Download File - Piovan
Download File - Piovan
Download File - Piovan
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
NOVITÀ DA TECNOEDIZIONI<br />
Uno spazio ad hoc per gli stampisti<br />
Raccogliendo l’invito di molti lettori ad approfondire le tematiche legate allo stampaggio a iniezione,<br />
in occasione della partecipazione alla fiera Eurostampi (Parma, 24-26 marzo 2011) Tecnoplast lancia<br />
una sezione speciale dedicata al mondo degli stampi per la trasformazione di materiali plastici ed elastomeri<br />
TEORIA DI PROCESSO<br />
Parte 1<br />
La<br />
termoregolazione<br />
degli stampi<br />
In questo primo articolo dedicato al condizionamento degli stampi si<br />
analizzano i differenti comportamenti al crescere della temperatura dei<br />
polimeri amorfi e cristallini. Conoscere tali comportamenti è di fondamentale<br />
importanza per una corretta regolazione della temperatura stampo. Sul<br />
prossimo numero (seconda e ultima parte dedicata a questo argomento) si<br />
entrerà poi nel merito delle caratteristiche dei termoregolatori<br />
Per una buona trasformazione<br />
delle materie<br />
plastiche mediante<br />
stampaggio a iniezione, gli<br />
stampi devono essere termoregolati<br />
con accuratezza<br />
alle temperature richieste,<br />
differenti a seconda dei<br />
polimeri impiegati. Occorre<br />
però tener presente che,<br />
con l’impiego di materie plastiche<br />
che richiedono una<br />
temperatura dello stampo<br />
medio-alta, una mancata<br />
termoregolazione comporta<br />
nei pezzi stampati inconvenienti<br />
di entità maggiore,<br />
con conseguenze tecniche<br />
spesso inaccettabili.<br />
È necessario quindi porre<br />
maggiore attenzione alle<br />
apparecchiature per temperature<br />
medio-alte. Le apparecchiature<br />
per temperature<br />
basse (20-40°C), invece, si<br />
riducono il più delle volte a<br />
semplici regolatori di portata<br />
d’acqua. Fra le varie classificazioni<br />
delle materie plastiche,<br />
è importante quella<br />
che le suddivide in amorfe<br />
(catene polimeriche a struttura<br />
disordinata) e cristalline<br />
(catene polimeriche a struttura<br />
ordinata).<br />
a cura di<br />
zionale. Si raggiunge così<br />
la temperatura di rammollimento<br />
(Tg°) e, proseguendo<br />
a fornire calore, la temperatura<br />
aumenta, sempre<br />
proporzionalmente al calore<br />
fornito, fino a raggiungere la<br />
temperatura d’iniezione.<br />
Nello stampo il pezzo si raffredda<br />
più o meno rapidamente<br />
fino a raggiungere la<br />
temperatura di estrazione,<br />
che sarà logicamente inferiore<br />
alla Tg°. Lo stampo dovrà<br />
essere mantenuto a una<br />
temperatura ottimale per<br />
evitare gli inconvenienti che<br />
si potranno avere con una<br />
temperatura non adeguata.<br />
Infatti una temperatura<br />
troppo bassa dello stampo<br />
porta a:<br />
• segni di materozze<br />
• “buccia d’arancio” superficiale<br />
• pezzi incompleti<br />
• bolle<br />
• aspetto opaco<br />
• linee di saldatura deboli<br />
• formazione di strati interni<br />
al pezzo.<br />
Una temperatura troppo alta<br />
dello stampo porta invece a:<br />
• sbavature<br />
• fenomeni di risucchio sulla<br />
superficie<br />
• risucchi interni<br />
• incollatura dei pezzi allo<br />
stampo.<br />
Tutti questi sono “difetti visibili”.<br />
I materiali amorfi, infatti,<br />
non presentano difetti<br />
“invisibili”, che sono propri<br />
