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NOVITÀ DA TECNOEDIZIONI
Uno spazio ad hoc per gli stampisti
Raccogliendo l’invito di molti lettori ad approfondire le tematiche legate allo stampaggio a iniezione,
in occasione della partecipazione alla fiera Eurostampi (Parma, 24-26 marzo 2011) Tecnoplast lancia
una sezione speciale dedicata al mondo degli stampi per la trasformazione di materiali plastici ed elastomeri
TEORIA DI PROCESSO
Parte 1
La
termoregolazione
degli stampi
In questo primo articolo dedicato al condizionamento degli stampi si
analizzano i differenti comportamenti al crescere della temperatura dei
polimeri amorfi e cristallini. Conoscere tali comportamenti è di fondamentale
importanza per una corretta regolazione della temperatura stampo. Sul
prossimo numero (seconda e ultima parte dedicata a questo argomento) si
entrerà poi nel merito delle caratteristiche dei termoregolatori
Per una buona trasformazione
delle materie
plastiche mediante
stampaggio a iniezione, gli
stampi devono essere termoregolati
con accuratezza
alle temperature richieste,
differenti a seconda dei
polimeri impiegati. Occorre
però tener presente che,
con l’impiego di materie plastiche
che richiedono una
temperatura dello stampo
medio-alta, una mancata
termoregolazione comporta
nei pezzi stampati inconvenienti
di entità maggiore,
con conseguenze tecniche
spesso inaccettabili.
È necessario quindi porre
maggiore attenzione alle
apparecchiature per temperature
medio-alte. Le apparecchiature
per temperature
basse (20-40°C), invece, si
riducono il più delle volte a
semplici regolatori di portata
d’acqua. Fra le varie classificazioni
delle materie plastiche,
è importante quella
che le suddivide in amorfe
(catene polimeriche a struttura
disordinata) e cristalline
(catene polimeriche a struttura
ordinata).
a cura di
zionale. Si raggiunge così
la temperatura di rammollimento
(Tg°) e, proseguendo
a fornire calore, la temperatura
aumenta, sempre
proporzionalmente al calore
fornito, fino a raggiungere la
temperatura d’iniezione.
Nello stampo il pezzo si raffredda
più o meno rapidamente
fino a raggiungere la
temperatura di estrazione,
che sarà logicamente inferiore
alla Tg°. Lo stampo dovrà
essere mantenuto a una
temperatura ottimale per
evitare gli inconvenienti che
si potranno avere con una
temperatura non adeguata.
Infatti una temperatura
troppo bassa dello stampo
porta a:
• segni di materozze
• “buccia d’arancio” superficiale
• pezzi incompleti
• bolle
• aspetto opaco
• linee di saldatura deboli
• formazione di strati interni
al pezzo.
Una temperatura troppo alta
dello stampo porta invece a:
• sbavature
• fenomeni di risucchio sulla
superficie
• risucchi interni
• incollatura dei pezzi allo
stampo.
Tutti questi sono “difetti visibili”.
I materiali amorfi, infatti,
non presentano difetti
“invisibili”, che sono propri
dei materiali cristallini. La
temperatura dello stampo
varia poi in funzione del tipo
di materiale, delle condizioni
di stampaggio e di come si
desidera sia il pezzo finito.
Materie plastiche
cristalline (o
semicristalline)
I polimeri cristallini sono caratterizzati
da una temperatura
di fusione (Tf°) e si comportano
pertanto più o meno
come i metalli. Si tratta di
materie plastiche opache.
Materie plastiche amorfe
I polimeri amorfi sono caratterizzati
da una temperatura
di rammollimento,
detta anche temperatura di
transizione vetrosa (Tg) per
l’analogo comportamento
del vetro. Sono materie plastiche
trasparenti. Prendiamo
in esame il diagramma
di figura 1 che mostra la
variazione della temperatura
in funzione delle calorie fornite.
Fornendo il calore (Q),
la temperatura del polimero
aumenta in modo proporwww.tecnoedizioni.it
N° 2 Marzo 2011
tecnoplast • 37

TEORIA DI PROCESSO
La termoregolazione
degli stampi
➼
Osserviamo ora l’andamento
del diagramma di figura 2
che indica la variazione della
temperatura in funzione del
calore fornito.
Fornendo il calore (Q) la temperatura
aumenta proporzionalmente
fino al raggiungimento
della temperatura di
fusione (Tf°). Continuando a
fornire calore, la temperatura
rimane praticamente costante,
finché la fusione non
è completata. Il calore fornito
per la fusione (con temperatura
praticamente costante)
è il classico “calore latente di
fusione”. Continuando a fornire
calore, la temperatura
cresce in proporzione al calore
fornito fino a raggiungere
la temperatura d’iniezione
(Ti°). Occorre tener presente
che granulo e pezzi stampati
non sono completamente
cristallini (si parla infatti più
propriamente di semicristallini).
