Lo stampaggio a iniezione è uno dei processi più diffusi nella produzione di articoli in plastica. È una tecnologia economica ed estremamente ripetibile usata per ottenere parti di alta qualità per la produzione in serie.
Lo stampaggio a iniezione è un processo di produzione industriale in cui il materiale plastico (polimero) viene fuso e iniettato ad alta pressione all’interno di uno stampo metallico. Una volta raffreddato, il materiale solidifica assumendo la forma della cavità dello stampo.
La pressa ad iniezione è una macchina utilizzata per modellare e formare componenti in plastica. Consiste in un meccanismo a pistone che fa avanzare e ritirare la materia prima plastica all’interno di un cilindro caldo. La materia prima può essere fornita sotto forma di fogli, granuli o estruso. La materia prima viene iniettata ad alta pressione all’interno dello stampo, consentendo all’oggetto di assumere la forma desiderata.
Le macchine per lo stampaggio a iniezione, anche note come presse, sono costituite da una tramoggia, da un pistone di iniezione o stantuffo a vite e da un’unità di riscaldamento. L’iniettore è l’unità destinata alla fusione e al successivo avanzamento del polimero termoplastico verso lo stampo, mediante il movimento di una vite di plastificazione. L’unità di chiusura è la parte su cui è montato lo stampo. Qui la plastica fusa arriva e si solidifica.
Un gruppo di plastificazione è una parte fondamentale del funzionamento di una pressa a iniezione. Si tratta di un sistema composto da diversi elementi che lavorano insieme per riscaldare, formare e plastificare la materia plastica prima di iniettarla nello stampo per creare un oggetto. L’aspetto più importante di un gruppo di plastificazione è che serve a regolare la temperatura della materia plastica. L’unità di plastificazione è anche responsabile della miscelazione dei materiali, assicurando che tutti siano ben mescolati prima dell’iniezione.
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La sequenza di eventi durante lo stampaggio a iniezione di una parte in plastica viene denominata ciclo dello stampaggio a iniezione. Il ciclo inizia quando lo stampo si chiude, il che è seguito poi dall'iniezione del polimero nella cavità dello stampo. Una volta riempita la cavità, viene mantenuto un certo valore di pressione per compensare le variazioni volumetriche del materiale.
Il processo di lavoro comune della pressa ad iniezione include le seguenti fasi: stand-by macchina; chiudere e bloccare lo stampo; il carrello di iniezione si sposta in avanti e l'ugello della macchina tocca il canale di colata principale dello stampo; la macchina fa l'iniezione, spingendo il materiale fuso dalla canna nella cavità dello stampo; raffreddamento e mantenimento della pressione; carica; il carrello di iniezione si muove all'indietro; muffa aperta; emissione ed espulsione del prodotto; chiusura dello stampo e ciclo successivo.
Sono disponibili decine di migliaia di materiali differenti per lo stampaggio a iniezione. Può essere utilizzata la maggior parte dei polimeri, inclusi tutti i materiali termoplastici (per esempio nylon, polietilene e polistirene) e alcuni elastomeri. I materiali vengono scelti in base alla resistenza e alla funzione richiesta dalla parte finale, ma ogni materiale presenta diversi parametri di stampaggio che devono essere tenuti in considerazione.
Lo stampo è fissato al piano della macchina per lo stampaggio e la plastica è iniettata nello stampo attraverso il foro di colata. Stampo o matrice sono termini che si riferiscono agli utensili utilizzati per produrre parti in plastica per stampaggio. Tradizionalmente, gli stampi per iniezione sono sempre stati molto costosi ed erano usati solo per le applicazioni produttive di volumi molto elevati dove si prevedeva la produzione di migliaia di parti. Generalmente gli stampi vengono realizzati in acciaio temprato, acciaio pretemprato, alluminio e/o in una lega di berillio-rame.
La scelta del materiale per realizzare uno stampo è principalmente di natura economica. Gli stampi in acciaio generalmente costano di più ma offrono una vita utile più lunga. Gli stampi in alluminio costano sostanzialmente meno di quelli in acciaio e, quando viene utilizzato alluminio di qualità superiore insieme a moderne apparecchiature computerizzate, essi possono essere convenienti dal punto di vista economico per la realizzazione di centinaia di migliaia di parti.
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La progettazione di parti in plastica è un’attività complessa in cui entrano in gioco numerosi fattori, a seconda dei requisiti delle diverse applicazioni. “Come verrà utilizzata la parte?” “Come si integra con le altre parti dell’assieme?” “A quali carichi verrà sottoposta durante l’utilizzo?” Nella progettazione di una parte in plastica stampata a iniezione, oltre ai problemi di natura funzionale e strutturale, rivestono un ruolo importante i problemi legati al processo.
Il principale nemico di qualsiasi parte in plastica stampata per iniezione è rappresentato dalle sollecitazioni. Quando il materiale si raffredda e i legami molecolari riportano la resina allo stato solido, le sollecitazioni vengono “bloccate” nella parte. Sebbene alcune sollecitazioni in una parte stampata a iniezione siano prevedibili, è necessario progettare le parti in modo da ridurre le sollecitazioni il più possibile.
Quando occorre realizzare parti in quantità limitate, i costi, i tempi, le attrezzature specialistiche e la manodopera qualificata necessari per la fabbricazione di stampi con metalli e metodi di produzione comuni spesso rendono proibitivo l’utilizzo dello stampaggio a iniezione per la produzione su questa scala. Tuttavia esistono alternative alla lavorazione meccanica di stampi in metallo.
