Mould thermal control for production of weldline-free and high-gloss parts

La richiesta di prodotti più leggeri, sottili e dotati di elevate proprietà meccaniche sta diventando un’esigenza sempre più importante negli ultimi anni in ambito industriale. Questa nuova tendenza sta imponendo nuove sfide nel processo di stampaggio a iniezione tradizionale e, in particolare, nuovi cambiamenti nella progettazione degli stampi, nella scelta dei materiali polimerici e nell’esecuzione del processo. La necessità di cercare nuove soluzioni tecniche è principalmente dovuta all’elevata differenza di temperatura tra il polimero fuso e la superficie fredda della cavità durante la fase di riempimento. Lo strato di materiale solidificato influenza negativamente le proprietà estetiche e meccaniche delle parti plastiche. Per superare i limiti che si riscontrano nel processo di stampaggio tradizionale è stata sviluppata una nuova tecnologia di stampaggio a iniezione con variazione rapida della temperatura dello stampo. L’innovativa tecnologia prevede il riscaldamento della superficie della cavità dello stampo fino ad una temperatura prossima alla temperatura di transizione vetrosa prima dalla fase di iniezione del materiale plastificato. L’elevata temperatura dello stampo consente di ottenere delle parti in materiale plastico caratterizzate da forme complesse, superfici perfettamente lisce, spessori sottili, superfici micro strutturate, ridotte orientazioni molecolari e tensioni residue. Tuttavia è necessario utilizzare un sofisticato sistema ausiliario per il controllo dinamico della temperatura della cavità dello stampo. Lo sviluppo di sistemi in grado di riscaldare e raffreddare rapidamente uno stampo dotato di massa relativamente elevata presenta degli aspetti critici legati ai vincoli imposti dallo scambio termico e ai limiti di resistenza imposti dai materiali impiegati. La maggior parte delle tecnologie attualmente disponibili per generare calore consentono di riscaldare efficientemente lo stampo, ma presentano molte carenze che ne limitano l’impiego in applicazioni per produzioni di massa. A dispetto della sua rilevanza industriale, ci sono diversi aspetti di questo processo produttivo che necessitano di essere compresi completamente. In questo lavoro di tesi, è stato sviluppato un innovativo sistema di riscaldamento e raffreddamento rapido basato sull’impiego di schiume metalliche, seguendo un approccio sia numerico che sperimentale. Le schiume metalliche a celle aperte sono una nuova tipologia di mezzi porosi che si sta imponendo come un’effettiva soluzione da impiegare per incrementare lo scambio termico, grazie all’alto rapporto tra superficie e volume del materiale e l’elevata conducibilità termica. Rispetto ai canali di raffreddamento tradizionali, l’intero spazio sotto la cavità può essere impiegato per riscaldare e/o raffreddare, mentre la schiuma consente il passaggio del flusso di acqua di condizionamento al suo interno. La schiuma metallica fornisce il necessario supporto meccanico, generando contemporaneamente una cavità strutturata. Gli scopi della presente tesi di dottorato consistono nello sviluppare un nuovo sistema di condizionamento dello stampo che consenta di superare i limiti delle attuali tecnologie e nell’approfondire la conoscenza scientifica del processo di stampaggio a iniezione con variazione ciclica della temperatura. Sono stati studiati diversi aspetti di questo nuovo processo produttivo. (i) È stata esplorata la possibilità di applicare inserti in schiuma metallica nel sistema di condizionamento dello stampo. A tale scopo è stato progettato un nuovo prototipo di stampo per provini per prove di trazione dotati di due punti di iniezione. (ii) Attraverso il metodo agli elementi finiti è stata analizzata la deflessione in corrispondenza della schiuma metallica e della superficie della cavità ad elevata temperatura. È stata eseguita una simulazione fluidodinamica per valutare l’evoluzione della temperatura dello stampo durante le fasi di riscaldamento e raffreddamento. (iii) Dopo aver realizzato lo stampo è stato condotto un test di produzione. L’accuratezza della strategia di progettazione basata sull’impiego di simulazioni numeriche è stata verificata confrontando i risultati numerici con i dati sperimentali. (iv) Le prestazioni sperimentali del nuovo sistema per la variazione rapida della temperatura dello stampo basato sull’impiego di inserti in schiuma metallica sono state confrontate con quelle di un sistema a letto di sfere. Una piastra per applicazioni estetiche è stata scelta come caso di prova. (v) È stato studiato l’effetto della variazione rapida della temperatura dello stampo sulle proprietà estetiche delle parti stampate, la replicazione di superfici micro strutturate e la resistenza in corrispondenza della linea di giunzione. (vi) Sono state analizzate le fasi di sviluppo della linea di giunzione nel processo di micro stampaggio a iniezione. Attraverso la metodologia del Design of Experiments (DOE) si è indagata sperimentalmente l’influenza dei parametri di processo sulle proprietà meccaniche in corrispondenza della linea di giunzione. Un sistema di visualizzazione è stato integrato nello stampo per consentire l’osservazione del processo di sviluppo di una linea di giunzione su scala micro. Il lavoro presentato in questa tesi è stato svolto principalmente presso il laboratorio Te.Si. dell’Università di Padova, Italia, nel periodo compreso tra i mesi di gennaio 2009 e dicembre 2011, sotto la supervisione del prof. Paolo Bariani e dell’ing. Giovanni Lucchetta. Parte dell’attività di ricerca è stata condotta presso il Centre for Polymer Micro and Nano Technology (University of Bradford), Gran Bretagna.