Tecniche avanzate nella pulizia degli stampi

Pulizia laser manuale (cortesia Word Press)
Pulizia laser manuale (cortesia
Word Press)

Lavorazione della mescola
Una moderna mescola per pneumatici può arrivare ad avere oltre 200 materiali diversi, a seconda del produttore e della destinazione d’uso dello pneumatico. Mentre, ad esempio, per una vettura da competizione le prestazioni sono la priorità, per mezzi a lunga percorrenza come tir o pullman è più importante ridurre al massimo i consumi di carburante e il deterioramento (tab. 1).

La lavorazione prende avvio con la miscelazione di materie prime come plastificanti, nero di carbone, silice, nonché altri ingredienti presenti in quantità minori. Sono aggiunti poi acceleranti e vulcanizzanti. Questa mescola viene raffreddata in una vasca d’acqua e infine macinata. Andrà a costituire la parte gommosa dello pneumatico e, in particolare, battistrada, fianchi e tele. Le tele sono principalmente in fibre tessili, soprattutto poliestere, ma anche nylon o rayon. L’adesione delle fibre allo pneumatico viene ottenuta tramite calandratura. Le fibre sono poste a una tensione prefissata e imbevute di mescola. Questo mix passa ripetutamente attraverso rulli fino a quando si ottiene la compenetrazione e lo spessore desiderato. La fascia del battistrada è invece ottenuta per estrusione e non riporta il disegno, che sarà invece impresso nella fase di vulcanizzazione.

Processo vulcanizzazione (cortesia Bridgestone)
Processo vulcanizzazione (cortesia Bridgestone)

Assemblaggio e vulcanizzazione
I vari semilavorati confluiscono alla zona di assemblaggio dove andranno ad assumere una dimensione vicina a quella finale e una corretta posizione reciproca, condizione essenziale prima di entrare nello stampo (fig. 1). Si passa poi a spruzzare una soluzione acquosa all’interno dello pneumatico in modo da facilitarne il distacco nella fase di estrazione dalla pressa post-vulcanizzazione. La vulcanizzazione è un processo grazie al quale la gomma naturale, legandosi con lo zolfo, perde le proprie caratteristiche plastiche diventando un materiale essenzialmente elastico. Durante la vulcanizzazione, eseguita normalmente a caldo, lo zolfo si lega con le varie catene della gomma, creando legami trasversali. Nel caso degli pneumatici, la vulcanizzazione avviene a circa 180-200°C in presse a piani riscaldati, tramite stampaggi a compressione o a iniezione. La forma allo pneumatico viene data da appositi stampi (fig. 2).

Stampo per pneumatici (cortesia Michelin)
Stampo per pneumatici (cortesia Michelin)

Caratteristiche degli stampi
Gli stampi per pneumatici sono elementi molto complessi e devono pertanto essere realizzati con tolleranze estremamente ristrette. Uno stampo è composto da più parti. Si hanno due elementi chiamati “sidewall” o “guance”, che danno la forma ai fianchi dello pneumatico. Hanno la forma di dischi forati centralmente e sono realizzati in acciaio (fig. 3). La superficie del battistrada è invece realizzata da più elementi, chiamati settori e realizzati in lega d’alluminio, su cui è inciso il disegno del battistrada stesso. Il prezzo di uno stampo può arrivare a 60.000 dollari. Deve essere realizzato uno stampo per ogni tipo di battistrada e per ogni misura di pneumatico. Non è possibile per ragioni economiche avere una pressa per ogni stampo, e la sostituzione di uno stampo dalla pressa (fig. 4) è un’ operazione lunga. Gli stampi vengono puliti ogni 2.000 cotte circa, limite massimo per mantenere una qualità di stampaggio accettabile. In particolare, la pulizia consente di garantire questi elementi:

  • corretta finitura superficiale con aderenza ottimale dello pneumatico al cerchione
  • caratteri dei codici di omologazione chiari e leggibili a norma di legge
  • resa visiva del logo e del nome del produttore
  • pulizia dei fori di ventilazione
  • pulizia delle superfici di contatto tra le sezioni di stampo
  • nessuna interruzione nel disegno del battistrada
  • l’accoppiamento dei settori anche a elevate pressioni
  • riduzione del carico meccanico sugli attacchi dei settori e su altri componenti
  • che non si formino irregolarità superficiali durante la fase di essiccazione
  • ottimizzazione della durata e affidabilità dello stampo

