- Stampaggio ad iniezione di schiuma ad alta pressione
- Cellmould: il concetto della macchina
- Quali potenzialità offre lo stampaggio ad iniezione di schiuma ad alta pressione?
- Superfici lucide grazie alla tempra dinamica degli stampi
- Gli elastomeri sono adatti anche alla schiumatura
- Carta tecnica di Wittmann Battenfeld
Il design leggero è una tendenza che pervade sempre più tutti i settori dell’industria manifatturiera. In questo settore, le materie plastiche svolgono un ruolo fondamentale grazie alla loro relazione favorevole tra i dati sulle prestazioni e il basso peso specifico. Ma il loro potenziale leggero può essere ulteriormente aumentato dalla schiumatura, ad esempio mediante stampaggio a iniezione di schiuma. Uno dei pionieri in questo campo è il produttore austriaco di macchine per lo stampaggio a iniezione Wittmann Battenfeld. Il suo processo ad alta pressione Cellmould offre parametri di prestazioni comparativamente superiori insieme a una tecnologia di sistema meno complessa e di conseguenza più robusta rispetto ai concorrenti. È uno sviluppo interno al 100% e serve come base per una serie di nuove e innovative applicazioni, come soluzioni per il miglioramento della qualità della superficie inclusa l’elevata lucentezza, per la combinazione parziale di componenti compatti con schiumati in un’unica parte stampata e per la schiumatura di elastomeri termoplastici. Queste soluzioni sono state sviluppate in collaborazione con l’azienda tecnologica bavarese Schaumform (Fig. 1).
Fig.1: Le parti in schiuma strutturata con superfici lucide sono il risultato di un progetto di sviluppo congiunto delle aziende Wittmann Battenfeld, Kottingbrunn, Austria e Schaumform, Hutthurm, Germania
La tecnologia di stampaggio a iniezione di schiuma non è un processo nuovo. Le applicazioni in cui sostanze chimiche come azodicarbonamide o feniltetrazolo vengono miscelate nel granulato plastico e plastificate con esso, che rilasciano gas propellenti dopo l’iniezione nella cavità dello stampo, sono note e utilizzate nella produzione da circa 50 anni. Poiché la pressione di espansione di questi gas chimicamente rilasciati non supera i 15-40 bar, il loro uso è limitato a parti a pareti relativamente spesse con percorsi di flusso brevi.
Per estendere ulteriormente i confini applicativi per lo stampaggio a iniezione di schiuma, la formazione di schiuma mediante l’aggiunta di un gas inerte, solitamente azoto, è stata sviluppata circa 40 anni fa. Il vantaggio principale è che pressioni di espansione più elevate nella regione di 100 a 200 bar possono essere raggiunte con azoto. Ciò consente di sfruttare il potenziale di design leggero nello stampaggio a iniezione di schiuma per componenti a pareti sottili e componenti con percorsi di flusso lunghi. I vantaggi oltre alla riduzione del peso sono una riduzione della pressione di iniezione specifica necessaria per riempire le cavità e di conseguenza la forza di serraggio, e la compensazione degli effetti di ritiro e deformazione. Entrambi i processi sono utilizzati nella lavorazione della resina termoplastica, dalla PP alla tecnopolimeri come PC, PA o PBT. Gli sviluppi più recenti e promettenti mirano ad estendere i campi di applicazione anche agli elastomeri termoplastici.
Cellmould: il concetto della macchina
Il compito essenziale di una linea di stampaggio a iniezione di schiuma è quello di generare una soluzione di polimero-gas monofase dispersa nel modo più omogeneo possibile durante il processo di plastificazione. La tecnologia utilizzata da tutti i fornitori per questo scopo è molto simile. Tuttavia ci sono alcune differenze nei dettagli del design tecnico. Dipl.- Ing.(FH) Wolfgang Roth, responsabile della tecnologia applicativa di Wittmann Battenfeld, la mette così: “Gli oltre 40 anni di esperienza pratica con la tecnologia sviluppata dalla nostra azienda precedente Battenfeld, Meinerzhagen ci hanno fornito una solida base su cui costruire. Il nostro obiettivo era quello di ridurre la complessità del sistema e contemporaneamente espandere i campi di applicazione e quindi renderlo più affidabile. Pertanto abbiamo progettato la nostra unità di iniezione di schiuma Cellmould per avvicinarsi il più possibile all’unità di iniezione standard. Di conseguenza, la nostra macchina funziona con una vite standard 20 D, che è stata estesa nella parte anteriore aggiungendo una sezione di miscelazione 5 D.”
