Stampaggio a iniezione – Processo, materiali, vantaggi e altro ancora

Lo stampaggio ad iniezione è un processo utilizzato per produrre parti in plastica per varie applicazioni. Oggi, la maggior parte dei settori industriali utilizza componenti stampati ad iniezione in qualche modo, che si tratti di bidoni della spazzatura, parti di controller o persino della Stazione Spaziale Internazionale (ISS).

Lo stampaggio a iniezione sta diventando sempre più mainstream. Con l’avanzare dell’era della Quarta Rivoluzione Industriale, un numero sempre maggiore di produttori sta incorporando lo stampaggio a iniezione nelle proprie attività.

In questo articolo, esploriamo questa tecnologia, insieme alle sue capacità e ai suoi limiti, per capire come le aziende possono sfruttarla per creare pezzi personalizzati.

Che cos’è lo stampaggio a iniezione?

Lo stampaggio a iniezione è un processo di produzione che utilizza pressioni elevate per forzare materiali morbidi, come la plastica, in stampi per fargli assumere la loro forma. Questo processo può accogliere migliaia di tipi diversi di polimeri e materiali plastici, ciascuno con proprietà variabili. Di conseguenza, consente di produrre un’ampia gamma di pezzi con caratteristiche uniche. Sebbene lo stampaggio a iniezione sia utilizzato principalmente per creare prodotti in plastica, può anche produrre pezzi da alcuni metalli in polvere. Il processo è essenzialmente lo stesso della pressofusione.

Nella nostra vita quotidiana, siamo circondati da articoli realizzati con lo stampaggio a iniezione. Alcuni esempi sono spazzolini da denti, occhiali, bicchieri di plastica, televisori, smartphone, sedie, giocattoli, involucri di elettronica di consumo, posate monouso e componenti automobilistici. Molti prodotti possono essere composti da diversi materiali o incorporare diversi colori. Per esempio, uno spazzolino da denti combina un materiale morbido con uno duro e può presentare strisce e macchie di colori diversi lungo il manico. Inoltre, alcuni prodotti possono includere inserti in metallo.

Componenti del processo di stampaggio a iniezione

La configurazione del processo comprende un’unità di iniezione dove il materiale viene riscaldato e pressurizzato, uno stampo dove viene formato e sistemi ausiliari che svolgono funzioni specifiche.

Unità di iniezione

L’unità di iniezione comprende un cilindro riscaldato e una vite alternata. Il materiale morbido viene introdotto nel cilindro attraverso una tramoggia verticale. La vite alternata all’interno del cilindro non solo mescola il materiale, ma fornisce anche l’azione di spinta necessaria per spingere il materiale nello stampo. Il cilindro è dotato di elementi riscaldanti che fondono la materia prima e ne migliorano la fluidità. Inoltre, il movimento della vite genera calore attraverso un’azione di taglio. Una volta che il materiale raggiunge la viscosità desiderata, viene spinto nello stampo.

Stampo

Lo stampo può essere costruito con materiali robusti come l’acciaio o moderatamente resistenti come l’alluminio. Ogni materiale ha casi d’uso specifici. Per esempio, quando volumi elevati (25.000) sono richiesti, stampi in acciaio sono preferibili per la loro durata sotto alta pressione. Sebbene gli stampi in acciaio siano più costosi, la grande quantità di pezzi prodotti riduce il costo complessivo per pezzo e li rende più convenienti. Inoltre, l’acciaio inossidabile è in grado di soddisfare limiti di tolleranza più sottili rispetto ad altri metalli, grazie alla sua resistenza superiore.

Stampi in alluminiod’altra parte, sono più adatti a piccole serie di produzione (<25.000). Questi stampi sono più convenienti, riducendo il costo per pezzo per le piccole serie. Tuttavia, presentano alcuni svantaggi, come una durata di vita più breve e una finitura superficiale inferiore a causa delle loro proprietà meccaniche inferiori.

