La sostenibilità nel campo dello stampaggio a iniezione

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La sostenibilità nel settore dello stampaggio per iniezione plastica non si limita alla scelta dei materiali, ma coinvolge anche gli stampi e il processo di produzione stesso.

Sebbene possa sembrare un processo di produzione poco conosciuto, lo stampaggio a iniezione (injection molding) gioca un ruolo cruciale nella nostra vita quotidiana. Questa tecnica di fabbricazione permette di realizzare una vasta gamma di prodotti in plastica, dai giocattoli ai componenti automobilistici, contribuendo in modo significativo all’industria moderna.

Lo stampaggio a iniezione è un processo di produzione industriale che consiste nella fusione di plastica e nella sua iniezione in uno stampo per creare un oggetto tridimensionale.

Nel processo di stampaggio a iniezione, il primo passaggio è la scelta del materiale grezzo, che viene fornito sotto forma di granuli o di polvere, e la scelta del tipo di plastica, che dipende dalle caratteristiche desiderate per il prodotto finale. I materiali plastici sono molto versatili, e ciò significa che è possibile ottenere una vasta gamma di proprietà, da una flessibilità e trasparenza simili al vetro a una resistenza e durabilità simili all’acciaio. Ciò significa che è possibile selezionare il materiale più adatto alle specifiche esigenze dell’applicazione, garantendo resistenza, flessibilità, rigidità o altre proprietà desiderate. Questo materiale viene fuso tramite un riscaldatore e quindi iniettato, con una pressione controllata, nello stampo, che presenta la geometria tridimensionale desiderata (Figura 1).

Lo stampo è diviso in due parti, che si chiudono ermeticamente per contenere il materiale plastico fuso. Dopo l’iniezione del materiale plastico fuso, la parte stampata viene raffreddata all’interno dello stampo stesso finché essa non assumerà la forma dello stampo e la durata di raffreddamento può variare notevolmente a seconda delle dimensioni e del tipo di plastica utilizzata.

Dopo il raffreddamento, lo stampo si apre e il pezzo di plastica solidificato viene estratto. A questo punto, il pezzo potrebbe richiedere ulteriori lavorazioni come taglio, rifinitura o assemblaggio, a seconda delle specifiche del prodotto.

Data la numerosità delle sottofasi di un tipico processo di stampaggio ad iniezione, è evidente che, per la realizzazione di un buon componente, è assolutamente necessario un’accurata applicazione in modo controllato dei parametri di processo.

Figura 1 – Schema componenti sistema di stampaggio ad iniezione [1].

I parametri

I parametri essenziali nel processo di stampaggio a iniezione sono:

