Tecnologie dei Polimeri: tema esame, stampaggio ad iniezione, estrusione

STAMPAGGIO AD INIEZIONE

La pressa ad iniezione è composta da tre parti:

Gruppo di iniezione. Si tratta della pressa in senso stretto, la parte che porta a fusione il materiale, lo dosa

• e fornisce la pressione necessaria a spingerlo nello stampo. Come componente principale ha una vite (nel

cilindro di iniezione). Ad essa collegata c’è un motore che ne permette la rotazione (testata di iniezione)

ed un cilindro di iniezione che ne permette la traslazione (cilindro oleodinamico di iniezione). Si può

sfruttare sia la pressione idraulica sia il motore elettrico. La traslazione della vite è possibile grazie ad un

controllo di pressione e di velocità/posizione. La pressione idraulica è circa 1/10:1/15 di quella della

, pertanto la sezione del pistone deve essere 10:15 volte quella della

pressione necessaria per l’iniezione 1

vite. La plastificazione del materiale è come quella dell’estrusore: viene alimentato il materiale attraverso

la tramoggia, la vite ruota spingendo in avanti il polimero che per attrito arriva a fusione, fino a che il fuso

si accumula alla testa della vite. Quando l’accumulato è sufficiente per riempire lo stampo, la vite smette

di ruotare ma viene spinta dal cilindro di iniezione in modo da pressare il polimero ed iniettarlo nello

stampo. Quando quest’ultimo è pieno, mentre il pezzo si raffredda la vite torna indietro ruotando

nuovamente in modo da ricominciare il ciclo. Via via che il materiale si accumula alla testa della vite si

genera una pressione che continua a spingere la vite stessa. Questa pressione viene detta

contropressione. Si deve applicare una nuova pressione in modo da evitare l’eccessivo arretramento della

vite. Velocità di rotazione e contropressione eccessive possono causare degradazione.

Generalmente tra i 10 e i 20 MPa

1 La vite è come quella dell’estrusore ma più corta: è meno efficiente nel mescolamento e permette minore

azione meccanica sul materiale, garantendo dunque un minore effetto di degradazione. Il parametro

caratteristico dell’iniezione è lo shot size: quantità massima di materiale stampante = S sezione cilindro x

C corsa vite; il limite minimo di quantità stampabile è circa 1/20 del shot size max. Riassumendo, la vite

permette il riscaldamento, il trasporto e la pressurizzazione del polimero rispettivamente per azione

meccanica, rotazione e traslazione. La valvola di non ritorno impedisce il riflusso del fuso. Si

chiude durante l’iniezione e si riapre mentre la vite indietreggia, in modo da permettere l’accumulo di

materiale alla testa del cilindro.

Stampo. Si tratta di un blocco di metallo lavorato a fresa che contiene il sistema di raffreddamento (liquido

• <T ). È specifico per ogni oggetto: gli stampi possono essere a singola impronta o

refrigerante: T

stampo g

multicavità. Composto da una piastra fissa e da una mobile, è possibile anche inserire sezioni mobili,

rotanti, … a seconda del pezzo da ottenere. Sulla piastra fissa in genere si trova la parte femmina dello

che collega l’ugello all’impronta e permette

stampo. Qui è inoltre presente la bussola di alimentazione 2

l’affluire del materiale. La piastra mobile invece monta il maschio dello stampo. L’estrazione avviene

staccando il pezzo da questa parte attraverso delle spine. Esistono anche delle spine apposite per allineare

i semi stampi ad ogni nuovo ciclo. La progettazione dello stampo dev’essere tale per cui venga riempito

completamente e simultaneamente. Il distacco del pezzo dal maschio avviene grazie ad un estrattore i cui

punzoni spingono il prodotto. L’aria, la quale se presente durante l’iniezione provoca surriscaldamento e

difetti, esce dalle tolleranze degli stampi ma a volte sono necessari dei veri e propri canali.

È soggetta ad usura a causa delle forti variazioni termiche. Evita la fuoriuscita di materiale.

2 Gruppo di chiusura. È la parte che apre e chiude lo stampo, imponendo una pressione su di esso durante

• l’iniezione ed il raffreddamento in modo da evitarne l’apertura e la conseguente fuoriuscita di liquido

(apertura che sarebbe favorita per l’alta pressione esercitata da polimero).

F chiusura = P iniezione x Area frontale stampo (proiezione dell’area stampo sul piano normale alla

di chiusura caratterizza, insieme alla shot size max, la capacità operativa

direzione di chiusura). La F

max

della pressa.

Le colonne guidano la piastra mobile e sostengono il carico risultante della pressione nello stampo. Le

colonne si deformano in tensione. Il sistema di chiusura è idraulico (pistone) oppure a ginocchiera (a

3

ed è quello che muove la piastra mobile, garantisce la F chiusura ed il tensionamento

comando idraulico) 4

delle colonne. Il movimento del gruppo di chiusura è veloce solo nella prima fase di avvicinamento delle

piastre (F≈0), mentre nella seconda fase, ovvero il bloccaggio vero e proprio, è necessaria la sollecitazione

delle colonne (F elevata, da 20 a 4000 ton; v≈0).

