Proto Labs: come ridurre gli spigoli nei pezzi stampati a iniezione

fig_4121Nel suo ultimo suggerimento per il design, Proto Labs spiega come posizionare correttamente spigoli e fasce, al fine di rafforzare i pezzi stampati a iniezione.

Gli spigoli vivi svolgono un ruolo assolutamente importante nel disegno di un pezzo, ma sono spesso forieri di problemi quando si tratta di stampare a iniezione pezzi in plastica. Pertanto, i progettisti devono essere a conoscenza delle problematiche associate alla “quadratura” dei prodotti da essi sviluppati. Senza la giusta quantità di spigoli arrotondati e fasce, la precisione, forza ed estetica del pezzo saranno inferiori alle aspettative.

I bordi lisci e arrotondati sono importanti, ma esistono diversi altri fattori che possono influenzare persino il disegno migliore del raggio di curvatura di un pezzo. Questi fattori includono:
Scelta dei materiali. Alcuni materiali plastici sono più adatti alla realizzazione di pezzi che presentano spigoli vivi. La scelta del materiale adatto alla vostra applicazione è un passo necessario per la produzione di pezzi funzionali precisi.
Spessore delle pareti. Aumentare lo spessore di pareti adiacenti potrebbe assorbire parte della sollecitazione associata agli spigoli vivi interni, ma può creare altre problematiche di progettazione.
Geometria del pezzo. Alcuni pezzi sono semplicemente più “stampabili” di altri

L’ottenimento di forma, adattamento e funzionalità appropriati dipende dalla qualità della progettazione del pezzo, gran parte del quale è rappresentato dalla curvatura degli spigoli.

Nonostante il suo utilizzo diffuso in quasi tutti i settori dell’industria, lo stampaggio a iniezione è un processo complesso. Gli aspetti da considerare sopra elencati influiscono sull’ampiezza della curvatura degli spigoli richiesta in un qualsiasi disegno e ne condizionano l’efficacia. Questo suggerimento di progettazione vi aiuterà ad ottenere un equilibrio ottimale di ciascuno di essi.

Il giusto raggio 
Immaginate di progettare un contenitore stampato a iniezione per alloggiare piccoli servomotori e componenti simili per un fabbricante di prodotti di elettronica. La prima soluzione progettata permette di ottenere una cassa poco profonda con scomparti interni, simile a quella usata per custodire accessori per la pesca, con una serie di grandi scomparti con angoli appuntiti per evitare che il contenuto si sposti durante il trasporto. I motori sono abbastanza pesanti per le loro dimensioni per cui dovete selezionare un materiale resistente come ad esempio il nylon rinforzato in vetro per il corpo, e poiché volete poter osservare il contenuto della cassa senza dover aprire il coperchio, vorreste usare polimetilmetacrilato trasparente per quest’ultimo.

Sfortunatamente, la cassa che ottenete è inutilizzabile. La parte inferiore è deformata e le pareti di ciascuno scomparto talmente storte da non permettere l’inserimento dei motori o da consentirne lo spostamento al suo interno, con conseguente danneggiamento. Questo accade perché il disegno della cassa contiene angoli appuntiti che generano stress residui durante il processo di stampaggio.

Occorre considerare due tipi di raggi: quelli interni e quelli esterni. Consideriamo le raggiature interne presenti nella parte inferiore di ciascuno scomparto, dove le pareti intersecano la base. Anziché lasciare che le pareti si intersechino senza raggio di raccordo, si dovrebbe usare un raggio di almeno 0,5 volte lo spessore delle pareti adiacenti.

Allo stesso modo, i raggi esterni nel punto di intersezione di quelle pareti dovrebbero essere arrotondati di circa tre volte tale valore, ovvero misurare 1,5 volte lo spessore della parete più vicina. Questo permette alla plastica fusa di scorrere più agevolmente ed elimina gli stress residui che deformano i pezzi dalle pareti sottili. Contribuisce anche ad evitare le fessurazioni, che causano guasti prematuri ai prodotti.

Scelta dei materiali 
Lungo le sommità di alcuni scomparti o nel perimetro esterno del contenitore, si potrebbero anche osservare degli spazi aperti, come se non ci fosse plastica a sufficienza per completare il pezzo. La corretta curvatura degli angoli aiuta spesso a risolvere questo problema anche se potrebbe probabilmente attribuirsi alla materia prima.

Quando viene fatta passare attraverso le complesse parti di uno stampo a iniezione, la plastica fusa non si comporta come una sostanza amorfa e facile da trattare. Contiene lunghe catene di molecole che creano legami con quelle adiacenti per cui oppongono resistenza all’essere ammassate in angoli stretti o al dover fluire attorno a caratteristiche affilate quali montanti e intersezioni di pareti. Il risultato è spesso deludente, in quanto il materiale non riesce a raggiungere ogni angolo e recesso della cavità dello stampo, lasciando spazi aperti nel prodotto finito.

