Simulazione dei processi di stampaggio: un caso reale ne dimostra l’efficacia

Uno stampo di pressofusione realizzato alla MCS Facchetti.

I software di simulazione del processo di stampaggio a iniezione o di pressofusione aiutano i progettisti e tecnici a sviluppare e realizzare gli stampi in maniera più sicura ed efficace rispetto al passato. Si tratta – com’è noto – di tecnologie che nella sostanza permettono di mettere a punto lo stampo e di verificarne la sua funzionalità in maniera “virtuale” ancora prima di realizzarlo, in modo da individuare la migliore configurazione possibile riducendo errori e perdite di tempo. Tali software sono consolidati e diffusi ormai da alcuni anni sul mercato; ciononostante, ci siamo chiesti se esistono differenti approcci, diverse interpretazione dei risultati e altre variabili da tenere in conto durante il loro utilizzo. Per fare il punto della situazione, abbiamo coinvolto un’azienda stampista all’avanguardia nel settore, la MCS Facchetti S.r.l. di Mura (BS).

Processo di iniezione: sforzo di taglio con orientamento fibre.

Capire e interpretare i risultati
Paolo Facchetti, tra gli amministratori dell’azienda, entra subito nel vivo: «Le tecniche di simulazione sono molto diffuse oggi all’interno delle attrezzerie; noi cominciammo ad adoperare tali soluzioni molto presto, nel 1995, nell’ambito sia della pressofusione sia dell’iniezione plastica, al fine di portare a compimento alcuni progetti molto importanti che già all’epoca necessitavano di un grado di analisi e di studio d’ordine superiore». I software di simulazione consentono di modellare a livello virtuale il processo di stampaggio e quindi, grazie ai CAD integrati, di disegnare e modificare lo stampo in progettazione fino a individuare la migliore conformazione, quella cioè quella che garantisce il migliore processo di riempimento del materiale fuso, l’uniformità del raffreddamento e il perfetto controllo dei ritiri dimensionali. «I software riescono a individuare con grande precisione le zone in cui possono nascondersi difetti, per esempio micro-bolle di gas intrappolati, oppure concentrazioni di sforzi, irregolarità nell’andamento dei flussi e così via. E tuttavia occorre sapere interpretare bene i risultati. Il dato numerico, di per sé, ha poco valore, in quanto può essere influenzato da una grande quantità di fattori non sempre prevedibili o conosciuti; ciò che conta è invece capire che “dietro” quei numeri può esserci un difetto, un problema da valutare ed eventualmente risolvere».

Inglobamenti di aria durante l’iniezione.

L’analisi modellistica, in pratica, consente, specialmente durante i primi passi della simulazione, di individuare le zone critiche, quelle in cui possono annidarsi i difetti. Variando i parametri, la geometria dello stampo, le scelte costruttive, la posizione delle iniezioni o dei canali di colata, ecc., è poi possibile capire se l’entità di tali difetti cresce o diminuisce. L’obiettivo è quello di ridurre al minimo e di minimizzare tali difettosità. Facchetti: «In questo processo, conta non solo la precisione del software, ma anche l’esperienza e la conoscenza della materia del programmatore che lo utilizza in quanto i dati, come detto, devono essere capiti e interpretati. Chi utilizza tali programmi deve saper capire come funziona lo stampo nel suo complesso e non guardare al dettaglio numerico della simulazione». Tale precisazione è fondamentale: il processo di stampaggio è condizionato da diversi fattori (macchinari, sistemi di riscaldamento-raffreddamento, gestione dei processi, vincoli dettati dalle automazioni, ecc.) che condizionano ovviamente la simulazione ma che il più delle volte sono noti solo allo stampatore. «Per questa ragione – continua – è assolutamente indispensabile vi sia la massima collaborazione con il cliente stampatore, il quale deve aprirsi e dialogare con noi al fine di arrivare al migliore risultato possibile. Purtroppo, ciò avviene di rado: gli stampatori e ancor più le fonderie sono spesso gelosissime del proprio know-how e fanno fatica a condividere i dati di processo. Per tale ragione siamo noi stampisti a dover avere, sostanzialmente, una cultura e una preparazione da stampatore. Fortunatamente esistono anche clienti che capiscono che più è fitta e proficua la collaborazione, migliore sarà la simulazione, più rapido sarà lo sviluppo e migliore la qualità dello stampo che utilizzeranno».

In definitiva: i simulatori sono strumenti ormai essenziali e indispensabili nello sviluppo di uno stampo, e tuttavia i dati numerici che ne conseguono non devono essere presi per oro colato ma vanno considerati quale preziosa indicazione ed essere sempre interpretati. Facchetti: «I risultati della simulazione devono essere sempre valutati assieme al cliente il quale deve verificare che la qualità del pezzo finito “simulato” coincida con quella attesa e che il livello di criticità e difettosità raggiunto ricade all’interno della tolleranza prevista dal progetto».

Simulazione delle fasi di riempimento solidificazione e deformazione con circuiti di condizionamento (stampaggio a iniezione).

