Stampi da podio: l’agitatore in pDCPD

Il pezzo stampato in polidiciclopentadiene. Sullo sfondo, Giancarlo Antonelli, fondatore e titolare della Ci.Esse di Monza (MB).
Il pezzo stampato in polidiciclopentadiene. Sullo sfondo, Giancarlo Antonelli, fondatore e titolare della Ci.Esse di Monza (MB).

Abbiamo deciso di approfondire in che modo possono essere progettati e costruiti stampi per realizzare componenti in pDCPD (Polidiciclopentadiene), speciale polimero che viene commercializzato più frequentemente sotto altri nomi (Metton, Telene, ecc.), e che viene sempre più spesso utilizzato specialmente nella fabbricazione di carenature nei settori dei trucks, dei trattori e delle macchine scavatrici della terra. A tal fine, abbiamo fatto la conoscenza della Ci.Esse di Antonelli Giancarlo di Monza, azienda costituita nel 1975 e specializzata nella costruzione di modelli e stampi per particolari in termoplastico, poliuretano e, appunto, in pDCPD.

«Il policiclopentadiene – spiega Giancarlo Antonelli, fondatore e titolare dell’azienda – è una resina con caratteristiche equiparabili alla vetroresina, ma che, a differenza di quest’ultima, può essere lavorata per stampaggio. È inoltre un materiale resistente all’urto, con immutate caratteristiche fisiche e meccaniche in un range molto ampio di temperatura, cioè tra i – 20° e i +80°C». Per tali ragioni, il pDCPD è utilizzato sempre più spesso quale materiale sostitutivo della vetroresina, essendo anche più conveniente, purché le quantità dei pezzi da produrre siano tali da giustificare l’investimento di uno stampo.

Lo stampo del dorso dell’agitatore in pDCPD posto sulla pressa di prova all’interno dello stabilimento di Monza.
Lo stampo del dorso dell’agitatore in pDCPD posto sulla pressa di prova all’interno dello stabilimento di Monza.

Un’applicazione davvero particolare
In questa sede, quale esempio “notevole”, proponiamo lo studio per la progettazione e la costruzione di uno stampo per la realizzazione di un dorso in pDCPD di un “agitatore” per acque di scarico. Antonelli: «L’agitatore è quel componente meccanico che, posto in lenta rotazione all’interno di grandi vasche di decantazione, permette il movimento continuo delle acque di scarico, cioè il deposito sul fondo di residui solidi al fine di abbattere il contenuto di parti inquinanti e fangose. Lo stampo in questione permette di realizzare il dorso dell’agitatore che, ovviamente, è composto da numerose altre parti».

Per l’esecuzione di tale particolare meccanico è stato scelto il pDCPD in quanto è un materiale che resiste molto bene agli agenti chimici, acidi e molto aggressivi, presenti all’interno delle acque reflue. Antonelli: «Il pDCPD è un materiale assai resistente, dal punto di vista chimico, anche più dell’acciaio inossidabile. I risultati delle prove eseguite con alcuni stampi pilota, con cui sono stati realizzati alcuni pezzi di prova, parlano chiaro: gli agitatori in policiclopentadiene possono durare fino a tre volte di più rispetto a quelli in inox, la cui durata media in esercizio all’interno delle vasche è di circa 5-6 mesi. Lo stampatore tedesco che ci ha richiesto questo tipo di stampo ha in previsione di stampare migliaia di pezzi, che saranno installati in impianti di trattamento delle acque reflue probabilmente in tutto il mondo».

Render 3D della matrice.
Render 3D della matrice.

Progettazione complessa
La particolarità del progetto è che il pezzo stampato in pDCPD prevede l’annegamento di inserti metallici, in acciaio-nickel, al fine di permettere la successiva fase di aggancio, mediante viti e bulloni, con le altre parti dell’agitatore. Tali inserti, che devono essere molto resistenti per sopportare l’estrema corrosività dei liquidi di scarico, sono allocati all’interno dello stampo al fine di essere conglobati nel polidiciclopentadiene. «In questo caso, il cliente ci ha fornito sia i disegni del pezzo finito, sia gli inserti metallici da collocare all’interno, in modo che noi abbiamo potuto sviluppare lo stampo in maniera ottimale», precisa Antonelli.