dei materiali cristallini. La<br />
temperatura dello stampo<br />
varia poi in funzione del tipo<br />
di materiale, delle condizioni<br />
di stampaggio e di come si<br />
desidera sia il pezzo finito.<br />
Materie plastiche<br />
cristalline (o<br />
semicristalline)<br />
I polimeri cristallini sono caratterizzati<br />
da una temperatura<br />
di fusione (Tf°) e si comportano<br />
pertanto più o meno<br />
come i metalli. Si tratta di<br />
materie plastiche opache.<br />
Materie plastiche amorfe<br />
I polimeri amorfi sono caratterizzati<br />
da una temperatura<br />
di rammollimento,<br />
detta anche temperatura di<br />
transizione vetrosa (Tg) per<br />
l’analogo comportamento<br />
del vetro. Sono materie plastiche<br />
trasparenti. Prendiamo<br />
in esame il diagramma<br />
di figura 1 che mostra la<br />
variazione della temperatura<br />
in funzione delle calorie fornite.<br />
Fornendo il calore (Q),<br />
la temperatura del polimero<br />
aumenta in modo proporwww.tecnoedizioni.it<br />
N° 2 Marzo 2011<br />
tecnoplast • 37
TEORIA DI PROCESSO<br />
La termoregolazione<br />
degli stampi<br />
➼<br />
Osserviamo ora l’andamento<br />
del diagramma di figura 2<br />
che indica la variazione della<br />
temperatura in funzione del<br />
calore fornito.<br />
Fornendo il calore (Q) la temperatura<br />
aumenta proporzionalmente<br />
fino al raggiungimento<br />
della temperatura di<br />
fusione (Tf°). Continuando a<br />
fornire calore, la temperatura<br />
rimane praticamente costante,<br />
finché la fusione non<br />
è completata. Il calore fornito<br />
per la fusione (con temperatura<br />
praticamente costante)<br />
è il classico “calore latente di<br />
fusione”. Continuando a fornire<br />
calore, la temperatura<br />
cresce in proporzione al calore<br />
fornito fino a raggiungere<br />
la temperatura d’iniezione<br />
(Ti°). Occorre tener presente<br />
che granulo e pezzi stampati<br />
non sono completamente<br />
cristallini (si parla infatti più<br />
propriamente di semicristallini).<br />
Il granulo vergine<br />
Fig. 1 - Polimeri amorfi - Variazione<br />
della temperatura in funzione delle<br />
calorie fornite<br />
Fig. 2 - Polimeri cristallini -<br />
Variazione della temperatura<br />
in funzione del calore fornito<br />
viene normalmente fornito<br />
cristallizzato al 90-95%. Per i<br />
pezzi stampati si può parlare<br />
di cristallizzazione “buona”<br />
quando si raggiunge il 60-<br />
70%. Il materiale contiene<br />
sempre una parte cristallina<br />
e una parte amorfa. La parte<br />
amorfa avrà la sua temperatura<br />
di transizione vetrosa<br />
Tg°, che sarà inferiore alla<br />
Tf°. In totale, quindi, le<br />
temperature che caratterizzano<br />
le materie plastiche<br />
cristalline (semicristalline)<br />
sono tre e precisamente:<br />
Tg° per la parte amorfa, Tf°<br />
per la parte cristallina e Ti°.<br />
È utile quindi analizzare il<br />
diagramma di cristallizzazione<br />
mostrato in figura<br />
3, caratteristico per ogni<br />
tipo di materiale. In ascissa<br />
è indicata la temperatura,<br />
mentre in ordinata il tempo<br />
di cristallizzazione. La zona<br />
di cristallizzazione è compresa<br />
fra una temperatura<br />
massima e una minima. Al<br />
di sopra della temperatura<br />
massima e al di sotto della<br />
minima, il materiale non cristallizza.<br />
Il tempo di cristallizzazione<br />
è massimo in corrispondenza<br />
della temperatura<br />
massima e minima, e<br />
