Ingranaggi ibridi in polimero

Il presente articolo studia la possibilità di utilizzare un inserto metallico in ingranaggi in polimero per migliorare il loro comportamento termico e ridurre la temperatura nella struttura.

Criticità legate al polimero

L’utilizzo di ingranaggi in polimero è un tema di grande interesse. I vantaggi rispetto al metallo sono in primis prezzo e possibilità di operare in assenza di lubrificazione, fattore determinanti in molti settori come stampanti, industria alimentare…

Gli ingranaggi in polimero sono più leggeri di quelli in acciaio, possono essere molto più efficienti e ridurre al contempo l’emissione acustica. Tuttavia, in accordo a quanto si trova in letteratura, la maggiore limitazione al loro utilizzo è rappresentata da problemi di tipo termico.

Una limitazione importante, comune a diversi materiali per ingranaggi polimerici (come poliacetilato e poliammide) è la loro bassa conduttività termica. Questa può essere migliorata utilizzando additivi come fibre, nanotubi di carbonio o grafene. L’impiego di suddetti additivi deve essere opportunamente bilanciato per assicurare che, oltre ad un miglioramento delle proprietà termiche, non vi sia un peggioramento delle prestazioni tribologiche (coefficiente di attrito e usura), che diminuirebbero in questo modo il beneficio principale, ovvero la loro capacità di auto-lubrificazione. Tuttavia, sebbene a costi maggiori, esistono soluzioni molto performanti come POM, poliammide o polieteretiletere (PEEK) che presentano una maggiore capacità termica.

La scarsa conduttività termica degli ingranaggi polimerici si traduce in scarsa capacità di dissipare il calore e, quindi, in un’elevata temperatura di contatto. Questo problema può essere risolto usando inserti metallici impregnati nella matrice polimerica che promuovano la dissipazione del calore andando a diminuire la temperatura operativa e aumentando la capacità di carico dei denti, ottimizzando la geometria del dente dell’ingranaggio per ridurre le perdite di potenza ed il calore generato nel contatto.

La produzione di ingranaggi ibridi polimerici è ancora molto esigua. Per produrre ingranaggi ibridi polimerici saranno necessari processi produttivi diversi (già utilizzati in altre applicazioni). Ad esempio, l'”overmoulding“, ovvero un processo di stampaggio ad iniezione di polimeri in cui un materiale viene stampato su un secondo materiale. Esistono due tecnologie comuni: (a) “stampaggio a inserto“, dove un inserto precedentemente iniettato o lavorato è sovrastampato da un materiale plastico; (b) “stampaggio multimateriale“, in cui diversi materiali polimerici possono essere iniettati nello stesso ciclo di produzione.

Può anche essere utilizzata un’altra procedura di fabbricazione, chiamata solitamente tecnologia “after molding” e che consiste nel fissare un componente metallico su una matrice polimerica mediante saldatura a ultrasuoni o altro processo analogo.

Le difficoltà tecniche associate alla produzione di componenti ibridi polimero-metallo, aventi proprietà fisiche e meccaniche molto diverse tra loro, rappresentano una sfida che richiede ricerca e sviluppo rigorosi. Tuttavia, il campo di applicazione degli ingranaggi polimerici è previsto si allargherà in modo significativo con gli ingranaggi ibridi in polimero.

Una soluzione FEM per lo studio del comportamento termico degli ingranaggi è già stata proposta in diversi studi. In un precedente lavoro gli autori hanno convalidato i risultati di un modello FEM per la previsione delle temperature bulk e flash, sia in assenza che in presenza di lubrificazione.

Il presente lavoro intende studiare l’influenza di un inserto metallico sul comportamento termico di un ingranaggio polimerico ibrido non lubrificato. L’obiettivo principale è quello di diminuire la temperatura massima perché le proprietà meccaniche (resistenza meccanica) del polimero sono fortemente influenzate dalla temperatura operativa. La geometria dell’inserto e il suo materiale sono stati anch’essi oggetto di studio. Verranno infine suggerite alcune possibili geometrie di ingranaggi polimerici ibridi.

 

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