La progettazione, eseguita con software modellatori CAD tridimensionali quali ProEngineering e Catia, è stata tutt’altro che banale e ha previsto una durata di circa due mesi. Vi sono state criticità che hanno allungato i tempi di sviluppo e di progettazione dello stampo, in quanto il pezzo presentava diverse parti sotto-squadra che non permettevano la sua corretta estrazione. Per superare tali problemi, i progettisti della Ci.Esse hanno dovuto inserire perni e pistoni oledinamici per “liberare” in ogni sua parte l’elemento stampato. Non solo: il cliente ha preteso che gli elementi metallici inseriti all’interno dello stampo non formassero bave sul pezzo durante la fase di stampaggio, in quanto sarebbero state da rimuovere successivamente con aumenti di tempi e costi di produzione.

Render 3D del punzone.
Render 3D del punzone.

Il titolare della Ci.Esse, uomo che ha sulle spalle decenni di esperienza nel settore, aggiunge: «Noi realizziamo stampi per materiali diversissimi quali il poliuretano, i compositi, i termoplastici, il lattice, ecc., e ogni tipologia esige diverse tecniche di progettazione e costruzione degli stampi, con e accorgimenti specifici in cui conta molto l’esperienza. Nel caso in esame, la specificità dello stampo è determinata proprio dall’utilizzo del pDCPD, che è un materiale molto particolare, e che viene immesso nello stampo in fase liquida e che deve riempire completamente tutti le parti dello stampo. Per tale ragione, occorre provvedere a ricavare all’interno della matrice delle “riserve”, cioè delle “sacche” di liquido supplementare, al fine di evitare che vi siano parti di vuoto o bolle d’aria. Nell’ambito della pressofusione, riserve analoghe sono comunemente dette “fagioli”, ma lo scopo è sostanzialmente il medesimo».

La fresatrice FPT Sirio con cui è stato realizzato lo stampo.
La fresatrice FPT Sirio con cui è stato realizzato lo stampo.

La costruzione
Gli stampi per realizzare pezzi in pDCPD sono realizzati alluminio da blocco/fusioni in alluminio o kersite; quest’ultimo è un materiale che viene utilizzato quando occorre produrre particolari di alto valore estetico essendo lucidabile e non presentando macro-porosità superficiali. «Per il dorso dell’agitatore – precisa Antonelli – abbiamo preferito l’alluminio, non essendo un pezzo estetico. In questo caso, anziché da un blocco pieno, siamo partiti da una fusione, in modo da ridurre i costi di asportazione materiale». L’alluminio è dunque stato lavorato solo in superficie, con asportazione di una crosta di sovra-materiale di circa 5-6 mm. Per l’asportazione, Ci.Esse si avvale di macchine utensili a CNC moderne ed efficienti, di grandi dimensioni, di cui tre a 5 assi e 2 a portale, con capacità di lavoro fino a (6 x 1,2 x 2,0) m, e di macchine per l’esecuzione di forature profonde. Antonelli: «Eseguiamo lavorazioni di qualsiasi tipo, in genere su fresatrici Stark 4, FPT Dinomax con campo di lavoro da (4.000 x 2.200 x 1.100) mm e controllo Heidenhain, ma anche con trapani a bandiera, torni paralleli ed elettroeorosione a tuffo. Possediamo anche e saldatrici a filo continuo per acciaio e alluminio e una pressa di prova degli stampi. Tale parco macchine, molto vario e differenziato, ci permette di diversificare i clienti e ampliare i settori di sbocco».