  • la temperatura di fusione per consentire ai materiali di fluire in modo il più uniforme e costante possibile nello stampo durante la fase di iniezione. La fusione del materiale avviene all’interno del cilindro, posizionato al fondo della tramoggia, mediante riscaldatori elettrici. Al fine di mantenere questo parametro il più controllato possibile, i sistemi più moderni sono dotati di diverse termocoppie, impiegate per controllare e mantenere costante la temperatura di fusione raggiunta all’interno del cilindro;
  • la temperatura dello stampo, che deve essere mantenuta ad un valore inferiore rispetto alla temperatura del cilindro per permettere il raffreddamento della plastica. È essenziale mantenere una temperatura appropriata e distribuirla uniformemente all’interno dello stampo per evitare difetti come il ritiro o la deformazione del componente stampato. Inoltre, la temperatura dello stampo deve essere controllata per regolare la velocità di raffreddamento del materiale plastico;
  • il tempo di mantenimento, che è definito come il tempo impiegato dalle macchine per riempire l’interno dello stampo con il materiale fuso attraverso la pressione di iniezione. Viene generalmente, controllato da un timer e la sua definizione si basa su variabili quali la forma e le dimensioni delle parti stampate, il numero di cavità da riempire, il materiale da lavorare e la pressione di iniezione;
  • la pressione di iniezione per riempire lo stampo è un fattore cruciale ed è strettamente legata al materiale da iniettare, allo stato del materiale fuso (più o meno viscoso), al numero di cavità da riempire in uno stampo, etc;
  • la pressione di tenuta dello stampo, che viene applicata per mantenerlo chiuso fino a quando il materiale fuso finisce di fluire. Questa pressione viene mantenuta ad un valore pari a circa la metà della pressione di iniezione. Normalmente, dipende principalmente dalle specifiche geometriche dello stampo, come le dimensioni del punto di ingresso, la lunghezza del canale di alimentazione, il canale di colata, ecc. L’obiettivo della pressione di tenuta è garantire che il materiale riempia interamente le cavità e che i punti di ingresso si solidifichino per evitare eventuali reazioni di ritiro del materiale;
  • il tempo di raffreddamento, che rappresenta il tempo impiegato per solidificare le forme all’interno dello stampo. Questo tempo aggiuntivo consente alle forme di diventare sufficientemente rigide da resistere al processo di estrazione. Il tempo di raffreddamento dipende principalmente dal materiale da stampare, dal design e dalle specifiche delle forme, anche se, di solito, viene mantenuto nell’intervallo dal 40 al 60% del tempo totale del ciclo;
  • la velocità di iniezione. Nell’operazione di stampaggio a iniezione, è la velocità alla quale il materiale fuso viene iniettato dalla bocchetta di iniezione nella cavità dello stampo. Il materiale passa prima attraverso il punto di ingresso, poi attraverso il canale di alimentazione e, infine, attraverso il punto di ingresso nella cavità dello stampo richiesta. Anche la velocità di iniezione è un aspetto importante per evitare eventuali produzioni difettose. Generalmente, la velocità di iniezione viene mantenuta moderata perché dipende dalle caratteristiche del materiale e dai parametri della macchina per lo stampaggio. Una velocità di iniezione troppo elevata aumenta la probabilità di riempire eccessivamente lo stampo e di avere sbavature, mentre una velocità troppo lenta può causare problemi nella formazione delle forme stampate.
Figura 2 – Esempi di pezzi plastici stampati ad iniezione [2].
Uno dei principali vantaggi dello stampaggio a iniezione è la sua economicità nella produzione su larga scala. Una volta realizzato lo stampo, infatti, la produzione di pezzi in serie diventa molto conveniente, riducendo i costi unitari. Questo processo è, per di più, in grado di produrre pezzi altamente dettagliati e complessi con una precisione sorprendente. Questa caratteristica lo rende ideale per la produzione di componenti che richiedono elevati standard di precisione e finitura superficiale (Figura 2). Infine, durante il processo di stampaggio a iniezione, i ritagli e gli scarti di materiale possono essere raccolti e riciclati. Questo riduce il rifiuto di materiale e contribuisce a una produzione più sostenibile, caratteristica per nulla trascurabile in vista degli obiettivi della comunità europea per l’incremento dell’industria green. Grazie a tutte queste caratteristiche, lo stampaggio a iniezione trova impiego in una vasta gamma di applicazioni, tra cui il settore medicale per la produzione di contenitori per farmaci, siringhe, attrezzature da laboratorio e diversi dispositivi diagnostici.

È possibile produrre custodie per dispositivi elettronici come telefoni cellulari, tablet, computer, nonché connettori e interruttori per circuiti elettrici e anche ottenere puzzle e giocattoli (Figura 3). Il core della produzione per stampaggio a iniezione è sicuramente la produzione di componenti per automotive per imballaggi, quali componenti interni ed esterni, paraurti, cruscotti, contenitori e coperchi vari. Visti i numerosi impieghi e i numerosi vantaggi che presenta questo processo, l’industria dello stampaggio per iniezione plastica è un settore cruciale dell’economia globale. Tuttavia, questo settore non è immune agli impatti ambientali negativi associati all’uso di materie plastiche e alla produzione di rifiuti.

