Guida alla selezione dei materiali per lo stampaggio a iniezione: 7 fattori chiave

La scelta del materiale per lo stampaggio a iniezione influisce direttamente sulla qualità del prodotto finito, sui costi di produzione e sulla sua durata nel tempo. Selezionare l'opzione ideale richiede un'attenta analisi di molteplici fattori critici per evitare prestazioni scadenti o inutili sprechi di risorse.

Per evitare discrepanze nei materiali, Nostro Guida alla selezione dei materiali per lo stampaggio a iniezioneAnalizza 7 tipologie di considerazioni fondamentali, aiutandoti a prendere decisioni efficienti e affidabili.

Tasso di restringimento

I fattori che influenzano il ritiro da stampaggio dei materiali termoplastici sono i seguenti:

Tipo di plastica

Durante lo stampaggio, i termoplastici subiscono variazioni di volume dovute alla cristallizzazione, insieme a un elevato stress interno, un grande stress residuo congelato nelle parti stampate e un forte orientamento molecolare. Rispetto aMateriali termoindurenti per stampaggio a iniezione, i termoplastici hanno tassi di restringimento più elevati, intervalli di restringimento più ampi e una direzionalità evidente. Inoltre, il restringimento dopo stampaggio, ricottura o condizionamento dell'umidità è generalmente più elevato di quello di I materiali termoindurentimateriali.

Caratteristiche del componente stampato

Quando la plastica fusa entra in contatto con la superficie della cavità dello stampo, lo strato esterno si raffredda rapidamente formando un guscio solido a bassa densità. A causa della scarsa conducibilità termica della plastica, lo strato interno si raffredda lentamente, formando uno strato solido ad alta densità con un notevole ritiro.

Pertanto, i pezzi con pareti più spesse, raffreddamento lento e strati spessi ad alta densità presentano un maggiore ritiro. Inoltre, la presenza, la disposizione e la quantità degli inserti influenzano direttamente la direzione del flusso del fuso, la distribuzione della densità e la resistenza al ritiro, rendendo le caratteristiche del pezzo un fattore determinante nell'entità e nella direzionalità del ritiro.

Tipologia, dimensioni e distribuzione dei cancelli

Questi fattori influenzano direttamente la direzione del flusso del fuso, la distribuzione della densità, la compensazione dell'impaccamento e il tempo del ciclo di stampaggio. I canali di iniezione diretti con sezioni trasversali ampie (soprattutto quelle spesse) riducono il ritiro ma aumentano la direzionalità; i canali di iniezione larghi e corti minimizzano la direzionalità.

Le zone vicine al punto di iniezione o parallele alla direzione del flusso del fuso mostrano una maggiore contrazione.

Condizioni di stampaggio

Temperature di stampaggio più elevate rallentano il raffreddamento del fuso, aumentano la densità e incrementano il ritiro, soprattutto per le materie plastiche cristalline, dove l'elevata cristallinità provoca significative variazioni di volume e un maggiore ritiro. La distribuzione della temperatura di stampaggio influisce sul raffreddamento interno ed esterno dei pezzi e sull'uniformità della densità, influenzando direttamente l'entità e la direzione del ritiro nelle diverse sezioni del pezzo.

Inoltre, la pressione di compattazione e il tempo di mantenimento esercitano un impatto notevole: una pressione più elevata e tempi di mantenimento più lunghi riducono il ritiro ma ne aumentano la direzionalità. Una pressione di iniezione più elevata riduce la viscosità del fuso, diminuisce lo stress di taglio interstrato e aumenta il recupero elastico dopo lo stampaggio, riducendo così moderatamente il ritiro. Temperature di fusione più elevate aumentano il ritiro ma ne riducono la direzionalità. Pertanto, regolando la temperatura dello stampo, la pressione, la velocità di iniezione e il tempo di raffreddamento durante lo stampaggio è possibile controllare adeguatamente il ritiro del pezzo.

Nella progettazione degli stampi, è necessario determinare il tasso di ritiro per ogni sezione del pezzo in base all'intervallo di ritiro della plastica selezionata, allo spessore della parete del pezzo, alla forma, al tipo di canale di iniezione, alle dimensioni e alla distribuzione, e quindi calcolare le dimensioni della cavità dello stampo. Per i pezzi di alta precisione o quando i tassi di ritiro sono difficili da prevedere, la progettazione dello stampo dovrebbe seguire questi passaggi:

1. Adottare un tasso di ritiro inferiore per il diametro esterno e uno maggiore per il diametro interno dei pezzi, in modo da consentire le regolazioni dello stampo dopo la prova.
2. Determinare il tipo di sistema di colata, le dimensioni e le condizioni di stampaggio mediante prove di stampaggio.
3. Misurare le variazioni dimensionali delle parti che richiedono un post-trattamento (le misurazioni devono essere effettuate 24 ore dopo la sformatura).
4. Modificare lo stampo in base ai dati effettivi di ritiro.
5. Eseguire una seconda prova di stampaggio e regolare leggermente le condizioni di processo per ottimizzare il ritiro e soddisfare i requisiti del pezzo.