Nel caso dell’agitatore, lo stampo del dorso è stato realizzato su una fresatrice FPT Sirio con campo di lavoro pari a (6.000 x 2.000 x 1.200) mm e con controllo CNC Selca 3045; la programmazione delle lavorazioni è stata eseguita mediante il CAM WorkNC, il quale ha permesso di determinare senza problemi i diversi percorsi utensili, anche in presenza, come nella geometria in esame, di superfici con doppia inclinazione.

Una volta lavorato su macchina, lo stampo è stato rifinito a mano al fine di rendere la superficie lucida. La lucidatura è stata eseguita in maniera spinta con l’obiettivo di facilitare il distacco del pezzo dallo stampo, in quanto per il policiclopentadiene non è possibile utilizzare prodotti distaccanti come nel caso di materiali termoplastici. Giancarlo Antonelli conclude: «Lo stampo finito ha una dimensione di circa (2,3 x 1,5 x 1,5) metri e un peso complessivo di circa 3 tonnellate. Ha di recente superato tutti i collaudi del caso e il benestare finale del cliente finale, che è rimasto assolutamente soddisfatto».

Dettaglio dello stampo con i fori per l’inserimento degli i inserti metallici
Dettaglio dello stampo con i fori per l’inserimento
degli inserti metallici

Stampaggio del policiclopentadiene
La produzione di pezzi in policiclopentadiene non avviene, come nel caso dei materiali termoplastici, mediante iniezione del materiale in pressione, bensì mediante reazione di due liquidi differenti che vengono miscelati prima di essere immessi nello stampo. Tali liquidi reagiscono chimicamente per mezzo di una trasformazione endotermica, in cui cioè l’entalpia del sistema aumenta e il calore viene trasferito dall’ambiente al sistema stesso. Giancarlo Antonelli entra nel dettaglio: «La miscela acquisisce calore all’interno dello stampo e, in tale fase, si espande e successivamente si indurisce, acquisendo così in maniera stabile la forma dello stampo. In media, il ciclo di stampaggio di un pezzo in pDCPD, cioè la fase di espansione e indurimento, è molto rapida, e può avvenire nel giro di 60 – 90 secondi». Gli stampi per pezzi di pDCPD, dunque, devono essere progettati e realizzati per gestire le diverse temperature tra matrice e punzone, e per controllare la fase di espansione e di indurimento della miscela.

Carta d’identità dello stampo
Materiale: alluminio di fusione.
Peso: circa 3 tonnellate
Dimensioni: (2,3 x 1,5 x 1,5) m
Impiego: produzione di un dorso di un agitarore destinato a vasche per il trattamento delle acque di scarico.
Progettazione: durata circa 1 mese con i CAD tridimensionali Pro/E e Catia
Tecnologie di costruzione: fresatrice FPT Sirio, con controllo CNC Selca 3045. CAM: WorkNC
Materiale del componente stampato: pDCPD (polidiciclopentadiene) con inserti in acciaio-nickel.
Processo di stampaggio: indurimento di miscela composta da due liquidi mediante reazione chimica endotermica
Cliente: stampatore tedesco.
Pezzi annui: 5.000
Fabbricante: Ci.Esse di Antonelli Giancarlo di Monza (MB) – email: info@ci-esse.com – tel.: +39 0141 766811

Vasca di decantazione di acque reflue, in cui viene tipicamente utilizzata un agitatore/girante.
Vasca di decantazione di acque reflue, in cui viene tipicamente utilizzata un agitatore/girante.

Una realtà dinamica
La Ci.Esse, azienda fondata nel 1975 da Giancarlo Antonelli, è realtà specializzata nella costruzione di modelli e stampi per particolari in materiale termoplastico, poliuretano, gomma e pDCPD. Nello storico stabilimento produttivo di Monza, e in quello nuovo di Mazzano (BS), l’impresa sviluppa e costruisce modelli e stampi in acciaio, alluminio e kersite; inoltre, fornisce servizi di prototipazione, design e co-design e reverse engineering. Ci.Esse opera principalmente nei settori elettromedicali e dentale, delle macchine di movimento a terra, trattori, trucks ed automotive, dei mobili, delle macchine per caffè, ecc.

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