Sistemi Integrati di Produzione

Tecnologie e sistemi di produzione

Introduzione

Prodotto, processo, sistema

Fabbricazione

Grezzi/semilavorati componenti

Assemblaggio

Componenti gruppi componenti complesso

Finiture e collaudi

Prodotto finito

In un auto ci sono circa 10-15 mila componenti singoli (contando interni ed esterni). Calcolando solo i codici prodotto si va per i 5 mila. La produzione è suddivisa in aree/settori di fornitori (di primo o secondo livello). Tutto questo sistema è definito indotto.

Il processo industriale avviene tramite l’attività sorvegliata e controllata (dall’uomo) di:

• Macchina attrezzatura: Può lavorare diversi componenti (pressa)
• Può lavorare un solo componente (stampo)
• Il costo si calcola all’ora di attività, a cui si aggiungono le rate del finanziamento
• Ha un costo unico di realizzazione, più pezzi si realizzano più la spesa sarà ammortizzata

Perché la produzione artigianale costa più della produzione seriale?

Il tempo di produzione determina il costo. Le risorse utilizzate si pagano all’ora. Più tempo le uso più le pago. La macchina riduce i tempi di lavorazione. Il macchinario costa molto di più ma a confronto fa risparmiare se i volumi di produzione sono particolarmente grandi.

Industria

- Operatore generico: 30€/h - Operatore specializzato: 50€/h - Macchinari (pressa): 150€/h - Macchinari: 5€/h - Attrezzatura (stampo): 100.000€ - Nessuna attrezzatura specifica (+ finanziamento da saldare per il macchinario) - Tempo ciclo: 2 ore - Tempo ciclo: 30” = 0,0083 ore

Quantità: 10 pezzi ~10.000 €/pezzo

Quantità: 10 pezzi 110 €/pezzo

Manodopera: 30 €/h x 0,0083 h = 0,25 €

Manodopera: 50 €/h x 2 h = 100 €

Macchine: 150€/h x 0,0083 h = 1,25 €

Macchine: 5€/h x 2 h = 10 €

Attrezzi: 100.000 €/10 pezzi = 10.000

Attrezzi: 0 €

Quantità: 50.000 pezzi 3,50 €/pezzo (!!!)

Quantità: 50.000 pezzi 110 €/pezzo

Manodopera: 30 €/h x 0,0083 h = 0,25 €

Macchine: 150€/h x 0,0083 h = 1,25 €

Attrezzi: 100.000 €/50.000 pezzi = 2€

Si paga quasi esclusivamente l’attrezzatura e i macchinari (manodopera poco qualificata). Tempi di ciclo minimizzati tanto da avere quasi costo nullo. I prodotti sono di alta precisione ma tutti uguali e non modificabili in itinere.

L’assurdità

Per guadagnare di più bisogna investire capitali, a patto che si produca in massivi volumi. L’automazione (“integrazione”) favorisce la minimizzazione dei tempi (quindi costi), maggiore precisione e riduzione di infortuni sul posto di lavoro.

I polimeri

• Bassa densità (leggerezza)
• Lavorazione più rapida
• Bassa o nulla conducibilità elettrica e/o termica
• Buona deformabilità
• Gran varietà, in forte sviluppo

Stampaggio a iniezione (Injection Mold)

1. Funzionamento e macchinario

Il ciclo di stampaggio a iniezione inizia nel gruppo d’iniezione con l’inserimento di granuli di materiale plastico (pellet) in un cilindro di plastificazione grazie a una tramoggia (simile a un grande imbuto con serbatoio). Il cilindro è percorso da fasce riscaldanti che permettono di fondere i granuli. La vite punzonante, grazie a un motore centralizzato, compie un movimento rotatorio sul suo asse accompagnato da una traslazione all’indietro in modo da accumulare il materiale alla testa del cilindro e mescolarlo fino a ottenerne la consistenza necessaria, eliminando le bolle d’aria al suo interno. Nella testa del cilindro c’è un tappo o una valvola che favorisce questo processo. Questa fase è detta riempimento del cilindro.

Avviene poi l’iniezione del materiale ‘plastificato’ (fuso) nello stampo da parte del punzone (attuato da pistoni idraulici) con una forte pressione istantanea. La chiusura dello stampo avviene una frazione di secondo prima dell’iniezione.

La pressione del punzone è contrastata dal gruppo di chiusura durante tutta la fase di riempimento e tenuta (o compressione) dello stampo da una forza di chiusura [= pressione in entrata (≈ 70÷150 MPa) x area proiettata] esercitata dall’attuatore (macchina che chiude lo stampo). La pressione d’iniezione sarà minima all’inizio e alla fine del processo, massima durante. In questa fase avviene il raffreddamento dello stampato grazie a canali ad acqua presenti all’interno dello stampo.