Anche quando il materiale fluisce completamente, gli stress residui causati da tutti quei piegamenti e torsioni di molecole si manifestano come deformazione e piegatura nel pezzo stampato, particolarmente in quelli dagli angoli disegnati in modo incorretto. Questo vale particolarmente per i materiali rinforzati in fibra di vetro, in quanto tanto la loro maggiore resistenza e integrità molecolare li rende meno adatti a “seguire il flusso” rispetto alle plastiche non rinforzate. Il cambiamento di tipo di plastica o l’utilizzo di plastica non rinforzata potrebbe ovviare il problema ma senza il giusto disegno dello stampo, la deformazione del pezzo è un aspetto che desta preoccupazione anche quando si impiegano materiali che fluiscono liberamente come il TPU (santoprene) e il TPE . Ancora una volta, l’uso di raggiature appropriate in progettazione contribuisce notevolmente ad evitare questi problemi.

Metodi di produzione 
Occorre anche tenere in considerazione che i limiti della lavorazione a macchina utensile potrebbero rendere assolutamente inutili queste raccomandazioni perché, se non vengono usati metodi di produzione alternativi, gli angoli interni di qualsiasi cavità di uno stampo non possono essere inferiori al raggio della fresa usata per lavorarli, aspetto che il vostro preventivo Proto Labs illustrerà in modo chiaro.

Quali sono questi metodi di produzione? Consideriamo un altro disegno di stampo, per il manicotto di isolamento di un dispositivo medicale lungo quanto un dito. La parte “maschio” dello stampo è un inserto in alluminio, con curve delicate e rastremazioni semplici da lavorare a macchina utensile e che facilitano l’espulsione del pezzo. La parte “femmina” dello stampo, il pezzo che formerà l’esterno del manicotto di isolamento, è anch’essa facile da stampare a iniezione ma purtroppo si rivela difficile da produrre con i metodi tradizionali per la sua profondità e per la stretta sezione trasversale.

Non vogliamo dire che non si possa realizzare, ma soltanto che costerà un po’ di più. L’elettroerosione, o EDM, è un processo senza contatto che utilizza scintille ad elevata energia per erodere o “bruciare” via il metallo, e viene spesso usata per creare caratteristiche che non possono altrimenti essere lavorate a macchina. Richiede elettrodi, utensili solitamente in grafite o lega di rame lavorati ad una forma inversa della caratteristica da bruciare. Sia l’elettrodo che il pezzo vengono erosi durante il processo EDM (sebbene gli elettrodi vengano erosi molto più lentamente), rendendo necessaria la lavorazione a macchina di una serie di utensili per portare a termine la maggior parte dei lavori.

Le cavità di uno stampo come questo risultano abbastanza facili da sottoporre ad elettroerosione ma le operazioni di creazione di archi, caratteristiche a filo e orbite la rende proibitivamente lenta per la maggior parte delle richieste di stampaggio rapido. Questo è il motivo per il quale molti produttori di stampi, Proto Labs inclusa, fabbricano inserti aggiuntivi per ottenere pezzi dalle geometrie complesse. E per quanto riguarda il contenitore per il trasporto di componenti elettronici, le tasche saranno probabilmente formate utilizzando pezzi avvitati di allumino separati da strette scanalature, che formano un motivo a scacchiera attraverso il quale la plastica fusa può scorrere. In entrambi gli esempi, occorre applicare raggi (e angoli di spoglia) adeguati ai diversi componenti dello stampo, per assicurare l’integrità e la facile espulsione del pezzo.

fig_4122Geometria del pezzo 
Per molti pezzi è utile inserire delle nervature. Prendete un pezzo piatto e sottile di polipropilene o plastica ABS e torcetelo. Davvero facile, no? Per aumentare la resistenza dei pezzi in plastica, i progettisti aumentano spesso gli spessori delle pareti. Ma questo può creare depressioni, ritiro e formazione di bolle, e dovrebbe essere evitato. Un’alternativa migliore è l’introduzione di un motivo a reticolo (ad esempio a nido d’ape) sulle sezioni trasversali sottili o una serie di brevi nervature verticali allineate lungo la direzione delle sollecitazioni direzionali del pezzo. Questo rende i pezzi in plastica più rigidi e aumenta notevolmente la loro resistenza strutturale: nell’esempio della cassa del servomotore, la base e il coperchio del prodotto dovrebbero presentare nervature per renderla resistente ma al contempo leggera, e proteggerne il contenuto da ogni inconveniente possibile. Ricordate soltanto che tutti gli angoli di quelle nervature, sia interni che esterni, devono avere un raggio appropriato.

Se tutte queste operazioni di arrotondamento e fasciatura vi sembrano una seccatura, non preoccupatevi: la maggior parte dei sistemi CAD facilita questi compiti.

È anche importante ricordare che regole di progettazione come quelle qui descritte sono fatte per essere infrante: materia prima, dimensioni del pezzo, geometria delle caratteristiche e quantità di produzione sono tutti aspetti importanti ai fini del disegno; questo è uno dei motivi per cui un’analisi di realizzabilità approfondita e la consulenza di esperti in quest’area rappresentano un passo importante in qualsiasi progetto di stampaggio a iniezione.

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