Piastre a morsetto

Le piastre di bloccaggio sono attaccate alle metà dello stampo per fissarle durante il processo di iniezione. La forza necessaria viene solitamente fornita attraverso la pressione idraulica.

Sistema di raffreddamento

Un sistema di raffreddamento ad acqua o ad olio è integrato per facilitare il raffreddamento rapido della plastica fusa all’interno dello stampo. Le linee di raffreddamento aiutano a ridurre il tempo di ciclo, mantenendo le temperature adeguate dello stampo.

Fattori da considerare prima di scegliere lo stampaggio a iniezione

Nessun processo di produzione eccelle in tutte le applicazioni e lo stampaggio ad iniezione non fa eccezione. Per sfruttare appieno i vantaggi di questo processo, è necessario soddisfare condizioni specifiche. Vediamo queste condizioni e le qualità che rendono lo stampaggio a iniezione un’opzione interessante.

Volumi elevati

Il processo di stampaggio a iniezione prevede costi iniziali significativicompresi i costi associati alla macchina per lo stampaggio a iniezione, agli stampi e ai sistemi correlati. Tuttavia, una volta recuperati questi costi, la costi di stampaggio per pezzo sono tra i più bassi del settore.. Per beneficiare di questi bassi costi di stampaggio per pezzo, il volume di produzione deve essere sufficientemente elevato. Di conseguenza, lo stampaggio a iniezione è un’opzione interessante soprattutto per la produzione di alti volumi. La soglia specifica viene decisa caso per caso, ma in genere è compresa tra da migliaia a milioni di pezzi.

Complessità del design

Sebbene lo stampaggio a iniezione possa produrre forme intricate utilizzando stampi complessi, ci sono dei limiti. La fattibilità del processo può essere migliorata riducendo il numero di pezzi e semplificando i progetti esistenti. Questo approccio faciliterà l’esecuzione e aiuterà a mantenere un basso tasso di difetti. I progetti più semplici hanno un netto vantaggio nello stampaggio a iniezione.

Tempi di consegna iniziali più elevati

Il lead time iniziale per lo stampaggio a iniezione può arrivare a 12 settimane. Una parte significativa di questo tempo è dedicata alla progettazione e all’ottimizzazione degli utensili per i pezzi. Se i pezzi sono necessari in tempi più brevi, i servizi di stampa 3D e di lavorazione CNC sono valide opzioni alternative.

Non adatto alla maggior parte dei componenti metallici

Un sottoprocesso noto come Metal Injection Moulding (MIM) può produrre componenti da alcuni metalli. Tuttavia, la la gamma di metalli adatti è molto limitata. Le alternative, come la fusione, la lavorazione e la forgiatura, possono essere utilizzate per i pezzi realizzati con metalli diversi.

Processo di stampaggio ad iniezione

In teoria, lo stampaggio a iniezione è un processo semplice: si fonde la plastica, la si inietta in uno stampo, si lascia raffreddare e si ottiene un prodotto di plastica. In pratica, però, lo stampaggio a iniezione è un processo complesso che è stato perfezionato negli ultimi 150 anni, da quando nel 1872 Wesley Hyatt brevettò la prima macchina.

Il processo inizia con la produzione dello stampo. Uno stampo di alta qualità produce pezzi di alta qualità. In molti casi, può essere necessario ottimizzare la geometria dei pezzi per garantire la compatibilità con il processo di stampaggio a iniezione. Piccolo aggiustamenti nel design possono migliorare significativamente l’efficienza e l’economicità del processo.. Alcune di queste modifiche alla progettazione saranno discusse più avanti in questo articolo. In genere, vengono condotti dei test per garantire che il pezzo finale soddisfi le specifiche richieste. Dopo i test e le modifiche necessarie in base ai risultati, si può iniziare lo stampaggio a iniezione sul prototipo di stampo.