Il processo di simulazione
Proviamo ora a capire come l’ufficio tecnico della MCS Facchetti esegue un classico processo di simulazione. A tal fine abbiamo scomodato Federico Maioli, dell’ufficio tecnico, che premette: «Noi utilizziamo i software Visi Flow di Vero Software/Hexagon e Mold Flow di Autodesk per la simulazione completa dello processo di stampaggio con stampi a iniezione plastica, e ProCast della ESI Group per la pressofusione». In entrambi i casi (iniezione plastica e pressofusione) l’attività di sviluppo dello stampo prevede tipicamente tre livelli di simulazione.

Primo livello
Il primo passaggio è quello della discretizzazione del manufatto finito, cioè del disegno 3D del pezzo da stampare, attraverso la creazione di una griglia (mesh) composta da elementi primitivi (il cosiddetto “metodo “FEM” agli elementi finiti) di forma codificata. Maioli: «Una volta ottenuta la mesh, imponiamo al software di eseguire un primo riempimento del materiale fuso». Il riempimento “virtuale” eseguito in questa fase non prevede la presenza di uno stampo; non ci sono canali di alimentazione, di iniezioni, né circuiti di raffreddamento, ecc. «Ciò significa – precisa Maioli – che si tratta di un riempimento puramente teorico, la cui funzione è solo quella di capire come il materiale fuso può riempire la “forma” del pezzo, può raffreddarsi e solidificarsi. Ciò serve a individuare le parti delicate, ovvero quelle in cui possono esserci discontinuità dei flussi, elementi di criticità, ritiri anomali, raffreddamenti del materiale e così via». In genere, le criticità evidenziato dal simulatore sono la porosità da ritiro e l’intrappolamento di gas nel caso della pressofusione, mente sono gli inglobamenti di gas e i risucchi, con conseguenze più che altro di tipo estetico, per l’iniezione plastica. «Si tratta di una simulazione ancora grossolana, in cui i vincoli da rispettare solo quelli imposti dalle scelte fatte a monte dalla direzione e dall’ufficio commerciale: la geometria 3D del pezzo, il materiale, l’eventuale presenza di innesti o di anime, ecc.»

Pressofusione: comportamento del materiale all’interno del contenitore da versamento.

Secondo livello
Una volta approssimato il comportamento del materiale all’interno della forma e individuati i punti “ostici” del riempimento grazie all’analisi di primo livello, si passa a ipotizzare il posizionamento dei canali di iniezione, per quel che riguarda la plastica, dei canali di alimentazione per quel che riguarda la pressofusione, oltre che l’ubicazione dei rami di “cammino” del materiale, dei canali di sfogo, ecc., all’interno di un “contenitore” che rappresenta la prima approssimazione dello stampo. Federico Maioli: «L’obiettivo è quello variare il posizionamento dei canali di iniezione/colata, dei rami, delle vie di sfogo, ecc., fino a minimizzare i punti di criticità, cioè per normalizzare i flussi irregolari, alimentare quelli insufficienti, evitare l’intrappolamento di bolle d’aria, l’insorgere di porosità, e compensare i ritiri o i risucchi anomali». Il fine è dunque quello di determinare una configurazione tale da assicurare un processo di riempimento, raffreddamento, e ritiro/solidificazione il più possibile efficace. Federico Maioli spiega: «I software riescono a simulare tutto ciò che avviene durante il processo di stampaggio, dal versamento sino alla solidificazione, e restituiscono un’infinità di risultati e anche molto più precisi rispetto al primo livello. Tali dati, tuttavia, devono essere presi come “indicazione qualitativa” e non valori assoluti, in quanto dipendono dalle temperature, dai macchinari, dalle pressioni, ecc., in uso presso il cliente, cioè da variabili molto spesso a noi ignote». Infatti, come anticipato, ogni stamperia e ogni fonderia impone condizioni particolari di lavoro; ovviamente, più il cliente è propenso a fornire dati e condizioni del suo processo, maggiore sarà la precisione della simulazione. In ogni caso, la simulazione del processo di stampaggio plastica risulta più precisa di quella di pressofusione, in quanto le moderne presse elettriche a iniezione lasciano meno variabili in gioco.

Deformazione di una matrice in pressofusione.