Processo in generale davvero flessibile perché con la stessa pressa si possono fare diversi oggetti, a seconda

– iniezione –

dello stampo. Il ciclo è chiusura stampo – accostamento eventuale del gruppo di iniezione 5

– scostamento

mantenimento (in pressione – postpressione) – plastificazione e dosaggio, alimentazione 6

eventuale del gruppo di iniezione – apertura ed estrazione. , collega la testa della pressa con lo

Ugello: può essere libero oppure a valvola (per materiali poco viscosi) 7

stampo e per questo deve essere termoregolato visto che lo stampo è freddo mentre il materiale fuso nel

. È soggetto a forte usura oltre ad elevati ΔT. È costituito da un canale molto più piccolo

cilindro è ancora caldo 8

del cilindro per cui è il primo ostacolo al flusso del polimero.

Ram injection: processo antico in cui al posto della vite si trova un cilindro e prima dell’ugello un torpedo che

riduce la sezione di passaggio così da aumentare la fusione. Meno complesso e costoso ma si ottiene minore

omogeneità, minore flessibilità (shot size min ≈ 1/5 max), maggiore tempo/ciclo nonostante le più elevate

pressioni di iniezione.

Migliore regolazione: la forza di chiusura è indipendente dalla corsa di apertura dello stampo.

3 Maggiore velocità di movimento, minore costo.

4 È preferibile lavorare con la pressa sempre accostata (ad esempio con stampi a canali caldi) in modo da evitare usura

5

e sbalzi di temperatura sull’ugello.

Intanto che l’oggetto stampato solidifica, la vite torna indietro ruotando ed inizia il nuovo processo di fusione del

6

polimero alimentato in tramoggia e l’accumulo in testa alla vite in modo da preparare l’iniezione successiva.

Un ugello a valvola, per esempio quello a molla, si apre solamente a contatto con lo stampo, mentre quando si

7

allontana si chiude. Va bene per materiali a bassa viscosità in modo che non ci sia alcuna fuoriuscita di liquido prima

che si sia posizionato lo stampo.

Un ugello termoregolato, oltre a questo, impedisce le variazioni di viscosità.

8 Gate (punto di iniezione): se è piccolo si ha maggior

, minor tempo di raffreddamento, facile distacco del pezzo dalla materozza, maggior caduta di

dissipazione 9 , maggior orientamento .

pressione, maggior riscaldamento locale, maggiore ritiro 10 11

Durante il riempimento, il fronte di solidificazione deve avanzare regolarmente all’interno dello stampo

freddo: il contatto con lo stampo infatti forma una pelle solida sulla parete entro cui scorre il fuso. Il profilo di

velocità risulta parabolico, con una variazione della linea nei pressi delle pareti dove la viscosità è maggiore

proprio per la pelle solida. Dove la pendenza del profilo è più accentuata si ha maggior dissipazione di energia.

È necessario poter calcolare la massima lunghezza stampabile nel processo. Infatti percorsi troppo lunghi

necessitano che il polimero rimanga fuso per molto tempo, e dunque la temperatura di iniezione dovrà essere

alta. Il percorso di riempimento aumenta anche all’aumentare dello spessore dello stampo.

A parità di portata, nel momento in cui si stringe la sezione aumenta la velocità e quindi si avrà surriscaldamento

9

maggiore.

La contrazione del materiale inizia a chiusura del gate (perché non può entrare nuovo materiale) così le dimensioni

10

finali del getto sono minori di quelle della cavità. Il ritiro solitamente non è omogeneo. In ogni caso quanto migliore è

il rapporto dimensionale tanto minore è il ritiro.

Il raffreddamento per contatto con lo stampo porta all’anisotropia.

11

Durante il riempimento bisogna controllare la velocità di iniezione per evitare la formazione di difetti: essa non è

necessariamente costante ma può essere modulata a seconda del percorso. Il jetting si ha per velocità troppo alte

ed è un vero e proprio getto di materiale sulla parete dello stampo, che solidifica subito e viene poi ricoperto dal

materiale caldo, causando difetti estetici e qualitativi.

Mantenimento – post pressione: consente di iniettare nuovo materiale durante la prima fase di raffreddamento

dell’oggetto stampato per compensarne il ritiro. Si passa dal controllo di velocità tipico dell’iniezione al controllo

di pressione. La vite avanza lentamente e spinge il materiale nello stampo in modo da garantire totale riempimento

via via che il materiale iniettato sta già contraendosi a causa del raffreddamento. La pressione deve essere

necessaria e sufficiente a ripristinare il volume di ritiro. Questa fase termina alla solidificazione del punto di

– V a

iniezione. In assenza di pressione di mantenimento il ritiro volumetrico sarebbe di 20 ÷ 25 % (V fuso solido

temperatura ambiente) per i semi cristallini e 8 ÷ 10 % per gli amorfi.

1) Il materiale viene portato a fusione e alla temperatura di iniezione rimanendo a pressione atmosferica.

2) Si ha l’iniezione: la pressione aumenta, ma la temperatura rimane costante.

3) Inizia la fase di mantenimento: la temperatura si abbassa, entra nuovo materiale, la pressione è ancora

quella di iniezione, fino alla chiusura del gate. Il volume diminuisce via via che il pezzo solidifica.

4) Chiusura del gate (in prossimità della Tg di solito): il volume da ora è costante, mentre la pressione e la

temperatura diminuiscono.

5) Una volta giunti a pressione atmosferica la temperatura diminuisce ancora fino a quella di estrazione. La

differenza tra il volume che si ottiene alla fine di questa fase e quello alla chiusura del gate è il ritiro

(solitamente rapportato al volume finale così da ottenere il ritiro percentuale).