Fluidità

La fluidità è un fattore importante in IL selezione dei materiali per lo stampaggio a iniezioneLa fluidità dei materiali termoplastici può essere valutata mediante una serie di indici, tra cui il peso molecolare, l'indice di fluidità a caldo (MFI), la lunghezza di flusso a spirale di Archimede, la viscosità apparente e il rapporto di flusso (lunghezza di flusso/spessore della parete del pezzo).

Una migliore fluidità è indicata da un peso molecolare inferiore, una distribuzione del peso molecolare più ampia, una scarsa regolarità della struttura molecolare, un MFI più elevato, una lunghezza del flusso a spirale più lunga, una viscosità apparente inferiore e un rapporto di flusso più elevato. Per le materie plastiche dello stesso grado, fare sempre riferimento alla scheda tecnica del prodotto per verificare se la loro fluidità è adatta allo stampaggio a iniezione. In base ai requisiti di progettazione dello stampo, comune stampaggio a iniezione di materiale plasticopuò essere approssimativamente classificata in tre categorie di fluidità:

• Buona fluidità: PA, PE, PS, PP, CA, Polimetilpentene
• Fluidità mediaResine della serie del polistirene (ad es. ABS, AS), PMMA, POM, ossido di polifenilene
• Scarsa fluidità: PC, PVC rigido, ossido di polifenilene, polisulfone, poliarilsulfone, fluoroplastiche

 

La fluidità di tutte le materie plastiche varia in funzione dei fattori di stampaggio, i principali dei quali sono:

• TemperaturaTemperature di fusione più elevate aumentano la fluidità, ma il grado di variazione differisce a seconda del tipo di plastica. La fluidità di PS (in particolare i gradi resistenti agli urti e quelli con elevato MFI), PP, PA, PMMA, polistirene modificato (ad esempio ABS, AS), PC e CA è molto sensibile alle variazioni di temperatura, quindi la regolazione della temperatura è il metodo preferito per controllarne la fluidità durante lo stampaggio. Al contrario, la temperatura ha un effetto minimo sulla fluidità di PE e POM.
• PressioneUna pressione di iniezione più elevata intensifica l'azione di taglio sul fuso, aumentandone la fluidità. Questo effetto è particolarmente pronunciato per il PE e il POM, rendendo la regolazione della pressione il metodo ottimale per controllarne la fluidità durante lo stampaggio.
• Struttura dello stampoLa progettazione del sistema di colata (tipo, dimensioni, disposizione), la progettazione del sistema di raffreddamento e la resistenza al flusso del fuso (ad esempio, finitura della superficie dello stampo, spessore della sezione trasversale del canale di colata, forma della cavità e sistema di ventilazione) influiscono direttamente sulla fluidità effettiva del fuso all'interno della cavità.

Qualsiasi fattore che abbassi la temperatura di fusione o aumenti la resistenza al flusso ridurrà la fluidità. La progettazione dello stampo dovrebbe adottare strutture appropriate in base alla fluidità della plastica selezionata. Durante lo stampaggio, il controllo della temperatura di fusione, della temperatura dello stampo, della pressione di iniezione e della velocità di iniezione consente inoltre di regolare correttamente il riempimento del fuso per soddisfare i requisiti di stampaggio.

Cristallinità

I materiali termoplastici si dividono in due categorie a seconda che si verifichi o meno la cristallizzazione durante la solidificazione: plastiche cristalline e plastiche amorfe. La cristallizzazione si riferisce al processo mediante il quale le molecole passano da uno stato disordinato e libero di muoversi nella fase fusa a uno stato in cui il movimento molecolare si arresta, le molecole si stabilizzano in posizioni relativamente fisse e tendono a disporsi in una struttura regolare durante il raffreddamento.