Figura 3 – Esempio di cavità [2].
Fortunatamente, negli ultimi anni, c’è stata una crescente attenzione verso la sostenibilità nel settore dello stampaggio per iniezione plastica. Infatti, il settore dello stampaggio per iniezione plastica ha contribuito significativamente all’uso e alla diffusione delle plastiche nell’industria. Tuttavia, questa produzione intensiva di plastica ha comportato una serie di sfide ambientali, tra cui la generazione di una notevole quantità di scarti, molti dei quali sono difficili da riciclare. Questi rifiuti, se non gestiti correttamente, possono accumularsi nei siti di smaltimento e negli oceani, causando danni all’ambiente.
Un altro tema di notevole importanza è legato all’energia necessaria per il processo di stampaggio per iniezione, che è spesso ottenuta da fonti non rinnovabili e che purtroppo contribuisce all’incremento delle emissioni di gas serra. Per affrontare queste sfide, l’industria dello stampaggio per iniezione plastica sta adottando una serie di innovazioni e soluzioni sostenibili, tra cui l’ottimizzazione dei processi di produzione, che può ridurre il consumo di energia e materie prime. L’uso di tecnologie avanzate, come la stampa 3D e l’analisi dei dati, che sta contribuendo a migliorare l’efficienza complessiva e la transizione verso fonti di energia rinnovabile, come l’energia solare o eolica, per alimentare i processi di stampaggio per iniezione può ridurre notevolmente le emissioni di gas serra. I progettisti meccanici si stanno concentrando sempre più sull’impatto ambientale fin dalle prime fasi di sviluppo dei prodotti, cercando di ridurre il consumo di materiale e semplificare il riciclaggio, ricercando e sviluppando anche materie plastiche biodegradabili e riciclabili, che sono al centro degli sforzi per ridurre l’impatto ambientale e che consentono una gestione più sostenibile dei rifiuti plastici.

Tuttavia, quando si parla di sostenibilità nel settore dello stampaggio per iniezione plastica, è fondamentale focalizzarsi non solo sulla scelta dei materiali e sull’ottimizzazione energetica, ma anche sull’ottimizzazione del processo di produzione e, in particolare, sul ruolo cruciale degli stampi. La produzione di stampi richiede materiali di alta qualità, spesso acciaio. Oggi, molte aziende stanno utilizzando acciaio riciclato per la fabbricazione degli stampi: questo non solo riduce la domanda di materie prime vergini ma abbassa anche l’impronta di carbonio associata alla produzione degli stampi.

Un’altra strategia che si sta dimostrando vincente è quella di utilizzare stampi più leggeri che richiedono meno energia per il loro funzionamento. Le aziende più moderne, infatti, stanno investendo sempre di più nella progettazione di stampi leggeri senza compromettere la loro resistenza e durabilità.

Uno dei principali aspetti sostenibili del processo di stampaggio per iniezione plastica riguarda la minimizzazione degli scarti. Gli stampi più precisi e avanzati consentono di produrre componenti con una precisione maggiore, riducendo così gli scarti dovuti a prodotti difettosi. Sempre considerando la progettazione degli stampi, questa può essere portata a termine considerando la possibilità di formare stampi con più cavità, aumentando così la produttività e riducendo il consumo complessivo di energia (Figura 4).

Figura 4- Esempio di cavità multi-stampo [3].
Gli stessi effetti benefici possono essere perseguiti attraverso l’utilizzo di tecnologie avanzate che consentono, oggigiorno, cicli di stampaggio più veloci, riducendo il tempo di produzione e quindi il consumo di energia. Ad esempio, gli stampi raffreddati ad acqua o con tecnologie di raffreddamento avanzate possono accelerare il processo, così come lo stampaggio ad iniezione assistita da gas, che permette di ridurre il peso delle parti in plastica mantenendo le stesse proprietà meccaniche utilizzando gas inerte all’interno dell’iniezione. Quest’ultima tecnica è particolarmente utile per applicazioni leggere e resistenti.

In sintesi, la sostenibilità nel settore dello stampaggio per iniezione plastica non si limita solo alla scelta dei materiali, ma coinvolge anche gli stampi e il processo di produzione stesso. Le innovazioni in questi settori stanno contribuendo a ridurre il consumo di risorse, gli scarti e le emissioni di carbonio, rendendo questo settore sempre più ecologico. Investire in tecnologie avanzate e pratiche responsabili è la chiave per un futuro sostenibile anche per l’industria dello stampaggio per iniezione plastica.

Riferimenti immagini

[1] Svečko R., Kusić D., Kek T., Sarjaš A., Hančič A. and Grum J. Acoustic Emission Detection of Macro-Cracks on Engraving Tool Steel Inserts during the Injection Molding Cycle Using PZT Sensors, Sensor, 13 (2013), 6365-6379
[2] https://www.robotfactory.it/it/benchtop-injection-molding
[3] Kennedy P. and Zheng R. Flow Analysis of Injection Molds, Hanser Publishers, ISBN 978-1-56990-512-8

Sara Bocchi

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