Pulizia a ultrasuoni di stampi per pneumatici

All’interno del complesso processo che porta alla produzione dei moderni pneumatici, il trattamento di pulizia ad ultrasuoni forse rappresenta la migliore scelta tecnologica nella pulizia degli stampi. È infatti in grado di rimuovere in profondità i residui gommosi preservando qualità e funzionalità delle superfici persino a fronte di innumerevoli trattamenti. Ma, allo stesso tempo, rappresenta una tecnica non semplice, che combina onde ultrasoniche, alta temperatura ed una successione di attacchi acidi e basici

di Cristiano Fragassa, Martin Ippoliti

Importanza e problemi

Uno stampo per pneumatici è un oggetto complesso e costoso, composto da varie sezioni, assemblate tra loro. A partire dallo stampo, lo pneumatico è realizzato attraverso un processo che prevede di portare una miscela di monomeri in condizioni di alta temperatura e pressione. Il calore facilita la reazione di polimerizzazione che reticola i monomeri di gomma creando lunghe molecole elastiche. Questa trasformazione modifica l’elasticità del materiale permettendo allo pneumatico, soggetto a pressione, di dilatarsi fino a comprimersi contro lo stampo, assumerne la sagoma, per poi tornare alla sua dimensione originale.

Dato il gran numero di polimeri impiegati nelle mescole moderne, fino a 100, l’incrostazione che si deposita sullo stampo è formato da una combinazione complesso di materiali organici e inorganici. Ogni utilizzo dello stampo determina un deposito minimo ma continuo e progressivo di questi residui. Lo stampo arriverà così a contenere perfino 3.000 strati diversi, ciascuno dei quali composto da molecole organiche e inorganiche che devono essere in un qualche modo rimossi. Ma, considerandone il costo non indifferente dello stampo, qualsiasi tecnica di pulizia adottata deve essere anche tale da non risultare troppo aggressiva rispetto alla sua integrità.

In generale, una pulizia ottimale dello stampo deve permettere di:

  • mantenere una corretta finitura superficiale a garanzia di una adeguata adesione pneumatico-ruota;
  • assicurare l’accoppiamento ottimale per le zone soggette ad alte pressioni negli pneumatici tubeless;
  • mantenere puliti gli sfiati e valvole per permettere le corrette fasi di processo;
  • mantenere pulite le superfici delle diverse sezioni dello stampo poste a contatto tra loro, in modo da garantire la continuità delle superfici dello pneumatico e del disegno del battistrada;
  • ridurre il carico sugli attacchi meccanici dei segmenti e degli altri componenti;
  • evitare la formazione di irregolarità sule superfici durante la fase di asciugatura dello pneumatico;
  • migliorare la durata e l’affidabilità dello stampo.
  • rendere il codice pneumatico chiaro e leggibile come richiesto dalla legge o dagli altri vari usi;
  • mantenere ben leggibili anche il logo e il nome del produttore dello pneumatico.

Tecnologie di pulizia

Esistono diverse tecniche per la pulizia degli stampi per pneumatici.

Una tecnologia piuttosto conosciuta, ma ormai obsoleta è quella del lavaggio alcalino. Si utilizza un prodotto di lavaggio a base alcalina, che, in quanto tale si rivela inefficace contro lo sporco inorganico. Questo limite viene di solito superato aggiungendo una fase di pulizia meccanica. Tra le varie tecniche, è stata spesso preferita la sabbiatura in quanto più economica e semplice. Tuttavia, anche in presenza di particelle solo leggermente abrasive, la sabbiatura erode con facilità lo stampo. Di conseguenza, dopo un numero di cicli di pulizia anche piuttosto ridotto, lo stampo risulta essere ormai troppo danneggiato e va sostituito. Un altro aspetto critico rispetto all’utilizzo del processo di lavaggio e sabbiatura nel caso degli stampi è legato al fatto che questo doppio trattamento non può essere facilmente automatizzato causando quindi ritardi e costi.

