Modeling of bonded magnet injection moulding: analisi e innovazione del processo di stampaggio a iniezione di magneti permanenti

Il mondo delle applicazioni elettriche ha subito un drastico cambiamento negli ultimi anni. Una sempre maggiore attenzione è stata posta alle tematiche ambientali ed energetiche, e le sfide poste dal mercato globalizzato hanno costretto le aziende a focalizzarsi maggiormente su alcuni aspetti della manifattura. Per questo la ricerca contemporanea di economicità, prestazioni ed affidabilità è diventata una chiave fondamentale per il successo. Particolare interesse è riposto nei motori sincroni. Questi motori permettono infatti un miglior controllo ed una più efficiente gestione dell’energia. Per questo il mercato dei magneti permanenti in queste applicazioni è in costante sviluppo. La tecnologia tradizionale per ottenere i magneti permanenti prevede l’utilizzo di polveri metalliche che vengono sinterizzate nella forma richiesta. Il magnete così ottenuto viene poi assemblato nel motore, solitamente mediante incollaggio. Si tratta quindi di un processo che vede molte operazioni, anche di difficile esecuzione ed automazione. Recentemente si sta diffondendo la possibilità di sostituire le singole operazioni con un processo di tipo net shape che vede il sovrastampaggio di un magnete in plastoferrite direttamente nella sede finale. La plastic ferrite è un materiale composito formato da particelle micrometriche di ferrite in una matrice termoplastica. Il contenuto in ferrite, dalla quale dipendono le capacità magnetiche del prodotto, è molto elevato e può superare il 90% in peso del composito (equivalente al 70% in volume). Inoltre le particelle possono essere alligate con terre rare, in modo da aumentare ulteriormente le prestazioni magnetiche, che altrimenti sarebbero leggermente inferiori rispetto al prodotto sinterizzato. La matrice polimerica, al fine di garantire le adeguate prestazioni meccaniche, è composta da polimeri dalle buone prestazioni, come PA e PPS. Il materiale, fornito in forma di pellets, viene lavorato mediante stampaggio ad iniezione. A causa dell’elevato contenuto di carica il processo presenta delle difficoltà non presenti nello stampaggio tradizionale. Il ferro, presentando una elevata conducibilità termica rende molto rapido il raffreddamento in stampo del materiale. Questo, se da un lato può essere considerato un vantaggio, comporta la formazione di un considerevole strato di pelle non orientato magneticamente. Inoltre il materiale presenta una elevata viscosità, specialmente ai medi e bassi shear rates. Questo, unito al breve tempo di congelamento della materozza, comporta che le difficoltà nel riempire lo stampo e nell’ impaccare il pezzo siano maggiori rispetto al processo tradizionale. Il materiale inoltre presenta caratteristiche meccaniche del pezzo finito non sempre ottimali, con una spiccata propensione alla rottura fragile. Scopo del presente lavoro di tesi è quindi quello di migliorare le capacità della plastic ferrite mediante la risoluzione dei problemi tecnologici descritti. Per raggiungere questo obiettivo, tramite un approccio sia numerico che sperimentale, sono stati trattati diversi temi: i. Per primo si è analizzato lo stato dell’arte dello stampaggio ad iniezione di magneti permanenti in plastic ferrite. Per fare questo è stata condotta una estesa campagna di analisi della letteratura. Si è potuto inoltre sfruttare appieno il know-how maturato dall’Azienda; ii. Si è quindi proceduto con la caratterizzazione reologica del materiale ottenuta per mezzo di reometri capillari e rotazionali. Dato l’elevato contenuto in ferro del composito termoplastico si è indagato sull’influenza del campo magnetico sulle proprietà reologiche del materiale. iii. Particolare attenzione è stata posta alla fase di raffreddamento in stampo del pezzo. L’elevata percentuale di carica porta ad una diffusività termica molto maggiore rispetto ai polimeri non caricati, causando un rapido congelamento ed una elevata percentuale di pelle con scarse prestazioni magnetiche. Per questo si è indagato con un metodo innovativo la temperatura di non flusso del materiale. I risultati, dopo un ampio confronto numerico sperimentale, sono stati utilizzati per valutare la convenienza economica di un sistema di condizionamento rapido dello stampo. iv. Tra gli aspetti di maggiore convenienza tecnologica ed economica delle plastoferriti vi è la possibilità di effettuare il sovra stampaggio. Per questo, mediante una ampia campagna sperimentale, si sono potuti valutare i metodi di sovra stampaggio del materiale. In particolare sono state ottenute numerose superfici di risposta che correlano il processo con il risultato in termini di forza di adesione tra magnete e metallo. Il lavoro presentato in questa tesi è stato svolto presso il Laboratorio Te.Si., del Dipartimento di Innovazione Meccanica e Gestionale dell’Università di Padova, in Italia, nel periodo compreso tra i mesi di gennaio 2008 e dicembre 2010, sotto la supervisione del prof. Paolo F. Bariani e dell’ing. Giovanni Lucchetta.