Nel frattempo il punzone ricomincia a indietreggiare e viene versato nuovo materiale da fondere nel cilindro. In conclusione si apre lo stampo per indietreggiamento dell’attuatore. Lo stampato rimane aderente alla parte mobile dello stampo e viene staccato per avanzamento degli espulsori (aste d’espulsione) e fatto cadere.

2. Attrezzature

Lo stampo è un attrezzo molto complesso e costoso (ordine delle decine/centinaia di migliaia) poiché richiede lunghi tempi di realizzazione e grande precisione.

• Distribuisce il materiale iniettato alle impronte
• Permette la compressione del materiale fuso
• Raffredda il materiale
• Espelle lo stampato

Materiali: acciai lavorati a caldo (inox, martensitici + richiedono bonifica e cementazione), leghe di alluminio (sebbene sia poco resistente a usura).

Struttura: Una delle due parti (solitamente quella mobile) è il maschio, ossia quella che riempie l’impronta, l’altra è la femmina, quella che accoglie la forma. Lo stampato all’apertura dello stampo rimane sempre attaccato al maschio perché nel raffreddamento si restringe riducendo gli angoli di sformo e staccandosi dalla femmina.

Nel semi-stampo mobile si crea un vano tra due piastre e lardoni in cui la piastra degli espulsori trasla facendo staccare lo stampato dal maschio. Gli stampi con sottosquadri sono i più complessi e costosi perché prevedono la montatura di appositi carrelli per consentire l’ottenimento della forma desiderata e la sua estrazione. Alcuni stampi sono multi-impronta, ossia permettono lo stampaggio simultaneo di più elementi, accelerando così i tempi di ciclo. Solitamente questi elementi sono di dimensioni ridotte.

3. Tempi e volumi di produzione

È il processo maggiormente usato per i polimeri (1/4 del totale). Richiede grandi volumi di produzione infatti, superiori ai 10.000 pezzi, per via dell’elevato costo dello stampo (mediamente attorno i 100.000€). Il tempo di ciclo però è ridottissimo, dipende soprattutto dallo spessore e dall’area dello stampato che si vuole ottenere, oltre che dal materiale. La fase più lunga è quella di tenuta (durante la quale avviene il raffreddamento dello stampo e inizia il nuovo riempimento del cilindro), che si calcola: (1,5 ÷ 2 s) * (spessore massimo [mm])². Per i termoindurenti questa fase è più lunga, in quanto, invece che raffreddare, per indurire lo stampo viene riscaldato: 1 minuto per i termoindurenti contro i 3-10 secondi dei termoplastici. In questo caso il processo è anche più costoso per via del costo orario del macchinario, la cui pressa necessita di maggiore potenza (sono più viscosi).

4. Materiali

• Termoplastici (quasi tutti), in ordine di facilità di stampaggio:
  • A bassa temperatura: PE, PP, PS, … “comodity plastics”: molto economici, 1 €/kg, < 1 MPa di pressione
  • In condizioni medie: ABS, PC, PMMA, PA, CA, POM, PPO, PBT, … “Tecnoplastici”: 5 €/kg ma miglior qualità, 100-150 MPa
  • Difficili da stampare: PEEK, PI, PAI, PEI, PPS (industriale, brutta), PFA/FEP, ... 5-80 €/kg, in ordine di prezzo, dal maggiore al minore
  • Non stampabili: PTFE, UHMWPE, ...
• Termoindurenti (sono le prime plastiche, veniva usata la bachelite PF): Induriscono ad alte temperature. Il cilindro è riscaldato a basse temperature, lo stampo a elevate temperature e per più tempo.
  • PF, MF, UF, EP, … (+ resistenti)
• Altri:
  • Elastomeri termoplastici (EPDM, SBS, EVA, TPU)
  • Elastomeri reticolati (NBR, SBR)
  • Plastiche rinforzate a fibra corta
  • (Espansi)

5. Processi fisici

Andamento della pressione

La forza di chiusura è la forza esercitata dall’attuatore, contrasta la pressione del materiale sullo stampo

Forza di chiusura = pressione punzone × area proiettata

Esempio:

Pressione = 50 MPa Area proiettata = 100 cm²

Forza di chiusura = (50 × 10⁶ Pa) × (100 × 10^-4 m²) = 500.000 N = 500 kN

La Temperatura del cilindro e dell’attuatore per i termoplastici e per i termoindurenti varia come segue:

Ritiro del materiale (1-3 %): NON PREVEDIBILE

• Fattori di ritiro:
  • Materiale utilizzato
  • Tempi di cristallizzazione (raffreddamento)
  • Forma e spessore dello stampato
  • Canali e attacchi di iniezione (dimensionamento, posizione)
  • Parametri di processo (pressione, temperatura, tempo di iniezione)
• Maggiore cristallizzazione, maggiore ritiro. Questa può essere lasciata incompleta per ridurre il ritiro. Ma se si esagera, si rischiano deformazioni post-ritiro.