Intorno a metà degli anni ’80, una interessante tecnologia di pulizia è stata proposta proprio per la pulizia degli stampi: la ‘sabbiatura’ con ghiaccio secco. Il ghiaccio secco, disponibile in forma di pellet o di scaglie, ad una temperatura di -78.5 °C, è sparato contro lo stampo che si trova invece ad una temperatura di 180-200 °C. Lo shock termico fa esplodere le particelle di ghiaccio creando così una miriade di piccole onde d’urto. Queste onde, incidendo ripetutamente, sono in grado di frantumare le incrostazioni più resistenti, ma sono anche in grado di arrivare molto in profondità tra le fessure e le asperità dello stampo. La tecnica del ghiaccio secco risulta essere così molto efficace, specialmente in presenza di stampi piuttosto caldi e dalle strutture complesse, gestendo persino intagli dell’ordine dei 0,7 mm. D’altra parte, la pulizia con ghiaccio secco è caratterizzata da una rumorosità non indifferente, legata proprio alla somma delle tante microesplosioni. Questo ne rende complesso l’utilizzo manuale senza contare la necessità di creare ambienti opportunamente protetti.

A fronte di tale complessità, diventa persino vantaggioso un approccio basato sulla pulizia laser che si è quindi andato abbastanza diffondendo come trattamento in questi ultimi anni. Con una potenza tipica che dell’ordine dei 10 MW il laser pulisce attraverso la sublimazione dei residui plastici ottenuta grazie ad una forte concentrazione dell’energia, tale da aumentare localmente la temperatura. Proprio questa estrema concentrazione, accoppiata però a tempi di trattamento che si misurano in millisecondi, limita l’effetto di erosione sulle superfici e garantisce di poter ripetere il processo senza significativi danni per lo stampo. Inoltre, grazie al fatto che questa tecnologia è ormai piuttosto consolidata, tale trattamento riesce ad essere anche ragionevolmente conveniente in termini di velocità, produttività e costi.

Infine, dato che né la pulizia con ghiaccio secco, né quella con laser generano quel flusso di rifiuti secondari tipici di processi come la sabbiatura, entrambi i procedimenti possono essere anche immaginati inglobati nel processo produttivo, come talvolta accade. Ad esempio, un robot a 5 assi può essere utilizzato per posizionare il ghiaccio secco oppure il laser in prossimità della zona da trattare e seguire il profilo dello stampo durante il trattamento. Volendo confrontate le due tecnologie, si può semplificare dicendo che il singolo intervento di pulizia laser costa molto meno del ghiaccio secco, ma gli investimenti necessari per il laser sono maggiori. Tuttavia, entrambe le tecniche hanno un ostacolo non indifferente da superare nel caso del trattamento degli pneumatici.

Spring-vents e pulizia ad ultrasuoni

A partire dal 2010, si è andato sempre più affermando un nuovo tipo di stampo per pneumatici dove le tradizionali aperture di sfiato sono state sostituiti da apposite molle, dette spring-vents. Si tratta di piccole valvole che risultano chiuse durante la fase di stampaggio, quando lo pneumatico è in contatto con la superficie dello stampo, mentre tornano ad aprirsi nella fase di rilascio e raffreddamento. La presenza di spring-vents impedisce la formazione dei tipici “peli” visibili sulla superficie dello pneumatico, legati al fatto che, in assenza di ostacoli (come le spring-vents) il polimero invade gli sfiati e lì si solidifica in fili. Tali fili, benché facciano poco danno in termini funzionali, sono ormai considerati difetti (es. estetici) di prodotto che devono essere eliminati. Questo avviene utilizzando macchine specifiche e, talvolta, una finitura manuale mediante personale specializzato in grado di utilizzare appositi strumenti. Tutto questo comporta tempi e costi aggiuntivi.

Di conseguenza, i vantaggi offerti dall’impiego delle spring-vents appaiono evidenti, ma questa modifica produttiva ha reso praticamente obsolete tutte le tecnologie di pulizia sopra descritte. Il ghiaccio può arrivare a frantumare i vari strati di sporco; il laser potrebbe carbonizzarlo, ma in entrambi i casi resterebbe per buona parte confinato all’interno degli sfiati. Senza poter essere rimosso, aumenta il rischio di blocco delle molle e di malfunzionamento dello stampo.

Questo problema sembra superato nel caso di lavaggio ad ultrasuoni. Gli ultrasuoni sono onde sonore con frequenza superiore alla soglia di udibilità per l’orecchio umano, convenzionalmente fissata a 20 kHz.

