Nel mondo della produzione di parti in plastica, ogni processo, che si tratti di stampaggio a iniezione, lavorazione o estrusione, ha un posto importante. La confusione su questi processi persiste in molti settori. Questa confusione può avere effetti profondi sul prodotto finale, sia in termini di costi che di prestazioni. Fortunatamente, la scelta del materiale e del processo giusto per un particolare ciclo di produzione di un componente non è difficile con alcuni consigli degli esperti di materie plastiche. Con una manciata di domande e un po’ di conoscenza dei processi, un ingegnere non dovrebbe avere problemi a ottenere un pezzo che offra prestazioni elevate a un costo mirato.Nel mondo della fabbricazione di pezzi in plastica, ogni processo, che si tratti di stampaggio a iniezione, lavorazione o estrusione, ha un posto importante. La confusione su questi processi persiste in molti settori. Questa confusione può avere effetti profondi sul prodotto finale, sia in termini di costi che di prestazioni. Fortunatamente, la scelta del materiale e del processo giusto per un particolare ciclo di produzione di un componente non è difficile con alcuni consigli degli esperti di materie plastiche. Con una manciata di domande e un po’ di conoscenza dei processi, un ingegnere non dovrebbe avere problemi a ottenere un pezzo che offra prestazioni elevate a un costo mirato.

Considerazioni sulla progettazione

Prima di scegliere un processo o una resina con cui lavorare, è necessario capire alcune cose. Questi includono:

  1. Requisiti prestazionali – Cosa dovrà fare il componente una volta installato e che tipo di forze e sollecitazioni dovrà sopportare?
  2. Attributi dimensionali – Quali sono le dimensioni e la forma richieste del componente fabbricato e quali sono le qualità superficiali necessarie?
  3. Costo target – Con che tipo di budget si può lavorare? In che modo il budget può massimizzare le prestazioni dei pezzi rimanendo al di sotto o al di sotto dell’obiettivo?

Per gli ingegneri progettisti, i primi due sono elementari e non richiedono altro che conoscenze applicate per rispondere. Tuttavia, il costo è un aspetto che raramente viene compreso bene. Questo perché in molti settori è diffusa la convinzione che i componenti in plastica siano sempre meno costosi di quelli realizzati con altri materiali, in particolare il metallo. È un’ipotesi sbagliata. Molti polimeri ad alte prestazioni sono molto più costosi, in termini di volume, delle leghe metalliche più costose. Sebbene le opzioni di processo, come lo stampaggio a iniezione, offrano la possibilità di stampare fino alla forma finale, contribuendo a ridurre i costi unitari di produzione, gli ingegneri devono tenere conto del costo dello stampo stesso. Spesso si ritiene che lo stampaggio a iniezione sia un’opzione economicamente vantaggiosa, perché il volume previsto di un ciclo di produzione fa scendere il costo per pezzo. Tuttavia, gli stampi devono essere lavorati con metalli estremamente resistenti per sopportare migliaia di pezzi, il che può far lievitare inaspettatamente i costi totali del progetto.

Anche se lo stampaggio a iniezione può essere il processo giusto anche se si considerano i costi, è bene ricordare che la lavorazione dei componenti da forme a stock riduce la necessità di utensili costosi e accelera la consegna dei pezzi iniziali. Inoltre, la lavorazione mantiene un vantaggio di precisione, che spesso porta a migliori prestazioni e versatilità dimensionale.

Selezione di un materiale

Sono disponibili centinaia di resine, la maggior parte delle quali è disponibile in diversi gradi e viscosità. Restringere questo ampio campo a poche resine, gradi e viscosità selezionate è la missione principale della selezione dei materiali, ma per arrivarci è necessario rispondere a diverse domande importanti.

Un materiale viene selezionato per la sua capacità di fornire diverse caratteristiche prestazionali in presenza di diversi fattori di stress ambientale. Alcune di queste caratteristiche di prestazione includono la forza, la resistenza all’usura e la trasparenza, mentre i fattori di stress ambientale possono includere temperature estreme, forze abrasive o di impatto, sostanze chimiche corrosive e luce solare. Queste sono le domande che vengono comunemente poste ai fornitori di polimeri:

  1. Si tratta di un componente soggetto a forte usura o di un componente strutturale?
  2. A quale intervallo di temperatura opererà il componente?
  3. Quali fattori di stress ambientale devono essere presi in considerazione?
  4. Quali sono i requisiti minimi di resistenza che il pezzo deve soddisfare?
  5. Ci sono requisiti estetici, come il colore o la trasparenza?

Le risposte a queste domande saranno determinanti per restringere il campo dei polimeri candidati.