La caratteristica specifica di Battenfeld della tecnologia Cellmould è la separazione tra le sezioni di plastificazione e di iniezione di gas della vite, che è fornita da una barriera cilindrica fissa sulla vite. È l’alternativa all’utilizzo di una valvola di ritegno aggiuntiva a manicotto. Wolfgang Roth aggiunge: “Lo sforzo di adattare due valvole di ritegno alle condizioni operative in ogni caso per renderle fail-safe, cioè resistenti all’usura, ci ha spinto a cercare una soluzione più semplice, che alla fine abbiamo trovato nella barriera tra le sezioni di plastificazione e di iniezione di gas della vite. Questa soluzione è stata dimostrata nella produzione per tutte le dimensioni della macchina. In questo modo, il problema dell’usura potrebbe essere eliminato senza dover compromettere in misura significativa la densità del gas nella direzione della sezione di plastificazione della vite.”
Nella sezione di miscelazione dell’unità di plastificazione, l’azoto liquefatto (pressurizzato fino a 300 bar) viene aggiunto alla fusione di plastica da un iniettore durante una corsa di misurazione e successivamente si diffonde nella fusione. Nella sezione di miscelazione della vite, la distribuzione dell’azoto viene intensificata dividendo il flusso di fusione in molte correnti separate.” (Fico.2) Poiché la canna viene tenuta chiusa da una valvola di intercettazione dell’ago nella direzione dello stampo durante la plastificazione e l’iniezione di gas, la miscela di fusione e gas viene mantenuta sotto pressione all’interno dell’unità di plastificazione. Di conseguenza, una soluzione monofase polimero/gas viene raggiunta entro la fine del processo di miscelazione. Durante l’iniezione nella cavità, è sottoposto a diminuzione della pressione, che riduce la solubilità del gas nella fusione di plastica. Il gas finemente distribuito si nucleano nel fuso e quindi fornisce l’ingrediente per formare una struttura di schiuma con cellule altrettanto finemente distribuite.
L’immissione dei parametri e il controllo del processo vengono effettuati direttamente tramite il sistema di controllo della macchina geometria della barriera – ugello di intercettazione neeedle-valvola di ritegno iniettore manometro 1-dispositivo di misurazione iniettore 1
Fig.2: L’unità di plastificazione Cellmould: i suoi componenti principali sono un barile da 25 D con una vite di plastificazione a 3 zone 20 D e successiva iniezione di gas 5D e zona di miscelazione. Le due zone funzionali della vite sono separate da un anello di ritenzione cilindrico (barriera).
La formazione di questa struttura dipende dalle condizioni specifiche del processo di stampaggio ad iniezione. Questi includono la viscosità del fuso plastico, la velocità di iniezione (maggiore è la velocità, più fine è la schiuma) e infine il grado di schiumatura preimpostato (riduzione del materiale). Quest’ultimo viene impostato iniettando un sottodosaggio corrispondente in una cavità fissa o riempiendo completamente una cavità e successivamente aprendola con una corsa di alta precisione preimpostata. Per raggiungere l’alta velocità di iniezione che favorisce una distribuzione uniforme della schiuma, viene fornito un accumulatore di iniezione come parte del pacchetto di apparecchiature Cellmould (Fig. 3 bis+3 ter).
Fig.3a & 3b: I componenti della linea Cellmould sono disponibili in configurazione identica per l’intera gamma di macchine Wittmann Battenfeld, illustrata qui dall’esempio di una macchina da 110 T. Un iniettore di gas collegato a un modulo di controllo del flusso di gas compatto è posto sulla parte superiore della canna.