Cavitazione e altre storie

Nello specifico, il processo di lavaggio ad ultrasuoni risulta particolarmente efficace ed efficiente grazie alla capacità delle onde ultrasoniche di causare la cavitazione nei fluidi. La cavitazione è la formazione, crescita e collasso di bolle della dimensione dei micron. La presenza di onde ultrasoniche, a cui sono associate proprie frequenze ed energie, porta il fluido a vibrare a fronte di un movimento di particelle che lo comprime ed espande alternativamente. Durante la fase di compressione, la pressione positiva avvicina le molecole del liquido, mentre nella fase di espansione la pressione negativa le fa allontanare. Quando la forza di trazione supera la resistenza a coesione delle molecole che costituiscono il liquido, tra loro compaiono cavità contenenti vapore chiamate ‘bolle di cavitazione’. Anche se questo fenomeno è difficile da creare in liquidi puri, la presenza di impurità rende molto facile la formazione di bolle nei liquidi reali.

Al collasso delle bolle è associato un rilascio concentrato ed improvviso di una quantità significativa di energia: a livello locale la temperatura può superare i 5000 °C e la pressione i 700 N/cm2. E’ un po’ lo stesso fenomeno che porta alla rottura delle eliche e delle giranti delle pompe quando spinte a lavorare a velocità eccessive.

Molti anni fa si è pensato di utilizzare questo onde d’urto per rompere le incrostazioni residue e pulire le superfici. Da allora ha preso avvio la pulizia a ultrasuoni che è utilizzata a livello industriale già dagli anni ’50 anche se è diventata economicamente redditizia solo a partire dagli anni ’70. Al giorno d’oggi è largamente impiegata nel lavaggio di minuteria metallica, di gioielli, lenti, parti ottiche, orologi, monete, dove, di solito è usata per lavare via le paste lucidanti, composte da una miscela di componenti organici e inorganici. Interessanti applicazioni sono anche indirizzate alla pulizia di strumenti dentali, chirurgici, di laboratorio, armi, componenti elettronici e circuiti stampati. Meno comune è il suo utilizzo nella pulizia degli stampi dove non sono tantissimi gli impianti a ultrasuoni attualmente utilizzati.

Gli ultrasuoni per applicazioni industriali vanno in genere da 20 a 100 kHz. Nel caso degli stampi si è soliti impiegare frequenze comprese tra 20 e 40 kHz, questo con lo scopo soprattutto di ridurre il rischio di erosione precoce delle superfici. Nella pratica, appositi trasduttori a ultrasuoni convertono il segnale elettrico trasformandole in onde ultrasoniche.  Quando la frequenza è bassa, le bolle sono poche, ma grandi e potenti; quando la frequenza aumenta le bolle si intensificano in numero, ma risultano più piccole e meno potenti. Il giusto compromesso è uno degli aspetti da considerare per una pulizia ottimale. Specifici additivi chimici facilitano poi la creazione di queste bolle aumentando la pressione di vapore e, allo stesso tempo, diminuendo la viscosità e la tensione superficiale del liquido. Le ridotte dimensioni delle bolle ed i brevi tempi di trattamento garantiscono una adeguata pulizia delle superfici senza un significativo degrado nello stampo. Diversi studi in tal senso hanno dimostrato che, nel caso dell’acciaio austenitico, le elevate sollecitazioni procurate dagli ultrasuoni portano alla trasformazione dello strato superficiale di γ-austenite in ε -martensite. Inoltre, le stesse indagini evidenziano come, se si è in presenza di una buona superficiale di partenza, i primi segni di erosione non risultano evidenti prima delle 30 ore, ben al di sopra dei pochi minuti necessari alla pulizia.

Trattamento ad ultrasuoni

La pulizia ad ultrasuoni degli stampi (anche denominati UMCS da Ultrasonic Mould Cleaning Systems) è pensata per combinare diversi principi fisico-chimici quali:

  • cavitazione ultrasonica
  • utilizzo di prodotti alcalini e acidi
  • processo ad alta temperatura
  • movimentazione dei fluidi

In questo modo, per il sistema UMCS risulta possibile tanto pulire lo sporco organico ed inorganico quanto intervenire efficacemente sulle spring-vents.

In pratica un UMCS per il trattamento degli stampi per pneumatici da automobile è un impianto di lavaggio dal costo di 320-450.000 euro a seconda delle dimensioni e produttività, composto da una successione di 6 o 8 vasche di lavaggio attraversate dallo stampo grazie a sistemi di movimentazione ed immersione.

Nell’impianto a sei vasche, per esempio, sono di solito affiancate due vasche contenenti liquido alcalino, una vasca per il risciacquo, una vasca con acido, una per la passivazione e, infine una di asciugatura. Non necessariamente lo stesso stampo viene immerso in tutte le vasche, mentre alcune vasche possono essere utilizzate anche più volte.

