Che cos'è lo stampaggio ad iniezione di materie plastiche e come funziona?

Secondo alcuni esperti, nel 2024 verranno stampate a iniezione 5.9 milioni di tonnellate di prodotti in plastica. Entro il 2029, si prevede che questo valore raggiungerà i 7.24 milioni di tonnellate. Data l' enorme popolarità odierna dei prodotti in plastica stampati a iniezione, ciò non dovrebbe sorprendere.

In questo articolo esaminiamo in dettaglio lo stampaggio a iniezione di materie plastiche , comprese le fasi del processo, i componenti delle macchine, i materiali utilizzati e altro ancora. Analizzeremo anche come lo stampaggio a iniezione si confronti con la stampa 3D, processo sempre più diffuso.

Cos'è lo stampaggio ad iniezione di materie plastiche?    

Lo stampaggio a iniezione di materie plastiche è un processo di formatura in cui un materiale plastico viene trasformato in uno stato fuso e iniettato in uno stampo sigillato ermeticamente. Il materiale fuso rimane all'interno dello stampo fino a quando non si solidifica e assume la forma dello stampo stesso, formando il componente in plastica.

Lo stampaggio a iniezione può essere utilizzato per fabbricare prodotti utilizzando diversi polimeri , tra cui termoindurenti ed elastomeri. Tuttavia, questo processo è principalmente associato ai termoplastici.

Le aziende che utilizzano o vendono prodotti in plastica possono scegliere tra una vasta gamma di processi di produzione , tra cui stampaggio a compressione , stampaggio a soffiaggio, estrusione e stampaggio rotazionale. Tuttavia, lo stampaggio a iniezione è più diffuso grazie a vantaggi quali:

• Complessità del progetto: Lo stampaggio a iniezione può essere utilizzato per produrre parti con un elevato grado di dettaglio e complessità. Ciò è dovuto alla natura del processo, oltre ai progressi compiuti nella progettazione e nella lavorazione degli stampi.

• Consistenza: Lo stampaggio a iniezione consente un controllo più rigoroso dei parametri di processo. Un singolo stampo può essere utilizzato per produrre milioni di parti con poche variazioni tra loro. 

• Costo unitario basso: Lo stampaggio a iniezione ha un costo unitario molto basso se utilizzato per la produzione di massa. Questo perché il costo di un singolo stampo, il componente più costoso, può essere ripartito su milioni di singoli pezzi.

• Qualità: Grazie al controllo più rigoroso del processo e all'elevato grado di automazione, lo stampaggio a iniezione consente di ottenere prodotti di qualità superiore rispetto ad altri processi di formatura della plastica.

• Efficienza energetica e dei materiali: Se utilizzato per la produzione di massa, lo stampaggio a iniezione utilizza pochissima energia per produrre ciascuna parte. Inoltre gli stampi chiusi comportano uno spreco di materiale minimo.

Processo di fabbricazione dello stampaggio a iniezione di plastica

Il processo di stampaggio a iniezione di materie plastiche può essere riassunto nelle cinque fasi seguenti . Data la natura ciclica della produzione, alcune fasi si svolgono contemporaneamente. Ciò velocizza il processo e riduce i tempi di produzione.

N. 1: alimentazione del materiale 

La materia prima plastica viene introdotta nel cilindro della macchina tramite una tramoggia. Il materiale si presenta solitamente sotto forma di granuli e può essere vergine, riciclato o una miscela dei due.

All'interno del cilindro, i granuli di plastica vengono fusi dalla combinazione della pressione esercitata dalla vite e del calore proveniente dagli elementi riscaldanti esterni al cilindro. La temperatura del materiale fuso deve essere controllata con precisione per garantire che il pezzo possa essere iniettato e formato in modo efficiente.

N. 2: Bloccaggio dello stampo

Le diverse parti dello stampo vengono serrate insieme sotto forte pressione. La cavità all'interno dello stampo serrato determinerà la forma del prodotto finale. Lo stampo deve essere serrato ad alta pressione per impedire che il materiale fuso fuoriesca dalla cavità.

N. 3: Iniezione nello stampo

Quando la plastica fusa raggiunge l'estremità del cilindro , il canale di iniezione si apre e il materiale fuso presente nella parte anteriore del cilindro viene spinto ad alta pressione nella cavità dello stampo. Ciò avviene grazie al movimento in avanti della vite alternativa.