Prodotto

• Forma complessa con e senza (preferibile) sottosquadri
• Spessore uniforme e ridotto (1 mm min 6 max)
• Varietà di dimensioni (dalle sedie alle scocche a tappini)
• Presenza d’irrigidimenti strutturali come nervature per rinforzare la struttura.
• Angoli di spoglia e raccordi per preservare il prodotto sia dal rovinarsi in fase di espulsione sia dal rompersi a causa di spigoli vivi (provocano più facilmente la rottura rispetto agli angoli arrotondati)
• Linea di divisione, tra le parti di stampato create dal contatto tra i due semi-stampi, collocata su uno stesso piano, su piani paralleli o su di una linea curva (stampo più complesso).
• Presenza di canali di iniezione (materozza, distributori nel caso di multicomponenti, attacchi)
• Lo sfrido (materozza, distributori, attacchi) viene staccato dallo stampato e rigranulato per nuovo utilizzo

Accorgimenti sul disegno tecnico

• Spessore sempre il minore possibile (spessore ≤ (lunghezza di flusso)/ (100÷300)).
• Evitare i sottosquadri per ragioni di economicità
• Attenzione nel posizionare attacchi di iniezione e linee di saldatura/fusione, per evitare difetti estetici, come rilassamento delle tensioni interne, linee di saldatura e di fusione. Per questi ultimi è utile anche dimensionare diversamente i canali di alimentazione
• Valutare velocità di raffreddamento nelle diverse aree che potrebbero causare risucchi e distorsioni
• Aggiunta di irrigidimenti strutturali
• Valutare sempre angoli di spoglia per le pareti ed eliminare spigoli vivi.
• Espulsori all’interno nascosti, mai all’esterno.

Applicazioni

• Componenti di piccolissime dimensioni
• Contenitori e secchi
• Scocche da assemblaggio (grande precisione, minime tolleranze)
• Componenti di interni automobilistici
• Stampati con inserti metallici
• Applicazioni in settori vari (macchine da ufficio, apparecchi medicali, articoli sportivi)

Vantaggi/svantaggi

• Finitura superficiale e colorazione senza trattamenti secondari
• Tempi di ciclo minimi
• Grandi volumi (per via dell’alto costo degli stampi)
• Varietà di dimensioni realizzabili e spessori ridotti
• Diversi difetti di qualità riscontrabili:
  • Disuniformità locali (tracce degli attacchi di iniezione, degli espulsori ecc.)
  • Ritiri di stampaggio (durante il processo) e post-ritiri (dopo il processo, più dannosi)
  • Risucchi (dietro a sporgenze o nervature) e distorsioni, si ottengono quando lo spessore degli stampi non è uniforme e quindi alcune superfici si raffreddano prima di altre
  • Rilassamento di tensioni interne: la viscosità del materiale fuso provoca un allungamento delle catene polimeriche in direzione trasversale; un fenomeno che può creare ritiri disomogenei e proprietà fisiche inferiori al previsto. Maggiori ritiri trasversalmente e minori longitudinalmente; il massimo ritiro si otterrà in corrispondenza del punto più lontano da quello d’iniezione
  • Linee di saldatura (flussi contrapposti) e di fusione (convergenti), sono difetti generati per presenza di più punti di iniezione. Nel punto in cui i flussi convergono o si contrappongono il riempimento è disomogeneo (quindi anche il ritiro).

Varianti dello stampaggio a iniezione

Sovrastampaggio (Multi Part Molding)

Principio: iniezione sequenziale di due o più masse fuse di materiali o colori differenti (co-iniezione = iniezione contemporanea). Lo stampo di questo tipo di processo è costituito da impronte multiple, movimentate rispetto ai punti d‘iniezione. Le applicazioni principali sono per parti di oggetti in polimero oppure per adesione di uno strato polimerico ad un altro componente con bloccaggio meccanico dei due.

