È tempo di “micromoulding”

cortesia Engel

Produrre pezzi di dimensioni ridottissime per mezzo di stampaggio a iniezione è oggi possibile con macchine e materiali speciali e con adeguate competenze.

Viene definito “micro injection moulding” (o più brevemente, “micromoulding” o “microstampaggio”) il tradizionale processo di iniezione della plastica “ridotto” su scala micrometrica. Si tratta cioè dello stampaggio a iniezione per la produzione di componenti di dimensioni minime, entro le decine di micron, per i quali sono richieste precisioni e tolleranze estremamente strette. Rispetto al processo tradizionale il “micro injecting moulding” si differenzia perché prevede attrezzature molto diverse – non solamente più piccole – e perché non sempre i materiali utilizzati rispondono allo stesso modo su scala micrometrica, in termini di solidificazione e plastificazione, rispetto al “macrometrico”. Non solo: pezzi così piccoli difficilmente possono essere “ripresi” dopo lo stampaggio, dunque devono già essere “finiti” al termine del processo produttivo; ciò significa che ogni elemento – rugosità degli stampi, superfici, dimensioni, ecc. – deve essere studiato preventivamente per evitare difetti e imperfezioni. Per entrare nel dettaglio, abbiamo deciso di parlare dell’argomento con l’ing. Gianluca D’Urso, Ricercatore in Tecnologie e Sistemi di Lavorazione dell’Università degli Studi di Bergamo, il quale ha così esordito: «I problemi e le criticità sono notevoli e legate principalmente al microstampo da realizzare, all’accuratezza del componente da produrre e alle attrezzature da utilizzare. Per tale motivo, il “micromoulding” prevede competenze, macchine e studi specifici che non possono essere improvvisate».

Materiali nano-caricati

Le principali imprese produttrici di sistemi di stampaggio stanno producendo ormai da tempo presse a iniezione per applicazioni di “micromoulding”; ciononostante le macchine in molti casi non bastano in quanto spesso, per implementare con successo questo tipo di tecnologia, occorrono anche competenze specifiche e materiali speciali. Uno degli aspetti più importanti da considerare quando si valutano produzioni di microstampaggio è proprio quello relativo ai materiali, i quali – come detto – non sempre su scala microscopica si comportano come nel caso del macroscopico. D’Urso: «Se, per esempio, scaliamo la sezione di un componente polimerico da 50 mm2 a 10 mm2 è probabile che le caratteristiche meccaniche, di deformabilità, ecc., si conservino immutate o, meglio, restino “proporzionali” alla dimensione della superficie. Andando tuttavia ancora più nel piccolo, è probabile che tali caratteristiche inizino a variare rispetto a quanto noto in letteratura, e a non essere più “proporzionali” alla superficie». Per tale motivo, uno dei nuovi trend di ricerca di imprese e università è quello di studiare il comportamento dei materiali polimerici a livello micrometrico. Ma non solo: sono molto studiati e anche i cosiddetti materiali “nano caricati”, cioè polimeri che vengono arricchiti con nanoparticelle di vario tipo  (per esempio di carbonio, talco, argilla, ecc.) al fine di ottenere, a seconda dei casi, materiali del tutto nuovi e con prestazioni anche sorprendenti. Gianluca D’Urso spiega: «Il diverso comportamento dei polimeri su scala micrometrica ha imposto la ricerca di soluzioni nuove per migliorare le loro caratteristiche fisiche e meccaniche. I materiali nano caricati, che possono essere considerati come una sotto categoria speciale dei materiali “compositi”, rappresentano la soluzione di questo problema». Il “nano caricamento”, tuttavia, non ha solo l’obiettivo di migliorare le caratteristiche fisico-meccaniche dei materiali a livello micro, ma anche quello di rendere “possibile” la realizzazione tecnica di certi pezzi. Infatti, non è detto che a livello microscopico i materiali mantengano inalterata la loro propensione all’iniezione e al riempimento della cavità dello stampo. «Quando uno stampo è molto piccolo – riprende D’Urso – i polimeri fusi possono avere difficoltà a riempire completamente tutte le cavità dello stesso, e ciò può tradursi in errori e difetti. In definitiva, i materiali nano caricati, da una parte migliorano le caratteristiche meccaniche e fisiche di componenti molto piccoli, quindi non sempre sufficientemente resistenti perché questi possano essere impiegati in settori “delicati” come quello biomedicale; dall’altra, se opportunamente studiati e scelti, possono evitare problemi in fase produttiva, cioè permettono lo stampaggio a iniezione in maniera efficace».