La pressione di bloccaggio e di iniezione deve essere bilanciata per limitare il bava (trabocco del materiale).

# 4: Mantenimento e raffreddamento

Durante la fase di tenuta, la vite rimane in posizione dopo aver raggiunto la pressione corretta, questo comporta tre notevoli vantaggi, ovvero:

• Garantisce che la cavità dello stampo sia completamente riempita di materiale
• Impedisce il riflusso del materiale nella botte
• Riduce il ritiro del pezzo stampato

Dopo essere stato tenuto fermo, il pezzo viene trattenuto all'interno dello stampo per un tempo sufficiente a farlo raffreddare, solidificare e mantenere la forma corretta prima di essere estratto.

# 5: espulsione e post-elaborazione

Una volta che il pezzo si è raffreddato a sufficienza , le due metà dello stampo vengono separate e il pezzo formato cade fuori oppure viene espulso tramite piastre o perni di espulsione.

A seconda del componente, potrebbe essere necessario un processo di post-elaborazione prima dell'imballaggio e della spedizione. Questo potrebbe includere la rimozione delle sbavature, l'incisione laser, ecc. La post-elaborazione può essere automatizzata o manuale.

Componenti per macchine per lo stampaggio ad iniezione

Le parti delle macchine per lo stampaggio a iniezione di materie plastiche possono essere suddivise in tre componenti: l'unità di iniezione, lo stampo e l'unità di chiusura.

Unità di iniezione

L'unità di iniezione è composta da tramoggia, cilindro, vite senza fine e fasce riscaldanti. Questi elementi svolgono le seguenti funzioni:

• Tramoggia: Questa è l'apertura attraverso la quale i pellet di plastica vengono immessi nella canna.

• Canna: Questo è l'alloggiamento per la vite a movimento alternato. Contiene i pellet di polimero a un'estremità e il materiale fuso all'estremità con apertura.

• Vite alternativa: Il movimento rotatorio e alternativo della vite spinge il materiale da un'estremità all'altra del cilindro. La vite esercita anche la pressione necessaria per iniettare il materiale fuso nello stampo.

• Fasce riscaldanti: Questi vengono posti all'esterno della canna per riscaldarla, contribuendo a sciogliere il materiale plastico e a mantenerlo ad una temperatura specifica prima dell'iniezione.

Muffa

Lo stampo è la parte che modella la plastica fusa nella forma desiderata. È costituito da due o più parti separate che vengono fissate insieme per formare la cavità nella forma del prodotto finale.

Le parti tipiche dello stampo sono:

• Cavità: Questa parte è fissa e crea lo spazio in cui viene iniettato il materiale plastico.
• Core: Il nucleo è la parte mobile dello stampo e si inserisce nella cavità per creare la forma del pezzo finale.
• Azione collaterale: Si tratta di inserti utilizzati per realizzare sottosquadri nella progettazione degli stampi.
• Canali di raffreddamento: Questi consentono al mezzo di raffreddamento di scorrere attraverso lo stampo per raffreddare più velocemente il pezzo.
• Perni di espulsione/piastre di espulsione: Questi aiutano a rimuovere la parte raffreddata dallo stampo.

In qualsiasi progetto di produzione, lo stampo è solitamente il componente più costoso. Le altre parti della pressa a iniezione per materie plastiche possono essere riutilizzate per la produzione di diversi prodotti. Lo stampo, invece, deve essere sostituito per ogni nuovo prodotto. Anche una piccola modifica al design del pezzo può richiedere la lavorazione di un nuovo stampo.

Per le produzioni in serie, si utilizza acciaio ad alta resistenza. La lavorazione di tali materiali è costosa e può diventarlo ancora di più se il pezzo finale è molto complesso e richiede un elevato grado di precisione. Per ridurre questi costi, si può ricorrere alla prototipazione utilizzando materiali più economici.

Unità di bloccaggio

Il gruppo di serraggio applica la pressione necessaria a tenere unite le due metà dello stampo . È costituito da una piastra mobile collegata al nucleo dello stampo. Il movimento viene realizzato tramite un sistema idraulico, un meccanismo a ginocchiera o un modulo magnetico.