Il granulo vergine
Fig. 1 - Polimeri amorfi - Variazione
della temperatura in funzione delle
calorie fornite
Fig. 2 - Polimeri cristallini -
Variazione della temperatura
in funzione del calore fornito
viene normalmente fornito
cristallizzato al 90-95%. Per i
pezzi stampati si può parlare
di cristallizzazione “buona”
quando si raggiunge il 60-
70%. Il materiale contiene
sempre una parte cristallina
e una parte amorfa. La parte
amorfa avrà la sua temperatura
di transizione vetrosa
Tg°, che sarà inferiore alla
Tf°. In totale, quindi, le
temperature che caratterizzano
le materie plastiche
cristalline (semicristalline)
sono tre e precisamente:
Tg° per la parte amorfa, Tf°
per la parte cristallina e Ti°.
È utile quindi analizzare il
diagramma di cristallizzazione
mostrato in figura
3, caratteristico per ogni
tipo di materiale. In ascissa
è indicata la temperatura,
mentre in ordinata il tempo
di cristallizzazione. La zona
di cristallizzazione è compresa
fra una temperatura
massima e una minima. Al
di sopra della temperatura
massima e al di sotto della
minima, il materiale non cristallizza.
Il tempo di cristallizzazione
è massimo in corrispondenza
della temperatura
massima e minima, e
minimo in corrispondenza
della temperatura ottimale.
Dentro allo stampo, la temperatura
del pezzo iniettato
alla Ti° scende fino a raggiungere
la TM°, (temperatura
massima di cristallizzazione).
Al di sopra della
TM° il pezzo non cristallizza.
Alla temperatura TM°,
il pezzo cristallizza in un
tempo elevato. La temperatura
del pezzo dentro allo
stampo continua a diminuire
e diminuisce pure il tempo
di cristallizzazione, fino
a quando, raggiunta la To°
(temperatura ottimale di
cristallizzazione) il tempo di
cristallizzazione è minimo.
La temperatura del pezzo
continua a scendere, ma il
tempo di cristallizzazione
aumenta fino a quando si è
raggiunta la Tm° (temperatura
minima di cristallizzazione),
alla quale corrisponde
ancora un tempo massimo
di cristallizzazione. A
temperatura inferiore alla
Tm°, il pezzo non cristallizza
se non in tempi molto
lunghi. C’è però da tener
presente che un’eventuale
cristallizzazione lenta successiva
porta, in ogni caso,
a un invecchiamento irregolare
con post ritiro e deformazioni.
Da tutto ciò si può dedurre
che, per ottenere un pezzo
cristallino che abbia tutte le
sue proprietà specifiche, è
indispensabile che la temperatura
del pezzo si mantenga
il più possibile dentro
alla zona di cristallizzazione,
questo per garantire per lo
meno quel 60-70% di cristallizzazione,
valore che viene
considerato soddisfacente.
Ecco quindi la necessità
di una termoregolazione
accurata dello stampo. C’è
un’ulteriore osservazione da
fare. Se si raffredda improvvisamente
il pezzo stampato,
facendogli “saltare”
la zona di cristallizzazione,
si ottiene un pezzo amorfo
e trasparente. Tale tecnica
viene impiegata qualche
volta per scopi particolari
(si veda, per esempio, la
realizzazione di preforme
Fig. 3 - Diagramma
di cristallizzazione
trasparenti per bottiglie in
PET usate per le bevande).
Difetti visibili e invisibili
Una termoregolazione non
adeguata dello stampo
comporta difetti nei pezzi
finali, distinguibili in difetti
visibili e invisibili. I difetti
visibili sono gli stessi che
si verificano per le materie
plastiche amorfe. I difetti
invisibili si possono classificare
invece in:
• perdita delle caratteristiche
tecniche date da non
buona cristallizzazione
• ritiro non uniforme
• perdita della stabilità dimensionale
nel tempo,
per lenta cristallizzazione
successiva
• post ritiro accentuato.
Con i materiali cristallini, occorre
inoltre considerare un
altro fattore: le tensioni interne.
Queste possono essere
rappresentate come una
molla “non tirata” quando il
materiale è nella tramoggia,
e come una molla “tirata”, e
quindi sottoposta a tensione,
nel materiale stampato
(vedi figura 4). Un materiale
cristallino sarebbe nelle
condizioni di essere estratto
dallo stampo subito al di sotto
della temperatura di fusione
Tf°. Ciò non viene fatto:
• per permettere, come abbiamo
visto, la cristallizzazione
• per permettere il ritorno
della molla da B ad A ed
eliminare quindi le tensioni
interne.
La tabella 1 riassume le
varie caratteristiche dei
materiali amorfi e cristallini.
