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Consigli di progettazione per la stampa ad iniezione

Questo articolo riassume le migliori tecniche di progettazione per la stampa ad iniezione per aiutarvi ad ottenere parti polimeriche di qualità a costi ragionevoli.

La stampa ad iniezione è un processo produttivo che comporta l’iniezione di materiale fuso in uno stampo per la produzione di una parte. Per questo processo possono essere utilizzati diversi materiali come i termoplastici, i polimeri o gli elastomeri. Il materiale fuso viene alimentato in un cilindro attraverso una tramoggia, dove viene riscaldato, fuso e miscelato. Viene quindi iniettato nello stampo. Dopo la solidificazione, il materiale assume la forma della cavità dello stampo. Il processo di stampaggio ad iniezione è ampiamente utilizzato nella produzione di grandi volumi, in quanto produce scarti relativamente bassi e ha un’elevata ripetibilità.

La versatilità del processo di stampa ad iniezione richiede considerazioni progettuali molto più ampie. La maggior parte delle considerazioni progettuali verranno fatte sullo stampo dopo aver definito i requisiti del prodotto. Alcuni dei fattori che influenzano il disegno includono: come verrà utilizzata la parte (prodotto singolo o da assemblare), le sue esigenze dimensionali e meccaniche, e la sua capacità di resistere ad agenti chimici o pressioni. Alcuni consigli fondamentali da tenere a mente quando si disegna per la stampa ad iniezione sono analizzati di seguito.

Selezionare attentamente i materiali adatti al vostro progetto

Materiali diversi offrono proprietà differenti. Ad esempio, alcuni materiali di stampaggio a iniezione offrono una maggiore stabilità dimensionale rispetto ad altri. Allo stesso modo, alcuni garantiscono una migliore adesione di etichette rispetto ad altri. La scelta del materiali considera i seguenti aspetti: temperatura, pressione, interazioni biologiche e chimiche.

Le resine termoplastiche possono essere largamente classificate in amorfe e semicristalline. Mentre i materiali termoplastici semicristallini offrono una migliore resistenza chimica ed elettrica, le loro controparti amorfe sono molto più stabili nelle dimensioni e più resistenti agli urti. La scelta del materiale può influire sul livello di tolleranza richiesto o su alcune caratteristiche, come lo spessore delle pareti.

In Xometry offriamo diversi
materiali per la stampa a iniezione, tra cui plastica, elastomeri e gomme siliconiche.

Considerare le tolleranza della parte

Gli stampi vengono generalmente preparati con tolleranze strette, solitamente con tolleranze CNC fino a ±0,005 mm. Ma quando la plastica si raffredda, si verifica un restringimento, a seconda del materiale. Alcuni polimeri si restringono più di altri. Ad esempio, mentre ci si può aspettare una riduzione massima dello 0,5% di PLA, il PEEK può contrarsi fino all’1,5%. E’ bene tenere sempre conto del restringimento durante la progettazione di un pezzo e nell’applicazione delle tolleranze, in base al tipo di materiale utilizzato.

Selezionare lo spessore delle pareti corretto

Di seguito sono riportati gli spessori consigliati per i diversi materiali:

  • ABS: 1.143 mm – 3.556 mm
  • Acetale: 0.762 mm – 3.048 mm
  • Acrilico: 0.635 mm – 12.7 mm
  • Polimero liquido cristallizzato: 0.762 mm – 3.048 mm
  • Materiali plastici rinforzati a fibra lunga: 1.905 mm – 27.94 mm
  • Nylon: 0.762 mm – 2.921 mm
  • Policarbonato: 1.016 mm – 3.81 mm
  • Poliestere: 0.635 mm – 3.175 mm
  • Polietilene: 0.762 mm – 5.08 mm
  • Solfuro di polifenilene: 0.508 mm – 4.572 mm
  • Polipropilene: 0.889 mm – 3.81 mm
  • Polistirene: 0.889 mm – 3.81 mm
  • Poliuretano: 2.032 mm – 19.05 mm

Inoltre, le pareti dovrebbero avere uno spessore uniforme. Uno spessore irregolare delle pareti porta a segni di depressione. Un segno di depressione è un cedimento superficiale locale causato dal raffreddamento lento delle sezioni più spesse. Si consiglia di mantenere lo spessore della parete il più possibile uniforme. Tuttavia, qualora sia inevitabile avere spessori non uniformi, la differenza di spessore non deve superare il 15% di quello nominale. Si consiglia inoltre di creare una sezione conica o graduale.

Aggiungete angoli di sformo al vostro disegno

Design Tips for Injection Moulding - Draft angles

Molti processi di asportazione del materiale come la lavorazione CNC possono produrre pareti verticali. Tuttavia, la creazione di un pezzo per la stampa a iniezione con pareti verticali comporterà che il pezzo rimanga incastrato in particolare al centro, poiché la parte si contrae durante il raffreddamento. Se viene applicata troppa forza per espellere il pezzo, il rischio di danneggiare i perni dell’espulsione e persino lo stampo diventa molto elevato. Progettate le pareti delle parti con una leggera inclinazione per evitare questo problema. Questa inclinazione si chiama angolo di sformo. 

A causa dell’elevata complessità che comporta nella progettazione, l’angolo di sformo viene solitamente aggiunto nelle fasi finali della progettazione del pezzo. Superfici diverse richiedono angoli differenti. Le superfici ruvide richiedono la maggior parte dello sformo. Qui sotto analizziamo alcune superfici comuni utilizzate nello stampaggio ad iniezione e i loro minimi angoli di sformo.