minimo in corrispondenza<br />
della temperatura ottimale.<br />
Dentro allo stampo, la temperatura<br />
del pezzo iniettato<br />
alla Ti° scende fino a raggiungere<br />
la TM°, (temperatura<br />
massima di cristallizzazione).<br />
Al di sopra della<br />
TM° il pezzo non cristallizza.<br />
Alla temperatura TM°,<br />
il pezzo cristallizza in un<br />
tempo elevato. La temperatura<br />
del pezzo dentro allo<br />
stampo continua a diminuire<br />
e diminuisce pure il tempo<br />
di cristallizzazione, fino<br />
a quando, raggiunta la To°<br />
(temperatura ottimale di<br />
cristallizzazione) il tempo di<br />
cristallizzazione è minimo.<br />
La temperatura del pezzo<br />
continua a scendere, ma il<br />
tempo di cristallizzazione<br />
aumenta fino a quando si è<br />
raggiunta la Tm° (temperatura<br />
minima di cristallizzazione),<br />
alla quale corrisponde<br />
ancora un tempo massimo<br />
di cristallizzazione. A<br />
temperatura inferiore alla<br />
Tm°, il pezzo non cristallizza<br />
se non in tempi molto<br />
lunghi. C’è però da tener<br />
presente che un’eventuale<br />
cristallizzazione lenta successiva<br />
porta, in ogni caso,<br />
a un invecchiamento irregolare<br />
con post ritiro e deformazioni.<br />
Da tutto ciò si può dedurre<br />
che, per ottenere un pezzo<br />
cristallino che abbia tutte le<br />
sue proprietà specifiche, è<br />
indispensabile che la temperatura<br />
del pezzo si mantenga<br />
il più possibile dentro<br />
alla zona di cristallizzazione,<br />
questo per garantire per lo<br />
meno quel 60-70% di cristallizzazione,<br />
valore che viene<br />
considerato soddisfacente.<br />
Ecco quindi la necessità<br />
di una termoregolazione<br />
accurata dello stampo. C’è<br />
un’ulteriore osservazione da<br />
fare. Se si raffredda improvvisamente<br />
il pezzo stampato,<br />
facendogli “saltare”<br />
la zona di cristallizzazione,<br />
si ottiene un pezzo amorfo<br />
e trasparente. Tale tecnica<br />
viene impiegata qualche<br />
volta per scopi particolari<br />
(si veda, per esempio, la<br />
realizzazione di preforme<br />
Fig. 3 - Diagramma<br />
di cristallizzazione<br />
trasparenti per bottiglie in<br />
PET usate per le bevande).<br />
Difetti visibili e invisibili<br />
Una termoregolazione non<br />
adeguata dello stampo<br />
comporta difetti nei pezzi<br />
finali, distinguibili in difetti<br />
visibili e invisibili. I difetti<br />
visibili sono gli stessi che<br />
si verificano per le materie<br />
plastiche amorfe. I difetti<br />
invisibili si possono classificare<br />
invece in:<br />
• perdita delle caratteristiche<br />
tecniche date da non<br />
buona cristallizzazione<br />
• ritiro non uniforme<br />
• perdita della stabilità dimensionale<br />
nel tempo,<br />
per lenta cristallizzazione<br />
successiva<br />
• post ritiro accentuato.<br />
Con i materiali cristallini, occorre<br />
inoltre considerare un<br />
altro fattore: le tensioni interne.<br />
Queste possono essere<br />
rappresentate come una<br />
molla “non tirata” quando il<br />
materiale è nella tramoggia,<br />
e come una molla “tirata”, e<br />
quindi sottoposta a tensione,<br />
nel materiale stampato<br />
(vedi figura 4). Un materiale<br />
cristallino sarebbe nelle<br />
condizioni di essere estratto<br />
dallo stampo subito al di sotto<br />
della temperatura di fusione<br />
Tf°. Ciò non viene fatto:<br />
• per permettere, come abbiamo<br />
visto, la cristallizzazione<br />