Oltre all’iniettore di gas e al modulo di controllo del flusso di gas, il pacchetto di apparecchiature Cellmould include anche un accumulatore di iniezione sulla macchina (al centro della foto) e un generatore di azoto centrale combinato con un’unità di compressione.
L’azoto viene prelevato da una batteria di cilindri a pressione o estratto dall’aria ambiente da un generatore di azoto. In entrambi i casi, il gas viene successivamente trasmesso all’iniettore di gas tramite un generatore di pressione come viene utilizzato anche nelle linee di iniezione di gas Airmould. Una parte del concetto della linea Battenfeld è che più macchine possono essere alimentate simultaneamente da un unico sistema di alimentazione del gas (Fig.4). Un regolatore di flusso di gas è posto tra il generatore di pressione e l’iniettore di gas sull’unità di plastificazione. Tramite il suo sistema di valvole controllabili, il flusso di gas è controllato e coordinato con il processo dal software Cellmould (Fig.5). Il pacchetto di attrezzature Cellmould è disponibile per l’intera gamma di macchine Wittmann Battenfeld.
Fig.4: La configurazione della linea Cellmould. Il concetto è destinato per avere una o parecchie unità di plastificazione fornite con gas da un generatore centrale dell’azoto compreso l’unità del compressore. Un regolatore di flusso di gas controllato dal software Cellmould e un iniettore di gas sono collegati a ciascuna unità di plastificazione per misurare l’azoto liquido nella canna.
Fig.5: L’elevata facilità d’uso e la trasparenza dei processi sono state le priorità principali nello sviluppo dei processi. Di conseguenza, tutti i parametri di processo possono essere impostati, monitorati e registrati tramite il sistema di controllo della macchina.
Quali potenzialità offre lo stampaggio ad iniezione di schiuma ad alta pressione?
All’interno della cavità dello stampo, la formazione di schiuma nel guscio esterno del fuso è in gran parte soppressa a causa del suo contatto con la parete della cavità raffreddata e il conseguente aumento della viscosità, mentre l’area del nucleo più caldo favorisce la formazione della struttura cellulare. In questo modo, “strutture sandwich” si formano nelle parti principali della parte stampata, costituito da strati di copertura con una densità elevata e parti centrali, la cui densità apparente è inferiore dal 5 al 20% (Fig. 6 bis + b).
Fig. 6a & 6b: Parti in plastica leggera con guscio esterno compatto e anima in schiuma strutturata, qui mostrato dall’esempio di un componente di alloggiamento in PP con spessore della parete di 3 mm.
L’eventuale riduzione della densità nella parte stampata mostra una correlazione diretta con il rapporto percorso flusso/spessore parete per tutti i tipi di materiali plastici comunemente disponibili. Nell’elaborazione del pp, per esempio, una riduzione di densità di 15 per cento può essere raggiunta ad un rapporto di 100 : 1, mentre a 150 : 1 una riduzione di densità di soltanto 10 per cento può essere preveduta.
Oltre alla riduzione del peso, lo stampaggio a iniezione di schiuma offre un ulteriore potenziale di miglioramento della qualità delle parti stampate, principalmente per quanto riguarda il restringimento e la deformazione, grazie all’effetto uniforme della pressione di espansione all’interno del nucleo di schiuma. Questo effetto è così forte che i segni di affondamento e la deformazione causati dal restringimento possono essere virtualmente eliminati al 100%, aumentando così la precisione dimensionale complessiva. I processori beneficeranno inoltre di numerosi vantaggi significativi della tecnologia di processo, come una riduzione della forza di serraggio richiesta fino al 50% a causa di una diminuzione della viscosità del fuso e di conseguenza della pressione di iniezione, nonché vantaggi commerciali per una riduzione del tempo ciclo, in particolare del tempo di raffreddamento, grazie alla minore massa del pezzo stampato che deve essere raffreddato.