Ricerca “micro” ma d’eccellenza

Per dimostrare in concreto il livello della ricerca italiana in questo settore, abbiamo chiesto a Gianluca D’Urso di illustrarci un esempio concreto. «L’Università degli Studi di Bergamo sta attualmente collaborando con l’ITIA-CNR per realizzare uno stampo speciale che permetta di produrre “microprovini” per prove di trazione». Si tratta di uno studio molto interessante che indaga un terreno quasi sconosciuto e tutto da scoprire. «Per questo tipo di applicazioni – riprende D’Urso – non esiste nemmeno una normativa di riferimento che indichi forma e dimensione dei provini e che “preveda” il comportamento dei diversi materiali da testare. In definitiva, il nostro compito sarà proprio quello di verificare il comportamento a trazione di determinati materiali su scala micrometrica: cercheremo di ampliare le conoscenze in questo campo e di verificare, al variare delle forme, delle dimensioni e del “nano caricamento”, come si comportano certi materiali sottoposti a sforzi di trazione». Oltre al lavoro di ricerca di matrice accademica, l’ambito del microstampaggio può prevedere molti casi applicativi d’interesse per le imprese che operano nel settore degli stampi. A tal proposito, Gianluca D’Urso aggiunge: «Le imprese e i tecnici italiani sono da sempre molto abili nel ricercare e ideare soluzioni nuove e a trovare soluzioni innovative e nel risolvere problemi nuovi e ostici, tuttavia non è detto che i fenomeni, molti dei quali sconosciuti, relativi al microstampaggio possano essere previsti o “regolati” senza il supporto di un centro di ricerca specializzato. Il mio consiglio è quello di affiancare, se possibile, un certo tipo di produzione all’attività di ricerca “applicata”, così da conseguire un reale vantaggio competitivo e risultati tangibili sul piano produttivo, rivolgendosi a istituti e centri dotati di giuste competenze nonché di attrezzature e macchine che in alcuni casi soprattutto le piccole imprese metalmeccaniche italiane non possono permettersi».

Uno sguardo al futuro

Per concludere, chiediamo a Gianluca D’Urso una previsione “tecnologica” nel settore. Il microstampaggio a iniezione prenderà sempre più piede, superando le difficoltà attuali d’attuazione? «In questo campo è difficile anticipare tendenze e orientamenti del mercato in maniera precisa. Quel che si può dire è che la richiesta di componenti di piccole dimensioni sarà sempre più marcata in diversi ambiti industriali». Per produrre pezzi di dimensione micrometrica esistono diverse tecnologie consolidate: la microfresatura, la microelettroerosione, ecc. Tali tecniche, tuttavia, sono per lo più orientate alla produzione di pezzi in serie limitate. «Il microstampaggio, invece, se ben implementato, assicurerebbe enormi vantaggi in caso di grandi serie. Infatti, una volta realizzato l’investimento iniziale dello stampo, i costi di produzione si abbassano notevolmente. In tal senso si tratta di una tecnica decisamente appetibile e interessante, tanto più se continuerà a diffondersi su larga scala il ricorso ai materiali nano strutturati e se miglioreranno ulteriormente le performance delle attrezzature per il microstampaggio a iniezione», conclude D’Urso.

Molti settori di sbocco

Lo stampaggio a iniezione tradizionale è una delle tecnologie di produzione più utilizzate in ambito industriale, in quanto garantisce alta produttività e bassi costi sul singolo pezzo: esso viene utilizzato per realizzare la gran parte dei manufatti in plastica che fanno parte del nostro mondo. A livello micrometrico lo stampaggio a iniezione non è ancora così diffuso, ma rappresenta una tecnologia con grandi potenzialità in termini di convenienza e competitività. Basti pensare che in tal modo potrebbero essere realizzati molti componenti in plastica, che attualmente sono ancora prodotti in materiali metallici, con grande precisione e accuratezza. E soprattutto, in certi ambiti, il trend del microstampaggio sembra ben avviato, come dimostrano le tante applicazioni, per esempio nel settore biomedicale, dell’igiene orale e della cosmetica (setole per spazzolini, setole per applicare il mascara, ecc.), in quello biotecnologico, ma anche dell’elettronica, dell’automotive, ecc. Tale evoluzione dipende anche dal fatto che, fino a qualche anno fa, le macchine per microstampaggio altro non erano che quelle tradizionali su scala ridotta, ottenute cioè per “downscaling”. Oppure, venivano utilizzate macchine e stampi tradizionali nei quali venivano ricavate “microfigure”; i risultati, tuttavia, non potevano essere soddisfacenti per i tanti problemi che i materiali possono presentare a livello “micro”. Oggi, invece, la tecnologia è stata affinata e continua a fare passi da gigante, e le nuove macchine e attrezzature disponibili in commercio per microstampaggio a iniezione sono molto evolute e garantiscono il controllo ottimale di ogni parametro del processo (temperature, pressioni, ecc.), permettendo di ottenere risultati assolutamente soddisfacenti.

 

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