Negli ultimi decenni la tecnologia del micro stampaggio a iniezione ha fatto passi da gigante, trasformando radicalmente il panorama della produzione industriale e aprendo la strada a una nuova era di innovazione. Una delle componenti chiave per il successo è la progettazione e la produzione di stampi di alta precisione. Gli stampi sono la pietra angolare di questo processo, e la loro qualità influisce direttamente sulla precisione e sulla qualità delle parti prodotte. In questo articolo esploreremo il ruolo cruciale degli stampi nel micro stampaggio a iniezione e le sfide e le soluzioni associate alla loro produzione.
Cos’è il micro stampaggio a iniezione?
Il micro stampaggio ad iniezione è una tecnologia che consente di fabbricare componenti in materiale termoplastico con dimensioni estremamente ridotte e dettagli molto precisi. Questa tecnologia, come lo stampaggio a iniezione tradizionale, si basa sul concetto di replicazione: il polimero fuso, una volta iniettato all’interno della cavità stampo, ne replica la forma e la finitura superficiale, per poi raffreddarsi e poter essere estratto sottoforma di prodotto finito.
Il micro stampaggio ad iniezione differisce dal processo tradizionale non solo per quanto riguarda le dimensioni delle parti prodotte, ma anche dal livello di dettaglio di eventuali feature presenti sulla superficie del pezzo stampato, nonché dalla precisione con cui i componenti sono realizzati. Sebbene anche le presse per micro stampaggio differiscano da quelle utilizzate nel processo di iniezione tradizionale – il gruppo di plastificazione è infatti disaccoppiato dal gruppo di iniezione – la vera differenza la fa lo stampo (Figura 1).
Il ruolo fondamentale degli stampi
Gli stampi sono utilizzati per realizzare le forme e i dettagli dei componenti durante il processo di micro stampaggio a iniezione. Possono essere realizzati in vari materiali, tra cui acciaio, alluminio e rame, a seconda delle esigenze specifiche dell’applicazione. Gli stampi sono progettati per resistere a temperature elevate e alla pressione di iniezione del materiale fuso – particolarmente elevate nel processo di micro stampaggio al fine di evitare fenomeni di esitazione e non completa replicazione dello stampo.
Il processo di produzione inizia con la progettazione dello stampo, che deve tenere conto di numerosi fattori. Innanzitutto, la progettazione deve garantire che il materiale fuso possa fluire uniformemente nell’intero stampo, evitando sovrapressioni o flussi irregolari. In secondo luogo, gli stampi devono consentire una facile estrazione della parte finita senza danneggiare la parte stessa o lo stampo – questa fase è particolarmente critica nel processo di micro stampaggio ad iniezione in quanto le dimensioni dei componenti stampati non sempre riescono a sopportare la forza di estrazione. Infine, la progettazione degli stampi deve tener conto delle tolleranze dimensionali richieste per la parte finita – un ordine o due di grandezza inferiore rispetto alle tolleranze a cui siamo abituati nei processi convenzionali!
Sfide nella produzione degli stampi per il micro stampaggio ad iniezione
La progettazione e produzione degli stampi per il micro stampaggio ad iniezione sono processi complessi e altamente specializzati che differiscono dagli approcci “standard” utilizzati nel processo a iniezione tradizionale. Queste differenze sono da attribuire a quello che viene solitamente definito “effetto scala”, ovvero quando le dimensioni si riducono di molto, alcuni fenomeni che vengono spesso trascurati nella scala “macro” devono essere presi in considerazione. Un esempio può essere lo scambio termico all’interfaccia polimero – stampo oppure il posizionamento e dimensionamento degli estrattori, i quali non possono essere posizionati liberamente sulla parte. Viceversa, altri fattori che giocano un ruolo fondamentale nel processo convenzionale, non sono poi così stringenti nel micro stampaggio. Un esempio è dato dalla progettazione del sistema di raffreddamento: se nel processo convenzionale si vogliono garantire elevato scambio termico e uniformità di temperatura in cavità (per minimizzare il tempo ciclo e minimizzare le distorsioni del componente), nel micro stampaggio la massa di polimero iniettata è talmente ridotta che si raffredda istantaneamente a contatto con la superficie dello stampo compromettendo la completa replicazione e dunque la funzionalità del componente finito. Nel micro stampaggio, infatti, si è soliti riscaldare lo stampo piuttosto che raffreddarlo.