• per permettere il ritorno<br />
della molla da B ad A ed<br />
eliminare quindi le tensioni<br />
interne.<br />
La tabella 1 riassume le<br />
varie caratteristiche dei<br />
materiali amorfi e cristallini.<br />
Si tratta, logicamente, di<br />
indicazioni di massima. Nei<br />
cristallini, la fluidità e il ritiro<br />
si riducono nei rinforzati<br />
e la stabilità dimensionale<br />
è scadente nei rinforzati fibrosi.<br />
Da osservare che i materiali<br />
cristallini presentano<br />
un ritiro di stampaggio più<br />
elevato dei materiali amorfi,<br />
influenzato dal grado di<br />
cristallinità. Più il materiale<br />
è cristallizzato, maggiore è<br />
il ritiro di stampaggio. Un<br />
grande ritiro che avvenga<br />
durante lo stampaggio<br />
(dentro allo stampo) porta<br />
però a una maggiore stabilità<br />
dimensionale nel tempo,<br />
in quanto il successivo lento<br />
completamento della cristallizzazione<br />
avrà un’influenza<br />
minima sulle dimensioni del<br />
pezzo. Occorre considerare,<br />
inoltre, che solamente un<br />
pezzo sufficientemente cristallizzato<br />
mantiene le caratteristiche<br />
tecniche proprie<br />
del materiale. In tabella 2 è<br />
riportato un elenco di materie<br />
plastiche amorfe e cristalline,<br />
con l’indicazione della<br />
Termoregolatori <strong>Piovan</strong> installati<br />
in un impianto per iniezione e<br />
soffiaggio<br />
38 • tecnoplast N° 2 Marzo 2011<br />
www.tecnoedizioni.it
Materiale<br />
in tramoggia<br />
Materiale<br />
stampato<br />
Fig. 4 - Le tensioni interne in un<br />
polimero cristallino possono essere<br />
rappresentate come una molla “non<br />
tirata” quando il materiale è nella<br />
tramoggia e come una molla “tirata”,<br />
e quindi sottoposta a tensione,<br />
nel materiale stampato<br />
temperatura consigliata per<br />
lo stampo.<br />
Temperatura dello stampo<br />
Il pezzo e lo stampo devono<br />
essere realizzati in base alle<br />
proprietà e alle caratteristiche<br />
del materiale che viene<br />
impiegato. In particolare, i<br />
canali di condizionamento<br />
dello stampo devono essere<br />
studiati con attenzione per<br />
garantire la temperatura richiesta,<br />
soprattutto nei punti<br />
più delicati. La temperatura<br />
dello stampo deve essere<br />
controllata sulla superficie<br />
dell’impronta.<br />
Materiali amorfi<br />
La temperatura dello stampo<br />
è di solito bassa (inferiore<br />
a 60°C). Un suo controllo<br />
garantisce una buona trasparenza<br />
e la riduzione di<br />
tensioni interne. I produttori<br />
forniscono i dati necessari.<br />
Materiali cristallini<br />
La temperatura dello stampo<br />
varia sia in funzione della<br />
cristallinità che si vuole ottenere<br />
nel pezzo stampato sia<br />
in funzione dello spessore.<br />
Il calore deve essere fornito<br />
allo stampo in modo efficace<br />
e continuo per garantire una<br />
struttura cristallina ordinata.<br />
Le proprietà del pezzo variano<br />
in funzione della temperatura<br />
dello stampo.<br />
La temperatura influisce<br />
anche sulla stabilità dimensionale<br />
e sulle tensioni<br />
interne.<br />
Se lo stampo ha una temperatura<br />
troppo bassa, i<br />
cristalli si dispongono disordinatamente<br />
e rimangono<br />
tensioni interne nel<br />
pezzo. Se lo stampo ha una<br />
temperatura adeguata, la<br />
cristallinità sarà più “densa”,<br />
la struttura ordinata e<br />
stabile e di conseguenza<br />
