta (sono necessarie lavorazioni successive).

La forza di chiusura dello stampo è uguale al prodotto della pressione per l’area proiettata. Es.:

• Pressione = 50 MPa
• Area proiettata = 100 cm² (compreso sistema iniezione)
• Forza di chiusura = (50 x 10⁶ Pa) x (100 x 10^-4 m²) = 500 000 N = 500 kN

Difetti

• Disuniformità locali della superficie (tracce degli attacchi di iniezione e degli espulsori)
• Ritiro (di stampaggio e post-ritiro) influenzato dalla forma e dallo spessore dello stampato, da canali e attacchi di iniezione (dimensionamento e posizionamento), dai parametri di processo (pressione, temperatura, tempo di iniezione)
• Difetti dovuti a velocità di raffreddamento non uniformi (la diversa velocità dipende dalla forma del pezzo, dagli spessori e dalla forma dello stampo)
• Rilassamento tensioni interne
• Linee di saldatura di flussi

Caratteristiche

• Spessore costante
• Irrigidimenti strutturali
• Angoli di spoglia e raccordi
• Linea di divisione

Design for moulding injection

Nonostante abbia una grande libertà di forma, lo stampaggio ad iniezione richiede alcune precauzioni progettuali.

• Gli spessori devono essere ridotti in modo da diminuire il tempo ciclo e l’utilizzo di materiale.
• Lo spessore deve essere più uniforme possibile in modo da evitare:
  • Restrizioni del flusso durante il riempimento dello stampo
  • Ritiro del materiale durante il raffreddamento

Qui si vede la distorsione provocata dal materiale che si ritira. Il pezzo pieno è ovviamente caratterizzato da un ritiro maggiore e quindi distorce l’elemento centrale. La soluzione è realizzare la parte in modo cavo.

È importante prevedere anche il flusso dell’iniezione dentro lo stampo. La posizione dell’attacco di iniezione infatti determina la disposizione delle catene polimeriche.

• Evitare gli angoli netti in modo da evitare:
  • Restrizioni del flusso durante il riempimento dello stampo
  • Accumulo di concentrazione di stress
• Prevedere gli angoli di spoglia per facilitare l’estrazione del pezzo dallo stampo. Tipicamente gli angoli di sformo sono 0,5 - 3° su ogni lato.
• Evitare i sottosquadra. Nonostante si possano prevedere dei carrelli mobili (parti mobili di stampo che si ritraggono prima dell’estrazione del pezzo) è sempre meglio evitarli in quanto lo stampo poi costa molto di più. In realtà poi i sottosquadra si possono anche fare, ma solo con materiali cristallini. Il pezzo comunque si deformerà leggermente, rischiando di rimanere deformato. Per i materiali rigidi la deformazione è limitata al 2% e le pareti dovrebbero deformarsi senza snervare. Per i materiali più “accondiscendenti” invece la deformazione può essere anche del 5-10% ma bisogna fare più attenzione a possibili deformazioni permanenti.

Sovrastampaggio (co-stampaggio)

Principio: Iniezione sequenziale di due o più masse fuse di materiali o colori differenti (si dice co-iniezione quando l’iniezione avviene contemporaneamente). Gli stampi utilizzati sono stampi ad impronte multiple movimentate rispetto ai punti di iniezione.

Nel caso di materiali co-iniettati (iniettati simultaneamente) essi devono essere compatibili, soprattutto per quanto riguarda la percentuale di ritiro. La tecnologia del co-stampaggio permette di produrre componenti bimateriale e/o bicolore di buona qualità estetica e prestazionale.

Tipici posizionamenti dei cilindri di plastificazione

• Verticali
• Orizzontali
• Parallele
• Ad angolo

Applicazioni

Tipologie di co-stampaggio: È un processo utilizzato per produzione in grandi serie di componenti plastici con caratteristiche differenziate, senza necessità di assemblaggio.

• Co-iniezione
• Bi-iniezione (multi-iniezione)
• Sposta in nuovo stampo
• Sposta il maschio

Assisted injection moulding

Assisted injection

Iniezione di espansi strutturali (structural foam)

Principio

Uno schiumogeno gassoso (azoto) o granulare è introdotto nel materiale plastico (termoplastici come: PE, HIPS, PP, PC, PPO, PBT) a monte (o a valle) della vite. La miscela è dosata in volume inferiore a quello dell’impronta, accumulata sotto pressione e iniettata nello stampo. Il gas sviluppato all’interno della massa fusa si espande nello stampo, comprimendo la plastica contro le pareti. Lo stampato ottenuto ha un cuore cellulare e una pelle esterna dura.

Caratteristiche

Gli stampati risultanti sono molto rigidi in rapporto al loro peso, isolano termicamente, acusticamente, sono resistenti agli urti, presentano minori difetti (minori risucchi e tensioni interne), la pressione all’interno dello stampo è bassa (< 4MPa) (il ché permette l’utilizzo di presse a bassa potenza quindi con stampi più economici e di conseguenza meno limitazioni sulle dimensioni degli stampati). Il tempo ciclo è tuttavia più lungo e sono più probabili dei difetti superficiali.

Applicazioni

Questo processo è utilizzato per componenti strutturali di ...