Si tratta, logicamente, di
indicazioni di massima. Nei
cristallini, la fluidità e il ritiro
si riducono nei rinforzati
e la stabilità dimensionale
è scadente nei rinforzati fibrosi.
Da osservare che i materiali
cristallini presentano
un ritiro di stampaggio più
elevato dei materiali amorfi,
influenzato dal grado di
cristallinità. Più il materiale
è cristallizzato, maggiore è
il ritiro di stampaggio. Un
grande ritiro che avvenga
durante lo stampaggio
(dentro allo stampo) porta
però a una maggiore stabilità
dimensionale nel tempo,
in quanto il successivo lento
completamento della cristallizzazione
avrà un’influenza
minima sulle dimensioni del
pezzo. Occorre considerare,
inoltre, che solamente un
pezzo sufficientemente cristallizzato
mantiene le caratteristiche
tecniche proprie
del materiale. In tabella 2 è
riportato un elenco di materie
plastiche amorfe e cristalline,
con l’indicazione della
Termoregolatori Piovan installati
in un impianto per iniezione e
soffiaggio
38 • tecnoplast N° 2 Marzo 2011
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Materiale
in tramoggia
Materiale
stampato
Fig. 4 - Le tensioni interne in un
polimero cristallino possono essere
rappresentate come una molla “non
tirata” quando il materiale è nella
tramoggia e come una molla “tirata”,
e quindi sottoposta a tensione,
nel materiale stampato
temperatura consigliata per
lo stampo.
Temperatura dello stampo
Il pezzo e lo stampo devono
essere realizzati in base alle
proprietà e alle caratteristiche
del materiale che viene
impiegato. In particolare, i
canali di condizionamento
dello stampo devono essere
studiati con attenzione per
garantire la temperatura richiesta,
soprattutto nei punti
più delicati. La temperatura
dello stampo deve essere
controllata sulla superficie
dell’impronta.
Materiali amorfi
La temperatura dello stampo
è di solito bassa (inferiore
a 60°C). Un suo controllo
garantisce una buona trasparenza
e la riduzione di
tensioni interne. I produttori
forniscono i dati necessari.
Materiali cristallini
La temperatura dello stampo
varia sia in funzione della
cristallinità che si vuole ottenere
nel pezzo stampato sia
in funzione dello spessore.
Il calore deve essere fornito
allo stampo in modo efficace
e continuo per garantire una
struttura cristallina ordinata.
Le proprietà del pezzo variano
in funzione della temperatura
dello stampo.
La temperatura influisce
anche sulla stabilità dimensionale
e sulle tensioni
interne.
Se lo stampo ha una temperatura
troppo bassa, i
cristalli si dispongono disordinatamente
e rimangono
tensioni interne nel
pezzo. Se lo stampo ha una
temperatura adeguata, la
cristallinità sarà più “densa”,
la struttura ordinata e
stabile e di conseguenza
saranno ridotti post ritiro e
tensioni interne.
La temperatura è anche
funzione dello spessore del
pezzo: pezzi sottili richiedono
una temperatura più
alta. Per quanto riguarda i
dati forniti dai produttori
di materiale, occorre tener
presente che si riferiscono
a prove di laboratorio fatte
con provette che normalmente
hanno uno spessore
di 2-3 mm. La temperatura
dello stampo influenza il
ritiro.
A tal proposito, occorre
ricordare che il ritiro è pari
alla somma del ritiro di
stampaggio e del post ritiro.
Il post ritiro si verifica nel
tempo dopo lo stampaggio,
e dipende dalla velocità di
cristallizzazione dentro allo
stampo. Occorre quindi una
temperatura ottimale dello
stampo per avere un tempo
tabella 1 Principali caratteristiche di polimeri amorfi e cristallini
Caratteristiche Amorfi Cristallini
Struttura catene polimeriche catene polimeriche a struttura
a struttura disordinata
ordinata
Fusione rammollimento graduale Punto di fusione netto
Fluidità Bassa alta
(medio alta per stireniche)
Ritiro Basso alto
Stabilità dimensionale Ottima discreta
Aspetto ottimo (scadente sui rinforzati) Ottimo (buono sui rinforzati)
Tenuta chimica discreta Buona
Rigidità media alta
Resistenza a trazione
Buona
Resistenza a fatica
Buona
Resistenza all’urto
Buona
Resistenza all’urto ripetuto
Buona
Trasparenza
Buona
ottimale di cristallizzazione.
Ricottura
e invecchiamento
Ricottura e invecchiamento
sono due trattamenti da non
confondere, poiché hanno
scopi completamente diversi.
La ricottura serve solo per
il rilassamento delle tensioni
interne e non modifica la
struttura del pezzo. Stabilizzerà
quindi il pezzo sia che
sia stato stampato bene sia
che sia stato stampato male.