Analizzando le diverse fasi che portano dal design del componente al pezzo finito, vediamo di analizzare le principali criticità che caratterizzano il processo di produzione:
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- Progettazione dello stampo: la progettazione dello stampo rappresenta una fase critica del processo. Dal progetto dello stampo, dipenderà infatti la scelta dei processi manifatturieri per la sua realizzazione e la qualità del componente stampato. Durante questa fase – realizzata in co-design tra progettista e stampista – si utilizza un approccio di tipo concurrent engineering (CE). Utilizzando software dedicati (solitamente CAD, CAM e CAE), si percorre tutta la catena di processo in modo tale da acquisire il maggior numero di informazioni su prodotto e processo, restando in ambiente virtuale. Il vantaggio di questo approccio è quello di poter applicare modifiche al prodotto e processo in maniera rapida senza comportare costi aggiuntivi. Gli output derivanti da questa fase sono solitamente modelli tridimensionali del componente e dello stampo, nonché l’identificazione della finestra di stampaggio al fine di ottimizzare il processo produttivo;
- Produzione della cavità dello stampo: le scelte fatte in fase progettuale definiscono la catena di processo che verrà impiegata per la produzione dello stampo. Le minime dimensioni che caratterizzano il componente finito, la presenza o meno di spigoli vivi o di textures superficiali vanno a definire i processi manifatturieri (solitamente di asportazione) impiegati per la produzione della cavità stampo. Essendo il componente stampato un “micro componente”, la cavità sarà caratterizzata da geometrie di piccole dimensioni e tolleranze molto strette. Anche per quanto riguarda la realizzazione dello stampo, l’effetto scala gioca un ruolo fondamentale: non si parla più di fresatura o elettroerosione, ma di micro fresatura o micro elettroerosione (Figura 2). Tali processi prevedono l’utilizzo di utensili da taglio con diametri nel range di qualche decimo di millimetro, oppure l’impiego di macchine opportunamente progettate: molto rigide e con mandrini ad alte velocità di rotazione (circa 120’000 rpm) per la micro fresatura oppure caratterizzate da una ridotta densità di carica e impulsi ultrarapidi per quanti riguarda la micro elettroerosione. Oltre a questo, la finitura superficiale gioca un ruolo fondamentale in quanto dello stesso ordine di grandezza delle feature funzionali presenti sul componente stampato. Inoltre, riuscire ad ottenere finiture spinte su superfici molto piccole o con feature micrometriche, risulta pressoché impossibile. È per questa serie di motivi che non è inusuale nel processo di micro stampaggio l’utilizzo di tecnologie non convenzionali per la produzione della cavità dello stampo. Un esempio può essere l’impiego di laser a impulsi ultrarapidi (pico- o femto-secondo) o di tecniche litografiche a elevata risoluzione (litografia a raggi X) seguite da elettrodeposizione di nichel. Un’ultima considerazione, sempre legata all’effetto scala, deve essere fatta riguardo l’ordine con cui le lavorazioni vengono svolte. Se prendiamo ad esempio la realizzazione di una cavità stampo la quale prevede l’utilizzo di micro elettroerosione seguita da micro fresatura, bisognerà tener presente che la zona termicamente alterata dal processo termico (micro elettroerosione) è comparabile alla profondità di passata del processo di micro fresatura. La fresa, in questo caso, andrà ad asportare del materiale in superficie avente caratteristiche completamenti diverse dal materiale di base (sarà più duro e sarà caratterizzato da stati di tensioni interne). Tutte queste considerazioni devono essere fatte al fine di garantire un livello di precisione e uno standard qualitativo molto elevati;