Superfici lucide grazie al rinvenimento dinamico dello stampo
Nonostante l’intera gamma di variazioni dei parametri offerte dal processo di stampaggio a iniezione di schiuma, le parti leggere mostrano ancora striature caratteristiche o appannamento grigio sulla superficie come attributo comune. Questo effetto superficiale è dovuto alle bolle di gas che penetrano nella parte anteriore del flusso del fuso durante il processo di iniezione. Questa struttura si solidifica quando entra in contatto con la parete della cavità del dispositivo di raffreddamento e successivamente rimane invariata. Le superfici lucidate, come quelle necessarie per le parti visive dei componenti dell’alloggiamento, non possono essere ottenute con la tecnologia standard. Tuttavia, un miglioramento sostanziale della qualità della superficie può essere ottenuto combinando lo stampaggio a iniezione di schiuma con la tempra ciclica e dinamica degli stampi, come viene offerto, ad esempio, da Wittmann Battenfeld sotto forma di tecnologia BFMold e Variomould. Queste varianti utilizzano un sistema di raffreddamento integrato nello stampo per migliorare la superficie visibile della parte stampata, seguendo il contorno della parte e operando ciclicamente con regolatori di temperatura caldo/freddo. Questo sistema controlla la temperatura di aree di stampo limitate vicino alla cavità. Riscaldando la parete della cavità, ad esempio con acqua pressurizzata riscaldata fino a 180°C immediatamente prima dell’iniezione del fuso con contenuto di gas, il materiale non entra inizialmente in contatto con una parete della cavità fredda, in modo che possa formarsi una superficie chiusa prima che si solidifichi (Fig. 7). In questo modo è possibile ottenere un’eccellente qualità della superficie, pari a quella delle parti in plastica compatte. Il confronto tra parti con e senza raffreddamento dinamico, come illustrato in Fig. 8, mostra quanto fortemente l’effetto della tempera dinamica della muffa può influenzare la qualità della superficie.”
Fig.7: Stampo con sistema di raffreddamento variotermico dinamico per produrre un pannello di alloggiamento da una miscela PC / ABS con una superficie lucida.
Fig.8: Pannello decorativo realizzato in miscela PC / ABS, a sinistra realizzato con raffreddamento dinamico attivo, a destra senza attivare la tempra dinamica dello stampo.
Gli elastomeri sono adatti anche per la schiumatura
Lo stampaggio a iniezione di schiuma può essere esteso anche agli elastomeri termoplastici. Mentre le buone strutture della schiuma possono essere raggiunte da schiumatura chimica come pure fisica, per esempio, con il polipropilene e la poliammide, le nostre serie della prova hanno rivelato che la maggior parte dei tipi di TPE possono essere schiumati soltanto dallo stampaggio ad iniezione fisico della schiuma. E solo i TPE a base di poliestere termoplastico mostrano risultati accettabili in termini di struttura in schiuma, finezza delle cellule e uniformità. I test hanno dimostrato che più morbida è la formulazione TPE, più i problemi di superficie si manifestano nella schiumatura, specialmente se lo stampaggio a iniezione di schiuma è combinato con l’apertura dello stampo ad alta precisione. Soprattutto quando la cavità è disegnare lucido o anche lucido lucido, la superficie mostra spesso numerose ammaccature. Diverse spiegazioni sono state proposte per questo fenomeno. Uno è che l’aria è già racchiusa tra la parte stampata e la parete della cavità mentre la cavità viene riempita, che non può sfuggire. Un’ipotesi alternativa è che l’apertura ad alta precisione porti a una separazione della parte di schiuma dalla parete della cavità e che la parte di schiuma in espansione, quando viene nuovamente a contatto con la parete della cavità, racchiuda aria o gas di plastica in alcuni punti, causando quindi le ammaccature.”
Le serie di test hanno dimostrato che, a differenza dei materiali termoplastici tecnici rigidi e solidi, i problemi superficiali nella lavorazione del TPE possono essere significativamente ridotti utilizzando velocità di iniezione medio-basse. Effetti altrettanto positivi possono essere ottenuti strutturando la parete della cavità. Una superficie strutturata, sabbiata o granulosa consente a qualsiasi potenziale gas o bolle d’aria di fuoriuscire tramite micro canali nella superficie di contatto tra la parte stampata e la parete della cavità.