Iniezione di espansi strutturali (Structural Foam Molding)

Principio, simile a quello dello stampaggio a iniezione. Il macchinario introduce nell’accumulatore uno schiumogeno gassoso (azoto) o granulare nel materiale plastico a monte o a valle della vite punzonante. La miscela è dosata in volume minore rispetto a quello dell’impronta. Una volta accumulata e iniettata la miscela nello stampo, il gas sviluppato all’interno della massa fusa si espande, comprimendo la plastica contro le pareti. Materiali termoplastici (soprattutto PE, HIPS, PP, PC, PPO, PBT). Lo stampato ottenuto ha un cuore cellulare e una pelle esterna dura. Spessore minimo di 4-12 mm; densità 60-80%; parete dura di 0,5-1,5 mm.

Le applicazioni principali sono per componenti strutturali di grandi dimensioni e componenti con volumi di produzione ridotti.

I vantaggi:

• Molto rigidi e leggeri rispetto al peso, resistenti agli urti
• Alto tasso d’isolamento termico ed acustico
• Minor difetti (rilassamento tensioni interne, risucchi)
• Bassa pressione all’interno, < 4MPa: Costi notevolmente minori per stampi (in alluminio e in spessori ridotti) Impiego di presse di bassa potenza (minor forza di chiusura) Minori limitazioni sulle dimensioni degli stampati (anche molto grandi)

Gli svantaggi:

• Tempi ciclo più lunghi rispetto allo stampaggio a iniezione dei termoplastici
• Eventuale presenza di difetti superficiali (grinze a pelle di elefante) che possono richiedere stuccature e verniciature successive (dovute alle bolle generate dalla reazione chimica tra sostanze).

Co-iniezione di gas (Gas Assist Injection Molding)

Principio: macchinario inietta nello stampo contemporaneamente il materiale plastico fuso e un gas inerte (azoto) attraverso una valvola. Il gas sposta così progressivamente il materiale fluido verso le pareti dell’impronta, creando una cavità al suo interno. Una volta creata la cavità interna per tutta l’estensione dello stampo, il gas continua a fuoriuscire dalla valvola così da permettere il raffreddamento della parete esterna evitando un suo collasso (tenuta a raffreddamento). Prodotto: lo stampato finale ha una parete solida sottile 2-3 mm e un nucleo cavo.

Vantaggi, rispetto allo Structural Foam Molding, evita qualunque mescolamento tra sostanze gassose e fluide, prevenendo così delle imperfezioni superficiali. Inoltre, la presenza di gas, riduce il tempo di ciclo raffreddando loro stessi la parete esterna. Applicazioni principali sono per componenti tubolari, pannelli o coperchi con irrigidimenti cavi, e per oggetti con spessori differenti.

Iniezione reattiva (Reaction Injection Molding - RIM)

Principio: unione di due componenti liquidi, che riscaldati a circa 50 °C, mescolati e iniettati in uno stampo danno origine ad una reazione di polimerizzazione, a basse temperature e pressioni, con risultato un materiale reagente (solitamente termoindurente). Essendo questo un processo più lungo degli altri solitamente coesistono più stampi contemporaneamente allo scopo di ottimizzare i tempi e i costi di produzione.

Attrezzatura: gli stampi sono a guscio di alluminio, generalmente molto leggeri quindi, con una chiusura ermetica. Per produzioni limitate si usano talvolta stampi siliconici ed epossidici. Prodotto: Lo stampato ha uno spessore di parete di 4-8 mm con una densità del 40-60% e con una parete rigida di 1-2 mm. Materiali: Termoindurenti (PUR: EP, UP) e termoplastici (PA).

Vantaggi, rispetto allo Structural Foam Molding, sono di poter ottenere stampati con una miglior finitura superficiale, con maggior resistenza meccanica, chimica e termica (reagenti migliori), di più varietà di formulazioni (rigidi, flessibili, imbottiti), con la possibilità di fornire una colorazione senza verniciatura posteriore o un rinforzo con fibre (Reinforced RIM – PRIM) anche di vetro (Structural RIM – SRIM). La bassa viscosità dei reagenti permette di impiegare pressioni minori (< 0,4 MPa) e quindi anche gli stampi sono economici, soprattutto quelli siliconici. Applicazioni principali sono per componenti di grandi dimensioni dalla forma complessa; infatti, non conviene più dello stampaggio a iniezione usare questo processo per piccole componenti. Cruscotti, sedili, imbottiture, volanti, braccioli, …

Possibile domanda facoltativa

Come viene prodotta una sedia imbottita a struttura metallica?

• Lavorazione a freddo di tubolare metallico (estruso)
• Iniezione reattiva dai piedi della sedia per creare l’imbottito

Stampaggio a compressione e trasferimento

1. Funzionamento e macchinario

Consiste nella compressione...