L’invecchiamento serve,
invece, per il completamento
della cristallizzazione e
quindi modifica la struttura.
La ricottura si ottiene mantenendo
il pezzo a una temperatura
superiore alla temperatura
di cristallizzazione
per un determinato tempo.
L’invecchiamento si ottiene,
anche in tempi lunghi,
mantenendo il pezzo a una
temperatura prossima a
quella ottimale di cristallizzazione.
I produttori di materie
plastiche forniscono,
comunque, i dati sia per la
ricottura sia per l’invecchiamento.
tabella 2 Temperatura consigliata per
lo stampo nella lavorazione di alcune materie
plastiche amorfe e cristalline
Polimero (sigla) Amorfo Cristallino °C stampo
ABS X 40-85
ASA X 40-80
CA X 40-90
CAB X 40-70
CP X 40-70
ECTFE X 120-150
EFTE X 80-150
ETP-COP X 40-70
ETP-SBC X 20-70
ETP-TPO X 10-40
EVA X 20-90
FEP X 205-230
LCP X 180-210
PA X 40-80
PB X 40-80
PBT X 40-90
PC X 80-120
PCTFE X 120-150
PE X 20-60
PEEK X 170-180
PEI X 95
PEK X 180-190
PES X 100-180
PET X 110-190
PETG X

TEORIA DI PROCESSO
La termoregolazione
degli stampi
➼
che è nullo. I difetti si possono
così riassumere:
• l’equilibrio non si raggiunge
in breve tempo (circa
un’ora)
• nel frattempo si sono prodotti
pezzi scarti
• la temperatura d’equilibrio
è variabile e soprattutto
non prevedibile, quindi può
anche essere non idonea
• la temperatura dello stampo
dipende dalla temperatura
d’iniezione e dallo
spessore del pezzo.
Regolatori
della portata dell’acqua
di raffreddamento
A parte il consumo dell’acqua,
che solitamente è a
perdere, il costo non è eccessivo.
Nel circuito di raffreddamento
viene regolata, allo
scarico, la portata dell’acqua.
Varia il salto di temperatura
e quindi la temperatura
dell’acqua; di conseguenza,
varia la temperatura dello
stampo. Si ha però una notevole
difficoltà sia di regolazione
sia di riproducibilità.
Anche in questo caso, si
producono pezzi di scarto
prima di raggiungere l’equilibrio
che, in ogni caso, si
raggiunge dopo circa un’ora
di produzione. Alcune volte,
per accelerare il riscaldamento
iniziale, si aggiungono
cartucce riscaldanti poste
dentro allo stampo. Vi sono,
in ogni caso, notevoli difficoltà
per equilibrare il tutto.
Gruppi
di termoregolazione
Spesso è necessario termostatare
gli stampi a una
temperatura compresa fra
20 e 40°C. A tali temperature,
un termoregolatore
normale (si veda seconda
parte di questo articolo su
Tecnoplast di aprile 2011,
ndr) è carente poiché le rese
degli scambiatori di calore
sono molto basse. Inoltre,
non è consigliabile lavorare
direttamente con un refrigeratore
a una temperatura
superiore a 20°C. Si utilizza
allora uno speciale gruppo di
termoregolazione (vedi figura
5) che è costituito da:
• elettropompa ausiliaria (1)
• valvola motorizzata a tre
vie (modulante/miscelatrice)
(3)
• cassetta di comando e
controllo (6)
• sonda controllo temperatura
(7)
• valvola by-pass (4)
• valvola di intercettazione
(5).
La sonda di controllo può
essere applicata sia sullo
stampo sia a monte o a valle
dello stesso. Le valvole (4 e
5) servono per la manutenzione
dell’elettropompa (1) e
della valvola modulante (3).
Fig. 5 - Gruppo
di termoregolazione
per
temperature
da 20 a 40°C
L’acqua può essere prelevata
sia dalla rete di distribuzione
sia da un gruppo
di refrigerazione (trattato
anche questo sul prossimo
numero, ndr). Quando con
la sonda (7) si richiede una
temperatura superiore a
quella dell’acqua prelevata,
interviene la valvola modulante
(3) che apre la “via
d’angolo” riciclando parte
dell’acqua in uscita dallo
stampo. Il gruppo di termoregolazione/miscelazione
lavora
a portata costante data
dall’elettropompa. La linea
primaria è, invece, un circuito
a portata variabile che è
funzione della quantità d’acqua
riciclata dalla valvola a
tre vie. Se si usa pertanto
un gruppo di refrigerazione,
sarà necessario prevedere
un by-pass automatico per
garantire la costanza della
portata nell’evaporatore del
gruppo di refrigerazione.
40 • tecnoplast N° 2 Marzo 2011
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