Terzo livello
Il terzo livello della simulazione prevede la “costruzione digitale” dello stampo vero e proprio. Viene cioè disegnato lo stampo al CAD, comprensivo di tutte le sue caratteristiche (matrice, punzone, portastampo, carrelli, circuiti di condizionamento, bocca di carico, ecc.) e “meshato” secondo il procedimento degli elementi finiti. Si prosegue quindi con la simulazione del processo di stampaggio, che sarà più precisa rispetto a quella di secondo livello, in quanto comprendente aspetti nuovi come la presenza dello stampo e dei suoi componenti, il controllo della temperatura e delle pressioni al suo interno, ecc. «I dati ricavati in questa fase sono decisamente precisi. In genere, i dati più importanti sono quelli dell’andamento dei flussi del materiale all’interno dello stampo, gli intrappolamenti d’aria, le porosità da ritiro e i risucchi. Inoltre, non viene simulato il processo di riempimento e solidificazione, ma anche la risposta, in termini di deformazioni e sforzi, delle attrezzature alle sollecitazioni meccaniche e termiche. I risultati sono decisamente precisi, anche se l’avvertenza di non considerali come verità assoluta rimane valida per i motivi già spiegati in precedenza», avvisa Maioli. Un aspetto importante da considerare è che le simulazioni di terzo livello richiedono tempi non brevi di preparazione. Maioli: «Una simulazione di terzo livello richiede di eseguire il disegno dello stampo e di tutte le sue parti e la successiva modellizzazione in elementi finiti, il che è un’attività tutt’altro che rapida e banale. Inoltre, la simulazione, nonostante la potenza dei calcolatori impiegati, può durare diversi giorni, anche una settimana. Ciò perché serve una preparazione più complessa rispetto alle precedenti tipologie di simulazione, oltre al fatto è necessario lanciare una maggiore quantità di calcoli prima stabilizzare i risultati, esattamente come avviene nella realtà, in cui bisogna procedere per 15-20 cicli di stampaggio prima che lo stampo raggiunta il regime termico».

Quadro termico dello stampo completo durante il processo di pressofusione.

Uno strumento essenziale
Grazie ai software in dotazione, MCS Facchetti riesce a simulare i processi di stampaggio di qualsiasi tipo, nell’ambito sia dell’iniezione plastica, sia della pressofusione, con stampi multi impronta, multi componente, in “terza piastra”, sottovuoto, ecc.

Una volta effettuata la simulazione, il progetto passa ai tecnici dell’officina meccanico e a quelli delle prove di stampaggio. Facchetti: «La simulazione, anche se eseguita nel migliore dei modi, resta un’anticipazione puramente virtuale. Quando si passa alla realtà, cioè alla fase di produzione vera e propria con le prime prove di stampaggio, c’è sempre qualche elemento da aggiustare, rivedere, modificare. In base alle indicazioni che vengono dal reparto produzione, i disegni possono essere rivisti, e solo quando c’è il via libera nostro e del cliente, si “chiude” il progetto». E conclude: «I software di simulazione rappresentano ormai uno strumento essenziale e imprescindibile per assicurare un rapido e ottimale sviluppo dello stampo. L’importante è saperli utilizzare e interpretare correttamente».

Pressofusione: velocità del materiale all’interno della cavità.

Futuro: sempre più “di corsa”
«Il mercato è convulso – spiega Paolo Facchetti –. Si lavora quasi “just-in-time” senza la possibilità di programmare il lavoro sul medio periodo. I clienti chiedono che gli stampi vadano in produzione in tempi sempre più ridotti; ecco perché l’ufficio tecnico e l’officina devono avere una potenza di fuoco e una reattività molto più elevata rispetto a qualche anno fa». La velocità è dunque un elemento sempre più importante, e le tecniche di simulazione stampaggio permettono di accelerare tale processo di sviluppo. Ma non basta: «Noi utilizziamo fino a 12 processori, eppure una simulazione può durare ore, se non diversi giorni; ecco perché ci si augura che in futuro i sistemi software-hardware di simulazione abbiano una capacità di calcolo maggiore e una superiore velocità di processare i dati».

Pressofusione: solidificazione con inserto.

Amanti delle sfide
Sorge sui verdeggianti crinali delle prealpi bresciane, nell’operosa Valle Sabbia, la M.C.S. Facchetti S.r.l., azienda attiva nel settore della progettazione e costruzione di stampi pressofusione di leghe e iniezione materie plastiche, fondata nel 1977 dai coniugi Facchetti, Pietro e Brigida. L’impresa, che oggi si avvale di 32 dipendenti e del prezioso contributo dei tre figli dei fondatori, Sara, Paolo e Matteo, cerca da sempre nuove sfide. Paolo Facchetti spiega: «Noi preferiamo lavorare su progetti ad alto valore aggiunto, complessi, che ci spingano a testare soluzioni nuove, ad acquisire nuove competenze e a fare ricerca, sfruttando al massimo le nostre conoscenze e le nostre tecnologie. L’obiettivo che perseguiamo non è solo soddisfare il cliente, ma anche crescere acquisendo know-how e competenze sempre nuove. La filosofia aziendale è quella di eseguire tutte le fasi della produzione internamente. Noi cioè effettuiamo la simulazione, la progettazione, la costruzione e, in molti casi, perfino i trattamenti termici. In questo modo controlliamo meglio i processi di lavoro ottenendo la massima qualità in tempi ridotti». MCS Facchetti realizza, in stretta collaborazione con il cliente, stampi multi impronta, multi componente, gas moulding, in “terza piastra”, sottovuoto e co-stampaggio, per diversi ambiti applicativi in particolare per il settore automotive, idrosanitario, del design, dei complementi d’arredo, del packaging, dell’illuminazione ed elettrotecnico.

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