Il processo utilizza la plastica fusa come materiale di alimentazione. Il materiale plastico entra nella macchina sotto forma di pellet, ognuno dei quali misura fino a pochi millimetri di diametro. Questi pellet vengono versati nel barile attraverso una tramoggia. Il cilindro è dotato di elementi riscaldanti e di una vite alternata per il riscaldamento e l’omogeneizzazione del materiale di alimentazione. La vite può essere alimentata da un motore idraulico o elettrico.

Il materiale di alimentazione viene pompato nello stampo ad alta pressione di iniezione, una volta raggiunte la viscosità e la temperatura desiderate. Le pressioni elevate consentono alla plastica di riempire efficacemente la cavità. Prima dell’iniezione, la cavità viene riempita d’aria. Quando la plastica entra nello stampo, l’aria viene espulsa attraverso molteplici piccoli sfiati situati lungo la periferia della cavità dello stampo. Queste bocchette sono più sottili di un capello umano. Di conseguenza, mentre l’aria può uscire, la plastica non può entrare in queste aperture a causa della sua maggiore viscosità.

Il sistema di raffreddamento nello stampo raffredda e solidifica la plastica nella forma della cavità dello stampo. Un termoregolatore esterno regola la temperatura del mezzo di raffreddamento. Le due metà dello stampo vengono poi separate per espellere il prodotto plastico.

Al momento del raffreddamento, la forza di serraggio viene rilasciata e le due metà dello stampo vengono separate. Quando la plastica si restringe, aderisce alla metà centrale dello stampo. I perni di espulsione sono integrati nel sistema per staccare il prodotto plastico dallo stampo una volta che le due metà si sono separate. I perni di espulsione lasciano delle piccole impronte circolari sul prodotto, note come segni di testimonianza dei perni di espulsione. Questi segni possono essere osservati su tutte le parti stampate ad iniezione ad un’ispezione più attenta (visibili anche nell’immagine qui sopra).

I componenti richiedono un’ulteriore rifinitura per eliminare la plastica in eccesso che si solidifica nelle porte, nelle guide e nel canale di colata. La materozza funge da canale tra il cilindro e la cavità e si solidifica insieme al prodotto plastico. Le materozze vengono in genere rimosse dal pezzo mediante torsione o taglio manuale.

I materiali più adatti al processo di stampaggio a iniezione

Esistono oltre 90.000 tipi diversi di materie plastiche compatibili con lo stampaggio a iniezione. Tutti questi materiali possono essere classificati in 45 famiglie di polimeri distinte. Per ampliare la classificazione, possono essere suddivisi in due categorie: polimeri termoindurenti e termoplastici. I polimeri termoindurenti possono essere utilizzati una sola volta e non possono essere rifusi o rimodellati. Al contrario, i polimeri termoplastici possono essere riciclati in nuovi prodotti attraverso il riscaldamento e la rimodellazione.

La selezione dei materiali è influenzata da diversi fattori, tra cui il livello di trasparenza, la forza, la resistenza al calore, la rigidità, la resistenza alla corrosione, la resistenza al fuoco, la finitura superficiale e il costo.

Le materie plastiche più comunemente utilizzate nei processi di stampaggio ad iniezione includono il policarbonato (PC), l’acrilonitrile butadiene stirene (ABS), il polipropilene (PP), il poliossimetilene (POM), il polistirene (PS), il polibutilene tereftalato (PBT), il polimetilmetacrilato (PMMA) e il polietilene (PE). Concentriamoci su 3 dei materiali più popolari per lo stampaggio a iniezione e sulle loro applicazioni.:

Policarbonato (PC)

Il policarbonato è un polimero termoplastico molto usato, adatto allo stampaggio a iniezione. Presenta un’eccezionale resistenza al calore, agli urti e agli agenti chimici. Ha anche eccellenti proprietà ottiche e funge da efficace isolante elettrico.

Grazie alla sua versatilità, il PC trova impiego in diversi settori, tra cui quello manifatturiero, edile e tecnologico. Nella vita di tutti i giorni, troviamo le sue applicazioni negli involucri dei telefoni, nelle lenti degli occhiali, nei prodotti di cancelleria, nei contenitori per alimenti e bevande e negli utensili da cucina.