saranno ridotti post ritiro e<br />
tensioni interne.<br />
La temperatura è anche<br />
funzione dello spessore del<br />
pezzo: pezzi sottili richiedono<br />
una temperatura più<br />
alta. Per quanto riguarda i<br />
dati forniti dai produttori<br />
di materiale, occorre tener<br />
presente che si riferiscono<br />
a prove di laboratorio fatte<br />
con provette che normalmente<br />
hanno uno spessore<br />
di 2-3 mm. La temperatura<br />
dello stampo influenza il<br />
ritiro.<br />
A tal proposito, occorre<br />
ricordare che il ritiro è pari<br />
alla somma del ritiro di<br />
stampaggio e del post ritiro.<br />
Il post ritiro si verifica nel<br />
tempo dopo lo stampaggio,<br />
e dipende dalla velocità di<br />
cristallizzazione dentro allo<br />
stampo. Occorre quindi una<br />
temperatura ottimale dello<br />
stampo per avere un tempo<br />
tabella 1 Principali caratteristiche di polimeri amorfi e cristallini<br />
Caratteristiche Amorfi Cristallini<br />
Struttura catene polimeriche catene polimeriche a struttura<br />
a struttura disordinata<br />
ordinata<br />
Fusione rammollimento graduale Punto di fusione netto<br />
Fluidità Bassa alta<br />
(medio alta per stireniche)<br />
Ritiro Basso alto<br />
Stabilità dimensionale Ottima discreta<br />
Aspetto ottimo (scadente sui rinforzati) Ottimo (buono sui rinforzati)<br />
Tenuta chimica discreta Buona<br />
Rigidità media alta<br />
Resistenza a trazione<br />
Buona<br />
Resistenza a fatica<br />
Buona<br />
Resistenza all’urto<br />
Buona<br />
Resistenza all’urto ripetuto<br />
Buona<br />
Trasparenza<br />
Buona<br />
ottimale di cristallizzazione.<br />
Ricottura<br />
e invecchiamento<br />
Ricottura e invecchiamento<br />
sono due trattamenti da non<br />
confondere, poiché hanno<br />
scopi completamente diversi.<br />
La ricottura serve solo per<br />
il rilassamento delle tensioni<br />
interne e non modifica la<br />
struttura del pezzo. Stabilizzerà<br />
quindi il pezzo sia che<br />
sia stato stampato bene sia<br />
che sia stato stampato male.<br />
L’invecchiamento serve,<br />
invece, per il completamento<br />
della cristallizzazione e<br />
quindi modifica la struttura.<br />
La ricottura si ottiene mantenendo<br />
il pezzo a una temperatura<br />
superiore alla temperatura<br />
di cristallizzazione<br />
per un determinato tempo.<br />
L’invecchiamento si ottiene,<br />
anche in tempi lunghi,<br />
mantenendo il pezzo a una<br />
temperatura prossima a<br />
quella ottimale di cristallizzazione.<br />
I produttori di materie<br />
plastiche forniscono,<br />
comunque, i dati sia per la<br />
ricottura sia per l’invecchiamento.<br />
tabella 2 Temperatura consigliata per<br />
lo stampo nella lavorazione di alcune materie<br />
plastiche amorfe e cristalline<br />
Polimero (sigla) Amorfo Cristallino °C stampo<br />
ABS X 40-85<br />
ASA X 40-80<br />
CA X 40-90<br />
CAB X 40-70<br />
CP X 40-70<br />
ECTFE X 120-150<br />
EFTE X 80-150<br />
ETP-COP X 40-70<br />
ETP-SBC X 20-70<br />
ETP-TPO X 10-40<br />
EVA X 20-90<br />
FEP X 205-230<br />
LCP X 180-210<br />
PA X 40-80<br />
PB X 40-80<br />
PBT X 40-90<br />
PC X 80-120<br />
PCTFE X 120-150<br />
PE X 20-60<br />
PEEK X 170-180<br />
PEI X 95<br />
PEK X 180-190<br />
PES X 100-180<br />
PET X 110-190<br />
PETG X
TEORIA DI PROCESSO<br />
La termoregolazione<br />
degli stampi<br />
➼<br />
che è nullo. I difetti si possono<br />
così riassumere:<br />
• l’equilibrio non si raggiunge<br />
in breve tempo (circa<br />