In questo genere di impianti lo stampo è trattato separandone prima le sue varie sezioni, di solito 4. Queste parti sono montate su una apposita struttura di supporto agganciata poi ad un carroponte e movimentata attraverso controllo automatico. Questo sistema di movimentazione si occupa in modo autonomo di spostare, immergere, lasciare in immersione ed infine estrarre lo stampo tra le varie vasche nel rispetto del programma di lavoro. Impianto e sistema di controllo sono pensati per arrivare a gestire la lavorazione contemporanea di più stampi, indirizzati ciascuno alla più opportuna vasca di trattamento.  Di solito, lo stampo è prima immerso nella vasca alcalina, quindi nella vasca risciacquo, poi nella vasca acida e infine di nuovo nella vasca di risciacquo. I cicli di attacco alcalino e acido sono ripetuti diverse volte, prima di muovere lo stampo nella vasca di passivazione e, infine, in quella di essiccazione. Questa ultima vasca contiene una soluzione oleosa dove l’elevata tensione superficiale tra olio e acqua agisce separando l’acqua dallo stampo. L’acqua estratta si accumula sul fondo della vasca, per via della diversa densità, e da lì viene aspirata ed indirizzata verso il vaporizzatore. Per quanto riguarda lo stampo, invece, se ritenuto necessario, un operatore con una pistola ad aria compressa terminerà di rimuove l’eventuale liquido ancora in eccesso. A questo punto lo stampo può essere inserito nella pressa per ricominciare il suo lavoro oppure essere trasportato in magazzino. In questo caso, si è riscontrato che la qualità superficiale offerta dal trattamento resta comunque garantita per oltre due anni.

Impianti di pulizia ad ultrasuoni

Entrando nel dettaglio degli impianti UMCS, diversi aspetti sono degni di nota:

  • Solo le vasche alcalina, acida e di risciacquo montano ultrasuoni: nella vasca di passivazione, infatti, gli ultrasuoni sono sostanzialmente inutili mentre in quella di essiccazione, la presenza di olio non renderebbe comunque possibile la cavitazione.
  • La vasca di risciacquo è di solito una sola grazie all’accorgimento di alternare nel trattamento stampi provenienti da vasche acide e alcaline: questo consente infatti di mantenere un pH di vasca piuttosto costante salvaguardando la qualità del bagno di risciacquo.
  • Le vasche alcaline sono invece duplicate perché si è visto che in esse lo sporco tende ad accumularsi in modo più rapido che negli altri punti dell’impianto: questo accorgimento consente di migliorare la disponibilità complessiva di impianto.
  • La soluzione alcalina contiene un inibitore di corrosione al fine di impedire all’alluminio della struttura di trasformarsi in alluminato di sodio danneggiando l’impianto stesso.
  • In impianti ad otto serbatoi, pensati per una maggiore produttività, si arriva a tre vasche alcalini e due acide.
  • Il numero di volte per cui ripetere il ciclo base di lavaggio (alcalino – risciacquo – acido – risciacquo), tipicamente dell’ordine delle 6-8 volte, è scelto in base a diverse considerazioni di cui forse le più importanti sono legate alla complessità geometrica dello stampo e alla resistenza dei polimeri presenti come incrostazione rispetto agli attacchi chimici. Il ciclo di pulizia è comunque inferiore alle due ore.

Sostenibilità del processo

Per ridurre l’impatto ambientale, l’impianto è dotato di un prima sistema di filtraggio meccanico dei liquidi al quale è accoppiato un evaporatore. Questo dispositivo, collegato ad un serbatoio di stoccaggio da 5.000 litri, consiste in un grande cilindro che crea un vuoto di -950 mbar. Grazie a questa pressione negativa, la soluzione liquida di acqua sporca è evaporata già a partire da una temperatura di 32-33 °C per essere poi indirizzata verso piastre di raffreddamento. Su queste piastre il vapore è condensato creando acqua distillata che viene rimessa in circolo. Dopo qualche ora di funzionamento, l’impianto è praticamente autosufficiente in termini di apporto di acqua mentre le emissioni restano limitate ai residui gommosi presenti sul fondo del vaporizzatore. Queste sostanze sono mandate verso un asciugatore dove, raggiunta una certa quantità, sono drenate fuori dall’impianto. In pratica, lo scarto dell’intero processo si riduce ad una quantità minima di rifiuto solido, riducendo al minimo l’impatto ambientale del trattamento.

 

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