- Produzione dello stampo: la cavità stampo è solitamente alloggiata all’interno del “pacco stampo”, il quale racchiude in sé il sistema di centraggio, di alimentazione, di raffreddamento e di estrazione. Sebbene lo stampo non richieda il livello di precisione previsto per la cavità, anche in questo caso vi sono alcune complessità legate al processo di micro stampaggio che devono essere esaminate e progettate maniera opportuna (Figura 3). Il primo aspetto critico è legato al sistema di centraggio. Se negli stampi convenzionali si sfruttano elementi standard come colonne e guide, negli stampi per il micro stampaggio vi è la necessità di utilizzare elementi supplementari che possano garantire un centraggio tra parte mobile e fissa molto preciso. In questo caso la cavità (solitamente nel lato mobile) è lasciata libera di muoversi e – sfruttando degli elementi di centraggio progettati ad hoc – ad ogni chiusura andrà a centrarsi perfettamente sull’altra semi-metà stampo (solitamente nel lato fisso). Come detto in precedenza il sistema di raffreddamento non è particolarmente critico nel micro stampaggio, dato che il calore apportato dalla massa di polimero iniettato (solitamente sotto al grammo) è di gran lunga inferiore rispetto alla capacità termica dello stampo. Il polimero, appena entra in contatto con le superfici fredde dello stampo, solidifica istantaneamente, andando a formare una pelle superficiale di materiale solidificato o addirittura occludendo il passaggio del restante polimero in cavità. Per questo motivo, al fine di massimizzare il grado di replicazione del polimero, lo stampo viene mantenuto a temperature elevate e successivamente raffreddato. In particolare: si scalda lo stampo con l’utilizzo di resistenze termiche a cartuccia durante la fase di iniezione e poi lo si raffredda durante la fase di impaccamento-raffreddamento al fine di poterlo estrarre. In questo modo si mantiene il polimero a viscosità ridotta per tutta la fase di riempimento, riuscendo a replicare fedelmente lo stampo. Altro aspetto da considerare è l’estrazione della parte stampata. Solitamente si è soliti posizionare gli estrattori vicino alle nervature o comunque dove la forza di estrazione risulta essere massima. Nel micro stampaggio questo non è sempre possibile. Gli estrattori, infatti, possono essere troppo grandi per poter essere posizionati nelle zone ottimali, oppure il posizionamento di questi potrebbero influenzare la funzionalità del componente stampato. Per tali motivi nel micro stampaggio gli estrattori sono posti o nel perimetro esterno del componente stampato, oppure direttamente nel sistema di alimentazione. La progettazione di opportuni angoli di sformo e la finitura superficiale della cavità devono dunque essere tali da poter garantire la separazione della parte dallo stampo senza danneggiarla;
- Caratterizzazione, assemblaggio e test: lo stampo realizzato e assemblato in tutte le sue parti, viene dunque collaudato andando a realizzare una prima pre serie di componenti stampati. La verifica dello stampo e la definizione ottimale dei parametri di processo rappresentano per il micro stampaggio un altro punto di criticità. Se nello stampaggio tradizionale il primo setup viene condotto da un operatore esperto in grado di settare i parametri di processo in base al come il componente stampato appare, nel micro stampaggio le dimensioni sono talmente piccole che ad ogni variazione dei parametri, il componente va misurato ed analizzato utilizzando opportuni strumenti di caratterizzazione. Pensiamo ad esempio di realizzare un componente come in Figura 4, la verifica del solo completo riempimento deve essere svolta mediante l’utilizzo di un microscopio ottico. Nel micro stampaggio, dunque, l’ottimizzazione dei parametri di processo richiede una serie di esperimenti pianificati: si variano i diversi parametri di processo all’interno della finestra di stampaggio, si collezionano i componenti stampati e si caratterizzano in modo tale da identificare i valori ottimali.
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La chiave per le produzioni di domani
In conclusione, la produzione di stampi per il micro stampaggio a iniezione è un elemento fondamentale di questa tecnologia avanzata. Gli stampi di alta precisione sono la chiave per la produzione di componenti microscopici che alimentano numerose industrie, dall’elettronica alla medicina e oltre. La progettazione e la produzione di stampi richiedono competenze tecniche sofisticate e attenzione ai dettagli, ma il risultato è la possibilità di creare parti di alta qualità con tolleranze dimensionali straordinariamente strette. Con il continuo progresso tecnologico, la produzione di stampi per il micro stampaggio a iniezione continuerà a svolgere un ruolo cruciale nel plasmare il futuro delle tecnologie miniaturizzate e dei dispositivi avanzati.
Marco Sorgato e Giovanni Lucchetta, Smart Mold S.r.l.