Tipi di stampaggio ad iniezione di materie plastiche

Esistono diverse forme di stampaggio a iniezione per diversi tipi di materiali, come lo stampaggio a iniezione di materiali termoindurenti e lo stampaggio a iniezione di gomma siliconica liquida . Tuttavia, anche i termoplastici comuni possono essere stampati in più di un modo.

Stampaggio ad iniezione convenzionale

Questo è il processo di stampaggio a iniezione descritto in precedenza. Un materiale termoplastico adatto viene fuso e iniettato in uno stampo, quindi lasciato raffreddare. Il materiale fuso si solidifica nella forma creata dalle due metà dello stampo.

Lo stampaggio a iniezione convenzionale è uno dei processi più comunemente utilizzati. La sua semplicità consente di produrre milioni di pezzi con un unico stampo. Questo è il processo impiegato nella produzione di prodotti come i tappi di bottiglia.

Stampaggio ad iniezione multi-shot

Si tratta di una forma di stampaggio a iniezione multimateriale che utilizza due o più unità di iniezione. Queste unità contengono materiali diversi che vengono iniettati in sequenza, creando un effetto a strati.

Lo stampaggio a iniezione multi-iniezione può essere realizzato ruotando lo stampo da un'unità di iniezione all'altra oppure progettando lo stampo con due punti di iniezione.

Lo stampaggio a iniezione multi-iniezione viene utilizzato per ottenere diversi effetti, tra cui la produzione di componenti multimateriale o la creazione di una superficie morbida al tatto. Tra i prodotti realizzati con questo metodo si annoverano spazzolini da denti, bicchieri di plastica, alloggiamenti per utensili elettrici, ecc.

Stampaggio a microiniezione

Si tratta di stampaggio a iniezione di componenti con un peso compreso tra 0.1 e 1 grammo. I componenti devono inoltre presentare tolleranze tra 10 e 100 micron.

Il processo di base dello stampaggio a iniezione convenzionale si applica ancora allo stampaggio a microiniezione, ma lo stampaggio a iniezione su questa scala richiede considerazioni speciali. Queste includono:

• Micro stampi: Gli stampi utilizzati per questo processo sono di piccole dimensioni sotto ogni aspetto. La lavorazione degli stampi richiede l'utilizzo di utensili e tecniche speciali, tra cui CNC di precisione ed elettroerosione a tuffo. 

• Dimensioni dello scatto: La quantità di materiale iniettata nello stampo può essere di frazioni di grammo. Ciò richiede unità di iniezione in grado di raggiungere una risoluzione di alimentazione molto elevata.

• Precisione: Le dimensioni e le applicazioni dei pezzi realizzati con questo metodo comportano tolleranze più ridotte rispetto ai pezzi realizzati con altri processi di stampaggio a iniezione.

Lo stampaggio a microiniezione viene utilizzato per la produzione di componenti in plastica per numerose applicazioni, tra cui componenti per smartphone, sistemi di rilascio di farmaci, componenti per apparecchi acustici, parti di motori, ecc.

Stampaggio a inserto

Lo stampaggio a inserto è una forma di stampaggio a iniezione in cui il materiale viene iniettato sopra un componente in plastica o metallo già esistente. Ad esempio, il materiale può essere iniettato sopra filettature metalliche per creare un componente in plastica con filettature più resistenti.

La plastica fusa si raffredda attorno all'inserto, creando un legame permanente tra i due. Ciò si traduce in componenti resistenti ma leggeri.

In questo processo, l'inserto viene posizionato all'interno dello stampo prima dell'iniezione. Questa operazione può essere eseguita manualmente oppure automatizzata per ottenere maggiore qualità e uniformità, nonché tempi di ciclo più brevi. Esempi di componenti realizzati con la tecnica dello stampaggio a inserto includono spine elettriche, elementi di fissaggio a vite, perni con testa in plastica, ecc.

Come si sceglie il materiale plastico per lo stampaggio a iniezione?

La scelta del materiale è un punto critico nel processo di stampaggio a iniezione . Il materiale selezionato influenzerà i parametri di processo, i tempi di produzione e i materiali dello stampo. Ancora più importante, il materiale influirà anche sull'idoneità del pezzo finito per l'applicazione prevista.