un’ora)<br />
• nel frattempo si sono prodotti<br />
pezzi scarti<br />
• la temperatura d’equilibrio<br />
è variabile e soprattutto<br />
non prevedibile, quindi può<br />
anche essere non idonea<br />
• la temperatura dello stampo<br />
dipende dalla temperatura<br />
d’iniezione e dallo<br />
spessore del pezzo.<br />
Regolatori<br />
della portata dell’acqua<br />
di raffreddamento<br />
A parte il consumo dell’acqua,<br />
che solitamente è a<br />
perdere, il costo non è eccessivo.<br />
Nel circuito di raffreddamento<br />
viene regolata, allo<br />
scarico, la portata dell’acqua.<br />
Varia il salto di temperatura<br />
e quindi la temperatura<br />
dell’acqua; di conseguenza,<br />
varia la temperatura dello<br />
stampo. Si ha però una notevole<br />
difficoltà sia di regolazione<br />
sia di riproducibilità.<br />
Anche in questo caso, si<br />
producono pezzi di scarto<br />
prima di raggiungere l’equilibrio<br />
che, in ogni caso, si<br />
raggiunge dopo circa un’ora<br />
di produzione. Alcune volte,<br />
per accelerare il riscaldamento<br />
iniziale, si aggiungono<br />
cartucce riscaldanti poste<br />
dentro allo stampo. Vi sono,<br />
in ogni caso, notevoli difficoltà<br />
per equilibrare il tutto.<br />
Gruppi<br />
di termoregolazione<br />
Spesso è necessario termostatare<br />
gli stampi a una<br />
temperatura compresa fra<br />
20 e 40°C. A tali temperature,<br />
un termoregolatore<br />
normale (si veda seconda<br />
parte di questo articolo su<br />
Tecnoplast di aprile 2011,<br />
ndr) è carente poiché le rese<br />
degli scambiatori di calore<br />
sono molto basse. Inoltre,<br />
non è consigliabile lavorare<br />
direttamente con un refrigeratore<br />
a una temperatura<br />
superiore a 20°C. Si utilizza<br />
allora uno speciale gruppo di<br />
termoregolazione (vedi figura<br />
5) che è costituito da:<br />
• elettropompa ausiliaria (1)<br />
• valvola motorizzata a tre<br />
vie (modulante/miscelatrice)<br />
(3)<br />
• cassetta di comando e<br />
controllo (6)<br />
• sonda controllo temperatura<br />
(7)<br />
• valvola by-pass (4)<br />
• valvola di intercettazione<br />
(5).<br />
La sonda di controllo può<br />
essere applicata sia sullo<br />
stampo sia a monte o a valle<br />
dello stesso. Le valvole (4 e<br />
5) servono per la manutenzione<br />
dell’elettropompa (1) e<br />
della valvola modulante (3).<br />
Fig. 5 - Gruppo<br />
di termoregolazione<br />
per<br />
temperature<br />
da 20 a 40°C<br />
L’acqua può essere prelevata<br />
sia dalla rete di distribuzione<br />
sia da un gruppo<br />
di refrigerazione (trattato<br />
anche questo sul prossimo<br />
numero, ndr). Quando con<br />
la sonda (7) si richiede una<br />
temperatura superiore a<br />
quella dell’acqua prelevata,<br />
interviene la valvola modulante<br />
(3) che apre la “via<br />
d’angolo” riciclando parte<br />
dell’acqua in uscita dallo<br />
stampo. Il gruppo di termoregolazione/miscelazione<br />
lavora<br />
a portata costante data<br />
dall’elettropompa. La linea<br />
primaria è, invece, un circuito<br />
a portata variabile che è<br />
funzione della quantità d’acqua<br />
riciclata dalla valvola a<br />
tre vie. Se si usa pertanto<br />
un gruppo di refrigerazione,<br />
sarà necessario prevedere<br />
un by-pass automatico per<br />
garantire la costanza della<br />
portata nell’evaporatore del<br />
gruppo di refrigerazione.<br />
40 • tecnoplast N° 2 Marzo 2011<br />
www.tecnoedizioni.it