Analysis of the tribological effects of mold surface properties on the micro injection molding process

Lo stampaggio ad iniezione è una delle tecnologie più diffuse per la produzione di componenti in materiale plastico, per numerose applicazioni. Tuttavia, la crescente competitività del mercato spinge costantemente verso la progettazione di parti sempre più sottili e leggere, al fine di ridurre sia i costi che l'impatto ambientale. In questo contesto emergono notevoli problematiche, spesso legate alla progettazione degli stampi. In particolare, la progettazione della superficie dello stampo rappresenta una tematica strategica che può consentire di ottenere notevoli vantaggi in termini di miglior qualità delle parti stampate, ottimizzazione dei consumi energetici e di materiale. In questo lavoro, le proprietà tribologiche della superficie dello stampo sono state analizzate focalizzando l'attenzione sulla caratterizzazione di trattamenti stampo convenzionali ed innovativi. Gli obiettivi principali di questo lavoro sono stati la riduzione della pressione di iniezione e delle forze di estrazione. Gli effetti delle proprietà dello stampo sulle fasi di riempimento ed estrazione sono stati studiati seguendo due strategie principali legate alla generazione della superficie dello stampo ed alla sua modifica mediante trattamenti superficiali. L'approccio adottato è stato basato su diverse campagne di stampaggio ad iniezione condotte utilizzando stampi appositamente progettati ed equipaggiati con strumentazione per il monitoraggio del processo. L'analisi dell'effetto dei rivestimenti superficiali sulla fase di riempimento ha consentito di identificare i fenomeni che controllano la caduta di pressione in cavità (isolamento termico e scivolamento del fuso polimerico in corrispondenza della parete della cavità). La correlazione tra resistenza al flusso e velocità di scivolamento è stata studiata mediante visualizzazione del flusso. I risultati hanno indicato che la perdita di pressione in cavità è inversamente correlata alla velocità di scivolamento, indicando l'importanza nella scelta del rivestimento adeguato. Inoltre, è stato dimostrato che trattamenti al laser per la generazione di nano-strutture sulla superficie dello stampo possono essere utilizzati per controllare lo scivolamento del polimero a parete, a seconda dell'orientazione relativa delle strutture. Esperimenti condotti in condizioni standard di processo hanno evidenziato riduzioni della pressione d'iniezione superiori al 20%. La caratterizzazione della fase di estrazione ha consentito di mettere in evidenza l'importanza per l'attrito durante l'estrazione delle interazioni all'interfaccia tra polimero e superficie dello stampo. I risultati hanno mostrato forti interazioni tra topografia dello stampo e parametri di processo che promuovono la replicazione, come la temperatura stampo e la pressione di impaccamento. I rivestimenti superficiali sono stati dimostrati essere efficaci per la modifica dell'adesione tra polimero e superficie dello stampo. La modellazione delle fasi di riempimento ed estrazione ha permesso di migliorare in modo significativo la comprensione dei fenomeni che controllano il processo di stampaggio ad iniezione. In generale, i risultati di questo lavoro costituiranno un'innovazione per la progettazione di componenti in materiale plastico più sottili e più piccoli, portando a risparmi economici e minor impatto ambientale, grazie alla riduzione dei volumi e dei consumi energetici.