L’utilizzo della stampa 3D in-house per fabbricare stampi a iniezione per la prototipazione e la produzione di volumi ridotti riduce significativamente i costi e i tempi rispetto agli stampi in metallo, garantendo comunque parti ripetibili e di alta qualità. La stampa 3D desktop è un’ottima soluzione per fabbricare stampi a iniezione in modo rapido e a basso costo. Richiede un’attrezzatura molto limitata e permette di risparmiare il tempo necessario per la lavorazione CNC.
La tecnologia di stampa 3D stereolitografica (SLA) è un’ottima scelta per lo stampaggio. È caratterizzata da una finitura superficiale liscia e lo stampo conferisce alla parte finale alta precisione, una qualità che agevola la rimozione dallo stampo stesso. Le stampanti SLA desktop possono essere integrate senza fatica in qualsiasi flusso di lavoro perché sono semplici da implementare, da utilizzare e da mantenere in condizioni ottimali.
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Di norma, gli utenti sono in grado di usare un solo stampo per l’iniezione di centinaia di parti nei casi in cui vengono utilizzate plastiche facili da processare come TPE, PP e PE a temperature fino a 250 °C. Il tempo di raffreddamento di uno stampo polimerico realizzato in 3D è maggiore rispetto a quello necessario per uno stampo metallico, poiché il trasferimento termico è più lento nella plastica. Il raffreddamento può essere velocizzato con l’applicazione di aria compressa per raffreddare lo stampo o utilizzando lotti intercambiabili.
Le presse vengono classificate in base al tonnellaggio, ovvero il calcolo della forza di serraggio che la macchina è in grado di esercitare. Questa forza mantiene lo stampo chiuso durante il processo di iniezione. Il tonnellaggio può variare da meno di 5 tonnellate a 6000 tonnellate. La forza di serraggio totale necessaria è determinata dall’area proiettata della parte da ottenere per stampaggio.
Il tipo di pressa a iniezione non influenza in modo significativo il processo di stampaggio a iniezione per volumi ridotti; le grandi macchine industriali tradizionali per lo stampaggio a iniezione possono essere utilizzate anche con stampi a iniezione realizzati in 3D. Tuttavia, queste macchine sono costose, hanno requisiti rigorosi per le strutture e richiedono manodopera qualificata. Se non hai dimestichezza con lo stampaggio a iniezione e vuoi sperimentarlo con un investimento limitato, una buona opzione può essere quella di usare una macchina da stampaggio manuale da banco.
Non ci si può aspettare che uno stampo polimerico realizzato in 3D assicuri le stesse prestazioni di uno realizzato in metallo tramite lavorazione meccanica. Gli stampi di grandi dimensioni sono i più difficili da realizzare, il tempo di raffreddamento è maggiore perché il trasferimento termico è più lento nelle plastiche, e gli stampi ottenuti tramite stampa 3D possono rompersi più facilmente se sottoposti a calore e pressione.
Le sezioni spesse richiedono un tempo di raffreddamento maggiore rispetto a quelle sottili. Durante il processo di raffreddamento, se le pareti presentano spessore non costante, le pareti più sottili si raffreddano prima mentre le pareti spesse sono ancora in fase di solidificazione, causando deformazioni o segni di risucchio. Per evitare questi problemi, è necessario provare a progettare parti con pareti uniformi o con transizioni graduali.
Lo stampaggio a iniezione viene utilizzato per creare molti oggetti tecnici e di consumo. È ideale per la produzione di elevati volumi di parti in plastica, in quanto in ogni ciclo possono essere prodotte diverse parti utilizzando gli stampi a iniezione multi-cavità. Alcuni vantaggi dello stampaggio a iniezione sono l’altissima precisione, la ripetibilità, la vasta gamma di materiali disponibili, il basso costo della manodopera, gli scarti minimi e la ridottissima esigenza di eseguire la finitura delle parti dopo lo stampaggio.
Nell’ambito odontotecnico questi benefici si traducono in componenti precisi e ripetibili, tempi di produzione rapidi per protesi, supporti e dispositivi personalizzati, e costi unitari ridotti su produzioni ripetute. Inoltre, grazie a soluzioni che integrano la stampa 3D per prototipazione e stampi low-volume, è possibile accelerare lo sviluppo dei prodotti e convalidare i processi produttivi in modo rapido ed economico.
Che cos’è uno stampo a iniezione? Lo stampo a iniezione è un’attrezzatura meccanica di precisione, generalmente in acciaio o alluminio, progettata per ricevere plastica fusa e modellarla in una forma specifica.
Quali sono i principali vantaggi dello stampaggio a iniezione? I vantaggi principali sono l’elevata velocità di produzione, la riduzione del costo unitario su grandi volumi e la massima precisione millimetrica.
Quanto consuma una pressa ad iniezione? La quantità esatta di energia necessaria dipende dal volume e dalla complessità della parte; in generale il consumo energetico di una pressa ad iniezione è abbastanza contenuto. La maggior parte delle presse ad iniezione richiedono meno di un chilowattora (kWh) di energia per produrre un pezzo; le presse più grandi possono richiedere fino a 10-15 kWh per produrre la stessa quantità di pezzi.
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