Per quanto riguarda le striature sulla superficie, si applicano generalmente gli stessi principi dello stampaggio a iniezione di schiuma con tecnopolimeri. Qui, la soluzione è anche quella di utilizzare il rinvenimento dinamico attorno ai contorni del lato visibile. Se l’apertura ad alta precisione viene applicata contemporaneamente, è possibile produrre a basso costo imbottiture di schiuma morbida di alta qualità, ad esempio per braccioli nella costruzione di veicoli o ammortizzatori per apparecchi portatili che devono essere protetti da eventuali danni. Questo sarà ulteriormente discusso in una relazione separata in uno dei prossimi numeri.
Con l’innovativa tecnologia di stampi e macchine per un’ampia applicazione
È già stato menzionato in relazione al miglioramento della superficie che l’innovativa tecnologia degli stampi svolge un ruolo vitale nello stampaggio a iniezione di schiuma. Un’altra area di tecnologia di stampi e macchine appositamente orientata allo stampaggio a iniezione di schiuma è il sistema di apertura parziale dello stampo tramite la macchina per lo stampaggio a iniezione, che consente la combinazione di componenti compatti con schiuma in un’unica parte stampata a iniezione. Ciò è necessario quando elementi funzionali in materiale piuttosto compatto, come ganci, molle o bulloni, devono essere combinati con componenti del pannello in materiale espanso. Per realizzare ciò, la parte della cavità da schiumare attorno alla corsa di schiumatura viene resa mobile. In una prima fase, l’intera cavità per la parte stampata viene riempita come avviene per una parte stampata compatta. Successivamente, solo la parte da schiumare viene aperta da una corsa di alta precisione. In questo modo, i componenti dell’alloggiamento con interfacce meccaniche complesse ai componenti partner possono anche essere realizzati in un design leggero.
I valori chiave meccanici possono essere previsti in modo affidabile
Le parti stampate ad iniezione schiumata ad alta pressione hanno una caratteristica struttura a sandwich con strati di copertura compatti e uno strato centrale schiumato. La linea di confine tra lo strato di copertura e il nucleo è relativamente brusca. Nei componenti a basso spessore, lo strato di nucleo ha una densità praticamente costante su tutta la larghezza del nucleo, mentre nel caso di grande spessore totale è presente un profilo di densità caratteristico. L’implementazione del processo ha un’influenza altrettanto scarsa sulla densità dello strato di copertura compatto quanto il tipo di iniezione di gas scelto. Di conseguenza, i parametri di progettazione più importanti sono la riduzione della densità progettata per la parte centrale e lo spessore della parete. Questi possono essere chiaramente definiti dai risultati delle misurazioni e servire come figure chiave per un modello di calcolo sviluppato dal Dr. Norbert Müller, il fondatore di Schaumform, come parte della sua tesi per prevedere gli attributi meccanici dei componenti.
Progettazione di processo basata su un calcolo del modello
Il punto di partenza per il calcolo del modello è una struttura a sandwich simmetrica, in cui, in termini leggermente semplificati, vengono assunti i valori specifici del materiale compatto per gli strati di copertura. Per il nucleo schiumato, si assumono valori chiave vicini alla realtà per il modulo E e la deformazione da frattura (deformazione di snervamento per materiali duttili). Il comportamento del nucleo espanso deriva dal comportamento dell’intero componente sandwich, che funziona bene se lo spessore degli strati di copertura è noto. Le prove in cui il nucleo espanso viene estratto da un componente e successivamente testato meccanicamente sono possibili, ma portano a risultati di misurazione fortemente sparsi, che di conseguenza hanno solo un significato molto limitato.
Teoria e pratica sono coerenti
Il metodo ottimale per testare la rigidità e la resistenza è utilizzando barre di prova standard prodotte da fogli di schiuma strutturata stampati ad iniezione. In alternativa, se questa opzione non è disponibile, è possibile utilizzare aste di prova standard con sezione trasversale 4 x 10 mm (ad esempio tiranti campus). Tuttavia, quando si analizzano i valori di misurazione, si deve tenere conto del fatto che non solo gli strati di copertura di 10 mm delle aste standard sono compatti, ma anche le superfici laterali profonde 4 mm. Di conseguenza, un tirante standard espanso è paragonabile a un piccolo tubo rettangolare (10 x 4 mm) con ca. spessore della parete da 0,4 a 1,0 mm e un nucleo espanso.