Termoplastici semicristallini e amorfi

Le materie plastiche utilizzate per lo stampaggio a iniezione sono in genere semicristalline o amorfe . Nelle materie plastiche amorfe, le catene polimeriche che formano la struttura molecolare sono intrecciate in modo casuale. Nei polimeri semicristallini, le catene polimeriche sono strutturate in qualche modo.

Questa differenza nella struttura molecolare influenza alcune qualità dei termoplastici , tra cui la loro risposta al calore, la trasparenza, la resistenza chimica e la resistenza alla fatica. Le qualità comuni dei termoplastici semicristallini includono:

• Alta opacità
• Punti di fusione taglienti
• Elevata resistenza alla fatica
• Buona resistenza chimica
• Non si incollano facilmente utilizzando solventi e adesivi

Esempi comuni di termoplastici semicristallini sono il polipropilene, il polietilene tereftalato (PET) e l'HDPE.

D'altra parte, i termoplastici amorfi hanno qualità come:

• Facilità di stampaggio
• Elevata trasparenza
• Bassa resistenza chimica
• Può essere incollato utilizzando solventi e adesivi
• Ammorbidire in un intervallo di temperature più ampio

Esempi di termoplastici amorfi sono il policarbonato, il polistirene, l'ABS e l'acrilico.

La scelta tra termoplastici amorfi o semicristallini dipenderà dalle specifiche dell'applicazione. Le plastiche semicristalline sono adatte per applicazioni in cui è previsto un elevato grado di usura, mentre i termoplastici amorfi sono più indicati per applicazioni strutturali.

Tuttavia, ci sono anche altre considerazioni importanti da tenere a mente.

Considerazioni sulla scelta dei materiali per lo stampaggio a iniezione

La selezione di un materiale termoplastico specifico per un progetto di stampaggio a iniezione è dettata dall'applicazione della parte finale. 

1. Temperatura operativa 

Le prestazioni delle materie plastiche cambiano a temperature molto basse o molto alte. Le temperature estreme dell'applicazione devono essere prese in considerazione nella scelta del materiale, poiché le diverse materie plastiche reagiscono in modo diverso a queste condizioni estreme.

Sia l'acrilico che l'ABS sono materiali amorfi, ma l'acrilico è più resistente alle alte temperature . Ciò significa che può funzionare a temperature più elevate rispetto all'ABS.

2. Esposizione agli elementi

Alcuni tipi di plastica dovrebbero essere presi in considerazione per lo stampaggio a iniezione solo se l'applicazione è destinata ad ambienti interni.

All'aperto, i componenti in plastica possono essere esposti a temperature elevate e basse, sbalzi termici estremi, raggi UV e umidità.

Questi fattori possono contribuire a una più rapida degradazione di plastiche come il PLA. Materiali come il polipropilene si comportano meglio se utilizzati all'aperto.

3. Forza

Se un componente in plastica è sottoposto a un carico, deve avere la resistenza necessaria per sostenerlo. Alcuni esempi di componenti in plastica sottoposti a carichi includono:

• Raccordi per tubi esposti a pressioni interne elevate da liquidi o gas
• Ingranaggi di plastica utilizzati per trasferire il movimento
• Ganci di plastica utilizzati per sostenere parti, ecc

Occorre inoltre considerare diversi tipi di resistenza . Alcuni materiali presentano un'eccellente resistenza alla trazione ma una scarsa resistenza alla compressione o alla flessione. Ciò significa che è necessario valutare il modo specifico in cui il componente verrà sollecitato.

4. Esposizione chimica

Le materie plastiche reagiscono in modo diverso alle sostanze chimiche. Ad esempio, l'ABS reagisce con l'acetone e non dovrebbe essere utilizzato in ambienti in cui l'acetone viene utilizzato o conservato in grandi quantità. È importante informarsi sul comportamento di qualsiasi plastica che si intende utilizzare se esposta a diverse sostanze chimiche, per evitare un deterioramento precoce.

5. Sicurezza

Se un componente stampato a iniezione deve entrare in contatto con la pelle umana o essere destinato al consumo umano, deve essere certificato come idoneo a tale applicazione.

Molte plastiche di uso quotidiano non sono adatte al contatto con gli alimenti e possono causare diverse reazioni se entrano in contatto con la pelle umana. Questo è particolarmente importante in caso di esposizione ripetuta o prolungata.