Acrilonitrile Butadiene Stirene (ABS)

L’ABS è un materiale termoplastico per lo stampaggio a iniezione molto utilizzato. Possiede proprietà come la resistenza al calore e agli agenti chimici, la forza, la durata e la stabilità dimensionale (non si piega sotto carico). A differenza del policarbonato, l’ABS è opaco.

L’ABS è tipicamente utilizzato in applicazioni che richiedono una maggiore rigidità rispetto al policarbonato pur essendo in grado di assorbire le forze sottoposte a sollecitazioni elevate. Il suo finitura lucida la rende adatta anche alle applicazioni cosmetiche.

Il materiale trova impiego in diverse applicazioni, tra cui caschi di sicurezza, aspirapolvere, mattoncini LEGO, giocattoli, strumenti musicali, tastiere di computer, custodie per telefoni, valigie, paraurti di auto, cruscotti di auto e vari tubi e raccordi.

Polipropilene (PP)

Il polipropilene è una delle materie plastiche più utilizzate oggi. Si tratta di un polimero termoplastico con proprietà quali isolamento elettrico, tenacità ed elasticità così come la resistenza al calore, alla fatica e agli agenti chimici.

Grazie alla sua non tossico Il PP trova impiego negli imballaggi per alimenti e nelle tazze per bevande. La sua resistenza chimica lo rende un materiale ideale per l’industria cosmetica. Anche le parti automobilistiche, come i paraurti e gli alloggiamenti delle batterie, utilizzano il polipropilene.

Il polipropilene viene utilizzato anche per la produzione di corde, apparecchiature mediche (siringhe, fiale, suture), giocattoli, rivestimenti, tappeti e altro ancora.

Vantaggi dello stampaggio a iniezione

Le caratteristiche dello stampaggio a iniezione lo rendono un processo ideale per la produzione di prodotti di vari tipi e dimensioni. Il crescente utilizzo di materie plastiche contribuisce alla crescita dell’industria dello stampaggio a iniezione. Questo processo offre diversi vantaggi:

Estremamente versatile

Lo stampaggio a iniezione è molto versatile in termini di tipi di prodotti che può realizzare. Può creare articoli in varie dimensioni, colori e resistenze. I prodotti possono durare a lungo senza bisogno di manutenzione. Stampi a due riprese o stampi multi-shot possono essere utilizzati per combinare due o più materiali distinti in un unico prodotto finito. Anche se non c’è un limite al numero di pezzi che possono essere prodotti, le piccole produzioni potrebbero non essere economicamente vantaggiose.

Ampie opzioni di materiali

La varietà di opzioni per i materiali significa che i prodotti possono avere una un’ampia gamma di proprietà diverse. È possibile combinare i materiali per sfruttare le proprietà di ciascuno in diverse aree dello stesso prodotto.

Oltre alle materie plastiche, lo stampaggio a iniezione può accogliere anche la gomma e alcuni metalli. Questo amplia la varietà di componenti che possono essere prodotti con lo stampaggio a iniezione.

Compatibile con la produzione di massa

Lo stampaggio a iniezione è ideale per la produzione di massa, grazie alla sua tempi di ciclo ridotti così come elevata coerenza e affidabilità di ogni pezzo. Per i componenti medio-grandi, in genere si produce un solo pezzo per ciclo. Tuttavia, per gli articoli più piccoli, come le posate, possiamo produrre più pezzi per ciclo utilizzando stampi a cavità multiple, canali di distribuzione, guide e cancelli.

Basso costo per pezzo

I costi di produzione complessivi dello stampaggio a iniezione sono relativamente alti. Tuttavia, il costo per pezzo diminuisce con la produzione di alti volumi. Il MOQ dipende da fattori come i costi di allestimento, le spese per i materiali e la complessità del design. Con la giusta combinazione di questi elementi, il costo per pezzo dello stampaggio a iniezione può essere ridotto a meno di quello delle tecnologie concorrenti, come la stampa 3D, la lavorazione CNC e la fusione.