Come prevedibile, la valutazione delle prove di trazione mostra che all’aumentare della percentuale di schiuma, il modulo elastico di trazione e la resistenza alla trazione diminuiscono di conseguenza. Ciò è dovuto al fatto che solo la quantità di materiale ancora contenuta nel componente può sopportare sollecitazioni meccaniche o contribuire al carico. Quindi i prodotti stampati ad iniezione schiumati mostrano un tasso di espansione più elevato se esposti allo stesso carico e si rompono sotto un carico massimo inferiore. A questo si aggiungono gli effetti di intaglio causati dalle cellule di schiuma vicino allo strato di copertura. I risultati delle misurazioni mostrano regolarmente che la diminuzione della resistenza alla trazione è invariabilmente pari almeno alla riduzione del peso del pezzo. (Fico.9)
resistenza alla trazione (N / mm2) – resistenza agli urti charpy (kJ/m2) – deformazione della frattura ( % ) – PP compatto
Fig.9: Variazione della resistenza alla trazione, resistenza all’urto e la frattura ceppo di PP-SGS 40 a seconda della percentuale di formazione di schiuma (0, 5, 10, 15 per cento)
resistenza alla trazione (N/mm2) – resistenza all’urto charpy (kJ/m2) – frattura deformazione (%) – PP compatto
Sotto il carico di flessione, i valori assoluti di resistenza a flessione e resistenza a flessione sono anche ridotti. Tuttavia, poiché le strutture a sandwich sono molto più resistenti a questo tipo di carico, la perdita di resistenza qui è significativamente inferiore rispetto alla tensione di trazione. La resistenza alla flessione diminuisce di una percentuale inferiore rispetto al peso del pezzo. Nelle figure 10 e 11 è documentato che, ad esempio, con un grado di schiumatura del 15% la rigidità in rapporto al peso è aumentata del 4,8% rispetto alla parte compatta senza schiuma o, in altre parole, è possibile realizzare componenti rigidi con un peso inferiore.
designazione dell’asse-peso rel. rigidità-peso residuo
Fig.10: Il cambiamento nella resistenza alla flessione, l’attributo più importante per i componenti dell’alloggiamento. La resistenza alla flessione rispetto al peso dei campioni diminuisce solo leggermente con il 5% di schiumatura, mentre rimane uguale alla parte compatta con il 10% di schiumatura, e mostra anche un notevole aumento con una riduzione del 15% della densità.
resistenza alla flessione rispetto al peso misurato calcolato
Fig.11: Un confronto tra la resistenza alla flessione legata al peso secondo il calcolo del modello (Schaumform) e i risultati delle misurazioni su aste di piegatura stampate ad iniezione con sezione trasversale 10 x 7 mm mostra una congruenza da buona a eccellente.
Sommario
La tecnologia di stampaggio a iniezione di schiuma ha ricevuto una nuova spinta innovativa grazie alla crescente tendenza verso applicazioni leggere. Le innovazioni più recenti riguardano i metodi per migliorare la qualità della superficie in direzione dell’elevata lucentezza, nonché la combinazione di compatto con segmenti schiumati in un’unica parte stampata. I contributi più importanti sono stati apportati da ulteriori sviluppi nella tecnologia di processo e stampo, che vanno dalla tempra dinamica dello stampo all’apertura ad alta precisione di interi stampi o segmenti di cavità in una o più fasi. I collaudati calcoli del modello, che ora sono generalmente disponibili, offrono un ulteriore potenziale di assistenza nella progettazione e nel layout delle parti. Tutto sommato, il processo di stampaggio a iniezione di schiuma ha quindi raggiunto un grado di maturità altrettanto elevato rispetto alla lavorazione convenzionale mediante stampaggio a iniezione. Offre riduzioni di densità precise e ripetibili e strutture a sandwich per una gamma in costante crescita di materiali plastici, inclusi gli elastomeri termoplastici.