Un criterio visivo per distinguere i due tipi è la trasparenza delle parti a parete spessa: le plastiche cristalline sono generalmente opache o traslucide (ad esempio, il POM), mentre le plastiche amorfe sono trasparenti (ad esempio, il PMMA). Tuttavia, esistono delle eccezioni: il polimetilpentene è una plastica cristallina ad alta trasparenza, mentre l'ABS è una plastica amorfa opaca. Nella progettazione degli stampi e nella scelta delle presse a iniezione, per le plastiche cristalline si applicano i seguenti requisiti e considerazioni:

• Per portare il fuso alla temperatura di stampaggio è necessario un calore maggiore, quindi servono attrezzature con un'elevata capacità di plastificazione.
• Durante il raffreddamento e la cristallizzazione si libera una notevole quantità di calore, pertanto è necessario un raffreddamento adeguato.
• L'elevata differenza di densità tra lo stato fuso e quello solido provoca un notevole ritiro durante lo stampaggio, che può facilmente causare cavità di ritiro e bolle d'aria.
• Il raffreddamento rapido determina bassa cristallinità, basso ritiro e alta trasparenza. La cristallinità è correlata allo spessore delle pareti del pezzo: pareti più spesse si raffreddano più lentamente, con conseguente maggiore cristallinità, maggiore ritiro e migliori proprietà meccaniche. Pertanto, la temperatura dello stampo deve essere rigorosamente controllata per le materie plastiche cristalline, come richiesto.
• Sono comuni un'anisotropia evidente e un elevato stress interno. Dopo la sformatura, le molecole non cristallizzate tendono a continuare a cristallizzare, lasciando il pezzo in uno stato di squilibrio energetico che causa facilmente deformazioni e incurvamenti.
• Lo stretto intervallo di temperatura di cristallizzazione può portare a una fusione incompleta della plastica o al blocco del canale di colata.

Sensibilità al calore e idrolisi

Sensibilità al calore

La termosensibilità si riferisce alla tendenza di alcune materie plastiche a scolorirsi, degradarsi o decomporsi se esposte ad alte temperature per periodi prolungati, o se attraversano sezioni trasversali ridotte che generano elevate sollecitazioni di taglio e aumentano la temperatura di fusione. Le materie plastiche con questa proprietà sono dette termosensibili, come ad esempio il PVC rigido, il cloruro di polivinilidene, i copolimeri di acetato di vinile, il POM e il policlorotrifluoroetilene.

La decomposizione delle materie plastiche termosensibili produce sottoprodotti come monomeri, gas e solidi; alcuni di questi gas di decomposizione sono irritanti, corrosivi o tossici per l'uomo, le attrezzature e gli stampi. Pertanto, è necessario adottare le seguenti precauzioni per la progettazione dello stampo, la selezione della macchina a iniezione, selezione dei materiali per lo stampaggio a iniezionee stampaggio:

• Utilizzare presse a iniezione a vite.
• Adottare sistemi di cancelli con sezioni trasversali di grandi dimensioni.
• Utilizza stampi e cilindri cromati per evitare zone morte in cui il materiale può ristagnare.
• Controllare rigorosamente le temperature di stampaggio.
• Aggiungere stabilizzanti alla plastica per ridurre la sensibilità al calore.

Suscettibilità all'idrolisi

Alcune materie plastiche (ad esempio, il policarbonato) si decompongono ad alte temperature e pressioni anche se contengono tracce di umidità: una proprietà nota come suscettibilità all'idrolisi.

Queste materie plastiche devono essere preriscaldate e asciugate utilizzando metodi e specifiche appropriati prima della lavorazione, e si deve impedire il riassorbimento di umidità durante l'uso.

Fratture da stress e frattura da fusione

Fessurazione da stress

Alcuni tipi di plastica sono sensibili alle sollecitazioni, sviluppando facilmente tensioni interne durante lo stampaggio e diventando fragili e soggetti a crepe. Le crepe possono verificarsi quando il pezzo è sottoposto a forze esterne o esposto a solventi. Per risolvere questo problema:

• Aggiungere additivi anti-fessurazione alla materia prima per migliorarne la resistenza alle crepe.
• Assicurarsi che la materia prima sia ben essiccata.
• Selezionare le condizioni di stampaggio ottimali per ridurre le tensioni interne e migliorare la resistenza alle crepe.
• Progetta i componenti con forme razionali ed evita inserti superflui per ridurre al minimo la concentrazione di sollecitazioni.
• Aumentare gli angoli di sformo dello stampo durante la progettazione, selezionare sistemi di colata e meccanismi di espulsione appropriati. Durante lo stampaggio, regolare correttamente la temperatura di fusione, la temperatura dello stampo, la pressione di iniezione e il tempo di raffreddamento per evitare di estrarre i pezzi quando sono troppo freddi e fragili. Eseguire un trattamento post-stampaggio per migliorare la resistenza alle cricche, eliminare le tensioni interne ed evitare il contatto con solventi.