6. Costo

In genere, la plastica è considerata economica, ma ne esistono diversi tipi, e alcuni sono più costosi di altri.

Alcuni tipi di plastica sono in uso da più tempo e vantano catene di approvvigionamento consolidate e una domanda prevedibile. Inoltre, la loro produzione può risultare più semplice e, di conseguenza, più economica. Altri, invece, si trovano all'estremo opposto e, pertanto, costano di più.

Il costo unitario della scelta di una plastica rispetto a un'altra può sembrare minimo, ma quando si producono milioni di pezzi, l'impatto del materiale più costoso sarà significativo.

Stampa 3D contro stampaggio a iniezione

L'avvento della stampa 3D ha portato a confronti tra queste due tecnologie di produzione. Tuttavia, esistono molte importanti differenze tra i prodotti stampati a iniezione e quelli stampati in 3D . La tabella seguente riassume il confronto tra queste due tecnologie.

Contrariamente a quanto molti pensano, lo stampaggio a iniezione e la stampa 3D non sono, nella maggior parte dei casi, tecnologie in competizione. Ciascuna tecnologia presenta vantaggi specifici che la rendono la scelta ideale per determinate applicazioni.

Lo stampaggio a iniezione di plastica è l'opzione standard per la produzione di massa. Tuttavia, l'elevato costo per pezzo associato alla stampa 3D e la bassa velocità di produzione di ciascun componente la rendono una scelta tutt'altro che ideale. Lo stampaggio a iniezione è invece la scelta migliore quando si desiderano finiture superficiali specifiche o se un componente richiede materiali o inserti diversi.

D'altro canto, la stampa 3D è imbattibile quando i tempi di produzione sono estremamente brevi o quando i bassi volumi di produzione rendono la realizzazione degli stampi troppo costosa. È inoltre la scelta ideale per la prototipazione, quando è necessario testare diverse versioni dello stesso prodotto.

Sfide e considerazioni nello stampaggio a iniezione di materie plastiche

Quando si considera lo stampaggio a iniezione, è necessario prevedere alcune sfide . Se non affrontate correttamente, queste sfide possono compromettere il successo del progetto.

Considerazioni sulla progettazione

Gli stampi per lo stampaggio a iniezione devono essere progettati tenendo conto di questo processo . Oltre alla precisione e alla costanza, il design dello stampo deve facilitare l'estrazione rapida e agevole dei pezzi. Deve inoltre presentare caratteristiche quali fori di sfiato, canali di colata, punti di iniezione e canali di raffreddamento nelle posizioni corrette.

Stampi mal progettati possono causare difetti e tempi di ciclo di stampaggio a iniezione lunghi.

Costi degli utensili

Lo stampaggio a iniezione comporta un costo iniziale elevato, dovuto principalmente al costo dello stampo. Se il volume di produzione sarà ridotto, è opportuno valutare l'utilizzo di materiali meno costosi, come ad esempio l'alluminio.

Controllo di qualità

Il controllo qualità può determinare il successo o il fallimento di un progetto di stampaggio a iniezione. Si rischia di ottenere pezzi difettosi a causa di una progettazione inadeguata dello stampo, un controllo del processo insufficiente, materiali di bassa qualità, difetti dello stampo stesso, ecc.

È necessario implementare misure di controllo qualità in tutte le fasi del processo di stampaggio a iniezione della plastica per individuare tempestivamente questi problemi e limitarne l'impatto sull'intero progetto.

Esistono misure automatizzate che possono essere implementate sulla linea di produzione e misure fisiche che richiedono operatori in reparto e un buon sistema di comunicazione.

Conclusione

Lo stampaggio a iniezione di materie plastiche rimane uno dei processi produttivi più importanti al mondo. Nonostante gli elevati costi di avviamento, nessun altro processo è altrettanto conveniente per la produzione di massa.

Oggi esistono diversi tipi di processi di stampaggio a iniezione di materie plastiche e l'elenco dei materiali compatibili è lungo. Se scegliete di utilizzare lo stampaggio a iniezione di materie plastiche, ricordate di collaborare con esperti che possano aiutarvi a ottenere il massimo da questo processo.

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