Scarti minimi

Stampaggio a iniezione genera molti meno rifiuti rispetto ai metodi di fabbricazione sottrattiva come la lavorazione CNC. Tuttavia, alcuni scarti di plastica sono inevitabili a causa di canali di colata, guide e cancelli. Questo scarto può essere ulteriormente minimizzato attraverso l’ottimizzazione del design e l’implementazione di canali caldi. I canali caldi formano una rete di distribuzione riscaldata che inietta la plastica fusa nelle cavità dello stampo. Lo svantaggio è che sono più costosi dei tradizionali sistemi a canale freddo.

Limitazioni dello stampaggio a iniezione

Lo stampaggio a iniezione presenta una serie di limitazioni. Un’attenta considerazione dei seguenti svantaggi può aiutare i produttori a decidere con cognizione di causa se possono realizzare un prodotto redditizio con lo stampaggio a iniezione.

Investimento iniziale elevato

Lo stampaggio a iniezione comporta costi iniziali significativi. Le spese principali comprendono l’unità di iniezione e lo stampo. Inoltre, il progettazione e produzione dello stampo possono richiedere diverse settimanee aumentano ulteriormente i costi a causa della manodopera, dell’energia e del tempo necessari per il processo.

Processo che richiede tempo

Lo stampaggio a iniezione è altamente efficiente, in grado di produrre centinaia di prodotti all’ora una volta operativo. Tuttavia, il tempo iniziale richiesto per la progettazione del processo e dello stampo può essere uno svantaggio in situazioni in cui è essenziale un rapido time to market. In questi casi, le tecnologie di prototipazione rapida possono rappresentare un’alternativa più adatta.

Processo guidato dalle competenze

Il moderno processo di stampaggio a iniezione richiede una quantità significativa di abilità ed esperienza da parte dei progettisti. Raggiungere un processo efficiente può essere una sfida nelle aree in cui manca la manodopera qualificata.

Non adatto ai metalli

Mentre è può essere adattato per l’uso con alcuni metalli in forma di polvere.Non può competere con i processi di produzione tradizionali, come la fusione e la lavorazione CNC, per quanto riguarda i gradi di metallo lavorabili. Questa limitazione limita notevolmente la sua applicazione nei prodotti a base di metallo.

Non è adatto a componenti molto grandi

Il processo di stampaggio a iniezione può diventare inefficiente se progettato per componenti molto grandi. Le presse e gli utensili di stampaggio hanno dei limiti dimensionali che non possono essere superati. In casi speciali, i pezzi che superano la capacità di una macchina possono essere stampati come componenti multipli e assemblati insieme.

Come ottimizzare il suo pezzo per lo stampaggio ad iniezione

I clienti spesso presentano progetti che inizialmente sembrano non essere adatti allo stampaggio a iniezione. Ci sono diverse cose che si possono fare per adattare questi progetti. Lo stampaggio a iniezione è un processo costoso. Di conseguenza, qualsiasi possibilità di ottimizzazione del design devono essere esplorati e implementati per risparmiare risorse preziose. Possiamo utilizzare i principi del Design for Manufacturing (DFM) per trovare questi miglioramenti e ridurre i costi di produzione. Alcune modifiche che i clienti possono apportare oggi per ottenere costi di stampaggio a iniezione più economici sono le seguenti:

Spessore uniforme della parete

Lo spessore della parete è di fondamentale importanza nello stampaggio a iniezione. Per lo stampaggio a iniezione, lo spessore della parete deve essere il più uniforme possibile. Spessori di parete diversi hanno tassi di contrazione diversi, che portano a difetti come la deformazione dei pezzi e le sacche d’aria. Gli spessori più alti aumentano anche l’utilizzo di materiale che potrebbe non avere alcun vantaggio aggiunto in termini di resistenza strutturale, funzionalità o aspetto. L’uso di anime può aiutare a ridurre e uniformare lo spessore complessivo dei pezzi. Gli spessori di parete consigliati per lo stampaggio a iniezione sono compresi tra 1 mm e 3 mm.