Frattura da fusione

La frattura del fuso si verifica quando un polimero fuso con una specifica velocità di flusso attraversa l'orifizio di un ugello a temperatura costante e la sua velocità di flusso supera un valore critico, causando evidenti crepe trasversali sulla superficie del fuso. Questo difetto compromette l'aspetto e le proprietà meccaniche dei pezzi stampati. Per prevenire la frattura del fuso:

• Per i polimeri con elevata velocità di flusso allo stato fuso, aumentare la sezione trasversale degli ugelli, dei canali di alimentazione e dei punti di iniezione.
• Ridurre la velocità di iniezione.
• Aumentare la temperatura di fusione.

Proprietà termiche e velocità di raffreddamento

Proprietà termiche

Le diverse materie plastiche presentano proprietà termiche distinte, come il calore specifico, la conduttività termica e la temperatura di deflessione termica:

• Le materie plastiche con un elevato calore specifico richiedono più calore per la plastificazione, quindi è necessario selezionare macchine per lo stampaggio a iniezione con una forte capacità di plastificazione.
• Le materie plastiche con un'elevata temperatura di deflessione termica possono essere sformate prima con tempi di raffreddamento più brevi, ma il raffreddamento post-sformatura deve essere controllato per evitare deformazioni.
• Le materie plastiche con bassa conduttività termica si raffreddano lentamente (ad esempio, gli ionomeri hanno velocità di raffreddamento estremamente lente), rendendo necessaria una maggiore efficienza di raffreddamento dello stampo.
• Gli stampi a canale caldo sono adatti per materie plastiche con basso calore specifico e alta conducibilità termica. Le materie plastiche con elevato calore specifico, bassa conducibilità termica, bassa temperatura di deflessione termica e lente velocità di raffreddamento non sono adatte allo stampaggio ad alta velocità. Per questi materiali, è necessario selezionare presse a iniezione appropriate e ottimizzare i sistemi di raffreddamento dello stampo.

Controllo della velocità di raffreddamento

Per tutte le materie plastiche, la velocità di raffreddamento deve essere controllata in modo appropriato in base alle caratteristiche del materiale e alla forma del pezzo. Gli stampi devono essere dotati di sistemi di riscaldamento e raffreddamento per mantenere una temperatura stabile, come richiesto.

• Quando la temperatura di fusione aumenta la temperatura dello stampo, è necessario il raffreddamento per prevenire la deformazione del pezzo dopo l'estrazione dallo stampo, accorciare i cicli di stampaggio e ridurre la cristallinità.
• Quando il calore residuo del fuso non è sufficiente a mantenere la temperatura dello stampo richiesta, è necessario utilizzare sistemi di riscaldamento dello stampo per controllare la velocità di raffreddamento, garantire la fluidità del fuso, migliorare le condizioni di riempimento o consentire un raffreddamento lento dei pezzi per evitare un raffreddamento non uniforme nelle sezioni a parete spessa e aumentare la cristallinità. Per le materie plastiche con buona fluidità, ampie aree di stampaggio o distribuzione non uniforme della temperatura del fuso, gli stampi possono richiedere riscaldamento e raffreddamento alternati, oppure riscaldamento/raffreddamento localizzato, a seconda delle condizioni di stampaggio del pezzo. Gli stampi devono essere dotati di sistemi di raffreddamento o riscaldamento adeguati a queste esigenze.

 

Igroscopicità

A causa della presenza di vari additivi, le materie plastiche presentano diversi livelli di affinità all'umidità e possono essere classificate in due categorie principali: materie plastiche igroscopiche (che assorbono e trattengono l'umidità) e materie plastiche non igroscopiche (che non assorbono umidità e non tendono ad aderire all'umidità).

Il contenuto di umidità delle materie prime plastiche deve essere controllato entro i limiti consentiti. L'umidità in eccesso vaporizza trasformandosi in gas o provoca idrolisi ad alte temperature e pressioni durante lo stampaggio, causando difetti quali bolle, riduzione della fluidità, scarsa finitura superficiale e degrado delle proprietà meccaniche. Pertanto, le plastiche igroscopiche devono essere preriscaldate e asciugate utilizzando metodi e specifiche appropriati prima della lavorazione, e occorre prevenire il riassorbimento di umidità durante lo stoccaggio e l'utilizzo.

Conclusione

TLui grafico Selezione dei materiali per lo stampaggio a iniezioneÈ un passaggio cruciale per ottenere una qualità stabile dei componenti, una produzione costante e un buon rapporto costi-benefici. Comprendere fattori chiave come il ritiro, la fluidità, la cristallinità, la sensibilità al calore, il comportamento sotto stress, le proprietà termiche, la velocità di raffreddamento e l'igroscopicità può aiutare a comprendere meglio la corrispondenza tra i requisiti di progettazione e i materiali.

LVMA è specializzata nella produzione componenti complessi stampati a iniezione e aggiorna regolarmente le proprie conoscenze sullo stampaggio a iniezione. Per ulteriori informazioni, vi preghiamo di contattarci.