  •  Per tutte le facce «quasi-verticali»: 0,5°
  •  Situazioni più comuni: 2°
  •  Tutte le superfici chiuse: 3°
  •  Pareti con lievi goffrature: 3°
  •  Pareti con goffrature medie: 5° o più

Aggiungere nerve e rinforzi ad alcune parti

Design Tips for Injection Moulding - Ribs and gussets

Alcune parti richiedono delle coste. Le nervature e le coste conferiscono maggiore resistenza alle parti e aiutano ad eliminare i difetti cosmetici come deformazioni, cedimenti e vuoti. Queste caratteristiche sono essenziali per i componenti strutturali. Pertanto, è preferibile aggiungerli alle parti piuttosto che aumentare lo spessore delle parti per incrementarne la resistenza. 

Tuttavia, se non correttamente disegnato, questo può portare a un restringimento. Il restringimento si verifica quando la velocità di raffreddamento di alcune parti è molto più veloce di altre, con conseguente flessione permanente di alcune sezioni. La deformazione può essere efficacemente ridotta mantenendo lo spessore delle nervature tra il 50 e il 60% di quello della pareti che collegano.

Aggiungere raggi e raccordi al disegno della parte

Design Tips for Injection Moulding - Part radii and fillet

L’utilizzo, quando possibile, dei raccordi nelle parti elimina gli spigoli vivi, migliorando il flusso del materiale e l’integrità strutturale del pezzo. Gli spigoli taglienti causano debolezza nella parte siccome il materiale fuso viene fatto fluire attraverso o all’interno dell’angolo. Gli unici punti in cui gli spigoli vivi non possono essere evitati sono le superfici di separazione o quelle chiuse. 

I raggi e i raccordi sono anche parzialmente utili all’espulsione, in quanto gli spigoli arrotondati hanno meno probabilità di rimanere incastrati durante l’espulsione rispetto a quelli acuti. Inoltre, gli spigoli vivi non sono strutturalmente consigliabili in quanto portano a punti di stress che possono causare la rottura dello stampo. I raccordi contribuiscono ad attenuare lo stress sugli spigoli. 

Inoltre, l’inclusione di spigoli vivi nella vostra parte aumenterà esponenzialmente i costi di produzione, in quanto ciò richiederebbe che lo stampo presenti angoli taglienti che possono essere ottenuti solo con tecniche di produzione molto costose. Aggiungere sempre raggi di almeno 0,5T per i raggi interni e 1,5T per i raggi esterni, dove T rappresenta lo spessore del pezzo.

Aggiungete agganci a scatto alle vostre parti

Design Tips for Injection Moulding - Snap fits

Gli agganci a scatto si ottengono tramite i sottosquadri. Lo stampo straight-pull, composto da due metà complementari, è il design più semplice, ma non è adatto alla produzione di pezzi con sottosquadri. Ciò è dovuto alla difficoltà di lavorare uno stampo di questo tipo con il CNC e alla tendenza del materiale a rimanere incastrato durante l’espulsione. I sottosquadri sono solitamente creati utilizzando azioni laterali. Tuttavia, le azioni laterali aumentano significativamente i costi degli utensili. Fortunatamente si possono adottare alcuni consigli di progettazione per ottenere la funzione di un sottosquadro senza impiegare azioni laterali. Un modo per risolvere il problema è quello di introdurre una cava.

Questo è anche indicato come una base passante. Un altro modo è quello di regolare o spostare la linea di separazione della parte. Così facendo, occorre anche regolare l’angolo di sformo di conseguenza. Lo spostamento delle linee di separazione è particolarmente indicato in presenza di sottosquadri che si trovano all’esterno del pezzo. È inoltre possibile utilizzare i sottosquadri a strappo, indicati anche come estraibili. Tuttavia, utilizzare questa funzione solo quando il pezzo è abbastanza flessibile da deformarsi ed espandersi durante l’espulsione dallo stampo.

Inoltre, prevedete una luce sufficiente: gli estraibili devono avere un angolo che varia da 30° a 45° per una espulsione efficace. Tutte queste alternative alle costose anime laterali richiedono una significativa riprogettazione della parte. Quando la ridisegnazione di un pezzo non è possibile a causa della possibilità che possa influenzare la funzionalità del pezzo, allora bisogna impiegare azioni laterali e basi scorrevoli per affrontare i sottosquadri. Queste unità scivolano all’interno quando lo stampo si chiude e fuori quando esso si apre. Le basi laterali devono spostarsi perpendicolarmente e presentare angoli di sformo appropriati.

Fissare le sporgenze a pareti laterali o prevedere nervature

Design Tips for Injection Moulding

Le sporgenze sono elementi cilindrici, modellati in una parte, che servono ad accogliere perni, inserti o viti autofilettanti, finalizzate alle operazioni di montaggio. Queste lavorazioni non devono essere indipendenti. Fissare sempre le sporgenze a una parete laterale o a una nervatura per garantire l’integrità strutturale della parte. Per le applicazioni autofilettanti, il diametro esterno della sporgenza dovrebbe essere due volte e mezzo il diametro della vite.

Scegliere il corretto posizionamento del punto di iniezione

I punti di iniezione sono sezioni di ingresso attraverso le quali il materiale fuso entra nello stampo. Un loro posizionamento errato può portare ad un flusso irregolare del materiale nelle diverse sezioni dello stampo. Ciò si tradurrà nella formazione di striature o sagome note come linee di flusso. 

Oltre al posizionamento strategico del punto di iniezione, l’aumento dell’iniezione stessa può anche garantire un flusso uniforme attraverso le cavità dello stampo. Prevedere sempre punti di iniezione sulla parte, in posizioni che non influiscono sulla funzionalità o l’estetica della parte.

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pubblicato in Design