Uso dei bocchettoni

I bocchettoni vengono creati per rafforzare le aree più deboli, come i fori delle viti e le scanalature. Possono anche fornire un meccanismo di assemblaggio rapido, in quanto possono incastrarsi l’uno nell’altro, mantenendo un allineamento simile a quello dei perni. Il diametro e lo spessore dei raccordi devono essere considerati con attenzione. Il diametro dei fori per le viti e per i boss deve essere più piccolo per compensare la contrazione. Lo spessore del raccordo non deve superare il 60 percento dello spessore totale della parete.

Angoli rotondi

Gli angoli acuti di un pezzo possono far lievitare rapidamente i costi di uno stampo, in quanto richiedono l’uso di costose lavorazioni di elettroerosione. Inoltre, possono causare un aumento delle sollecitazioni nel pezzo, creando un potenziale punto di rottura. Gli angoli arrotondati e le transizioni morbide dovrebbero essere preferiti agli angoli vivi.

Angolo di sformo

L’angolo di sformo è un altro aspetto molto importante della progettazione dello stampo. Una parte con pareti perfettamente perpendicolari è molto difficile da espellere, perché le pareti interne della parte trascinano il nucleo dello stampo. Si formerà anche un vuoto, poiché l’aria non può entrare nello spazio tra la parte e il nucleo durante il distacco. Tuttavia, creando una leggera conicità, la parte può essere rimossa più facilmente. Non appena i perni di espulsione premono sul pezzo, l’intera parete interna si stacca dal nucleo e l’aria entra facilmente. Gli angoli di sformo evitano anche i segni di trascinamento.

In genere, sono sufficienti 1-2 gradi di conicità o angolo di sformo. Per una maggiore struttura, 3-5 gradi per lato e 5 gradi per lato per una struttura pesante.

Selezione del materiale

La selezione dei materiali ha un impatto diretto sulla sicurezza, la qualità, le prestazioni, l’efficienza dei costi e della produzione e la sostenibilità. Tuttavia, con il lungo elenco di materiali compatibili con i processi, il processo può essere piuttosto scoraggiante.

I clienti spesso affrontano il processo di selezione in modo affrettato, per ignoranza o mancanza di esperienza. Tuttavia, poiché le parti in plastica sono utilizzate nelle attrezzature di sicurezza dei settori aerospaziale, automobilistico e marittimo, la scelta dei materiali giusti è fondamentale. Proprietà come la temperatura massima di utilizzo a breve termine, la resistenza allo snervamento e alla trazione, la resistenza all’impatto, la velocità di scorrimento della massa fusa e la vulnerabilità alle cricche da stress devono essere tenute in debita considerazione durante la selezione. È fondamentale dedicare tempo sufficiente a trovare il materiale più compatibile per la sua applicazione.

Conclusione

Lo stampaggio a iniezione è un processo produttivo altamente versatile che continua a rivoluzionare le industrie grazie alla sua capacità di produrre parti in plastica di varie forme, dimensioni e materiali. I prodotti possono raggiungere tolleranze elevate con una notevole coerenza, generando al contempo scarti minimi. Questo lo rende ideale per la produzione ad alta produttività.

Nonostante i suoi vantaggi, il processo presenta anche dei limiti. Gli alti costi iniziali di stampaggio, i tempi di allestimento più lunghi e i vincoli con le parti metalliche o i prodotti molto grandi richiedono una riflessione. La sua efficienza prospera con grandi serie di produzione e progetti ben ottimizzati.

In un mondo che avanza rapidamente nella tecnologia industriale, lo stampaggio a iniezione svolge un ruolo cruciale, offrendo una soluzione di produzione affidabile per i produttori che cercano una produzione di alta qualità e scalabile.

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