Tuttavia, questo è solo l’inizio, poiché ogni resina è disponibile in una varietà di gradi che influiscono sulle prestazioni. Ogni grado è prodotto con una composizione diversa e la composizione della resina deve essere attentamente considerata. Ecco una rapida rassegna dei diversi gradi e delle loro caratteristiche:

  1. Resine rinforzate con vetro o carbonio – Questi gradi sono progettati per garantire resistenza e rigidità superiori. Offrono inoltre una forte stabilità dimensionale.
  2. Gradi di usura che contengono grafite e PTFE – Questi gradi sono progettati per la massima resistenza all’usura e producono poco attrito.
  3. Gradi non caricati o rinforzati con vetro – Questi gradi offrono un isolamento termico o elettrico superiore, che li rende una scelta ideale per gli isolatori.
  4. Gradi non rinforzati – Questi gradi offrono la migliore resistenza chimica e, se il livello massimo di sollecitazione è sufficientemente basso, possono anche offrire un’eccellente resistenza alla fatica.

Selezione di un processo

A questo punto, la selezione del grado è per lo più decisa, ma la resina finale scelta dipenderà anche dal processo selezionato. I progettisti devono tenere presente che la selezione del processo influenza la scelta della resina e può avere un impatto notevole sul costo del progetto, oltre che sulle prestazioni dei pezzi. Anche in questo caso è necessario un rapido riepilogo, questa volta tra stampaggio a iniezione e lavorazione:

  1. Quando scegliere la lavorazione meccanica – Se i pezzi devono essere fabbricati in grandi dimensioni (spessore delle pareti superiore a 0,5″ o 12 mm), la lavorazione meccanica è la scelta giusta. Inoltre, se la resistenza agli urti e la tenacità sono prioritarie, o se i pezzi devono essere fabbricati con tolleranze ristrette e senza alcuna stesura, la lavorazione meccanica è la soluzione più sensata. Infine, se la produzione si limita a piccole serie (meno di 5.000 pezzi o meno in un solo anno), la lavorazione meccanica è un’opzione economicamente vantaggiosa.
  2. Quando scegliere lo stampaggio a iniezione – Se i pezzi sono progettati con caratteristiche difficili da lavorare o se sono necessarie grandi produzioni (più di 5.000 pezzi all’anno), lo stampaggio a iniezione è la scelta giusta.

Anche dopo la scelta della resina e del processo, potrebbe essere necessaria una messa a punto. A tal fine sarà probabilmente necessario il contributo del fornitore o del produttore di polimeri.

Un problema comune si presenta quando una resina non progettata per la lavorazione viene comunque scelta per la lavorazione. Le forme estruse sono quasi sempre prodotte con resine ad alta viscosità, in quanto offrono una rigidità e una resistenza superiori sia durante che dopo la lavorazione di estrusione. Se la lavorazione è il processo di produzione preferito, assicurarsi che venga scelta una resina ad alta viscosità, in modo da garantire la produzione di forme in stock da lavorare. Può essere difficile decifrare la nomenclatura del settore senza una guida professionale. Ad esempio, alcuni polimeri, come il Torlon 4203, indicano con una L i gradi a bassa viscosità designati per lo stampaggio a iniezione di parti a parete sottile. La maggior parte dei gradi di polimeri sono identificati anche da un numero, con una serie numerica specifica riservata alle resine a bassa viscosità. Un esempio è il PEEK Victrex di grado 150, che è un grado a bassa viscosità per pezzi stampati a iniezione con pareti sottili, mentre il grado 450 ha una viscosità più elevata ed è destinato a pezzi con sezioni trasversali più spesse e a tutte le forme estruse.

In breve, lo stampaggio a iniezione è la via di conversione più rapida ed efficiente, ma può presentare delle difficoltà, in particolare per quanto riguarda i costi di avviamento e i tempi di consegna. La lavorazione dei pezzi da forme estruse può essere la via più veloce per la prototipazione dei pezzi, ma merita di essere presa in considerazione anche una volta che i pezzi diventano di produzione standard. Il materiale scelto può sembrare lo stesso e può persino portare lo stesso nome commerciale di resina, ma le differenze di processo e le differenze di qualità apparentemente sottili possono portare a risultati inaspettati quando queste considerazioni vengono ignorate. La strada più sicura è quella di coinvolgere il vostro trasformatore il più presto possibile nel processo di selezione del materiale. La loro esperienza e comprensione dei numerosi tipi di polimero è preziosa e deve essere presa in considerazione prima che un disegno ingegneristico venga rilasciato per la produzione.

Una nota finale sulle fasi di produzione

Molti ingegneri progettisti si sono sentiti frustrati durante la transizione dei pezzi tra lo stampaggio a iniezione e la lavorazione. L’utilizzo della stessa resina non garantisce prestazioni uguali. Ad esempio, i prototipi lavorati a macchina funzionano benissimo, ma i pezzi di produzione stampati a iniezione no, e i pezzi stampati a iniezione costano decine di migliaia di dollari in più rispetto ai pezzi lavorati a macchina che funzionano meglio. È importante che un ingegnere progettista conosca bene le caratteristiche di entrambi i processi e le differenze sostanziali tra i processi e le resine considerate. Oltre a quelle già citate, queste differenze possono includere l’orientamento delle fibre, la lunghezza delle fibre, gli agenti di accoppiamento, gli additivi coloranti, i tassi di usura, la tenacità e una serie di altri attributi prestazionali.

La scelta del materiale e del processo quando si progetta con le materie plastiche può essere complicata, ma con una considerazione integrata del materiale e del processo si massimizzano le opportunità di successo della progettazione.