Fig 1okProblematiche di pulizia
Nella fase di pulizia è necessario provvedere alla rimozione delle incrostazioni, principalmente quelle dovute alle reazioni chimiche di zolfo e ossido di zinco sotto calore e pressione, nonché ai residui di gomma. La sempre maggior presenza in mescola di componenti inorganici (tab. 1) rende però inefficace la pulizia tradizionale con soli prodotti alcalini, in quanto, per attaccare i residui inorganici, sono necessari prodotti acidi. È da considerare inoltre che gli stampi non presentano un solo strato di sporco, ma circa 2.000 strati, uno per ogni cotta, ognuno di questi con una parte organica e una inorganica. I prodotti alcalini possono quindi rimuovere solo un certo numero di strati di sporco, in quanto oltre questi, i residui inorganici fanno da barriera. Allo stesso modo, non è possibile usare solo prodotti acidi, che verrebbero fermati dallo sporco organico. Di conseguenza è necessario alternare prodotti alcalini ed acidi. Un aspetto importante è la pulizia dei canali di ventilazione dello stampo. Durante la vulcanizzazione lo pneumatico si “gonfia” dentro allo stampo, aderendo ad esso in ogni sua parte. Tuttavia, l’aria contenuta deve comunque uscire, per cui ogni tassello è dotato di 2-3 canali, per un totale di 1.500-2.000 canali a stampo. Questi canali si comportano come piccole matrici di estrusione e durante il processo di vulcanizzazione si riempiono di gomma non polimerizzata. La maggior parte di essi rimane attaccata allo pneumatico una volta che questo è stato estratto, andando a formare i classici “peletti” che si possono vedere sulla superficie degli pneumatici. Altri rimangono invece dentro allo stampo, andando a occludere il canale di ventilazione. Questo effetto genera una serie di problemi.

Pressa per pneumatici
Pressa per pneumatici

Prima di tutto, si rende indispensabile la pulizia di tali canali. Se si occludessero tutti i canali di un tassello, l’aria al suo interno rimarrebbe dentro lo stampo e creerebbe una “bolla”, impedendo la formazione corretta del battistrada. Lo pneumatico sarebbe da buttare, con conseguenti ricadute economiche dovute non solo alla perdita dello pneumatico ma anche ai problemi di smaltimento dello stesso. La pulizia manuale di un numero così elevato di canali è un’ operazione che richiede un alto impegno di manodopera. A causa delle differenze tra ogni stampo che lo rendono, in pratica, ognuno un elemento identico solo a sé, il processo non è automatizzabile. Ogni canale deve essere quindi ispezionato visivamente ed eventualmente forato con trapani a mano. Inoltre può succedere che la punta del trapano si rompa all’interno del canale, per cui lo stampo deve essere riparato. Per questo sono usate punte di alta qualità che combinano elevate prestazioni meccaniche, quali elasticità e resistenza alle alte temperature, con dimensioni molto specifiche sia in lunghezza che in diametro richiesti. Generalmente la gamma di diametri usati varia da 0,4 fino a un massimo di 1 o 2 mm, con una lunghezza di taglio dell’elica da 20 a 100 mm.

Pulizia tramite sabbiatura
Pulizia tramite sabbiatura

Di solito si tratta di punte realizzate in acciaio al cobalto ad alta velocità, o di rivestimenti che aumentano l’elasticità. Nel complesso si tratta di attrezzi molto specifici, lontani dalle produzioni standard. In caso di rottura della punta, può essere necessaria la rimozione della parte di stampo contenente il canale e la sua sostituzione con un inserto forato. Sono altresì fonte di problemi i “peletti” che rimangono attaccati allo pneumatico, in questo caso di natura estetica. I produttori si vedono infatti costretti ad abraderli per posizionare correttamente le etichette. Di conseguenza, si sta passando dai semplici canali di ventilazione agli spring-vent, piccole molle a forma di una vite (fig. 5), in numero di 2-3 per tassello analogamente ai semplici fori, che rimangono sporgenti dalla superficie dello stampo permettendo l’uscita dell’aria, ma che a gonfiaggio completo vanno in accoppiamento ed evitano che la mescola penetri dentro al canale. Anche gli spring-vent si sporcano col tempo: durante la fase di vulcanizzazione, infatti, si formano fumi, spesso appiccicosi e contenenti una serie di sostanze che occludono l’interno del canale e le molle degli spring-vent, che vanno pertanto lavati.

CatturaTecnologie esistenti
La pulizia di stampi per pneumatici avviene mediante:

Lavaggio umido: Grazie ad apposite macchine un prodotto detergente a base alcalina è spruzzato a 30 atm contro lo stampo. Largamente utilizzata in tantissime applicazioni, si tratta di una soluzione di pulizia superficiale del tutto obsoleta per applicazioni che richiedono un minimo di prestazioni in termini di qualità e tecnologia.

Sabbiatrici manuali/automatiche: Sono sistemi economici, di facile installazione e manutenzione. Nel caso di sistemi manuali non richiedono molta esperienza da parte dell’operatore (fig. 6). Il sistema può essere usato solo in ambienti chiusi, per impedire la diffusione nell’ambiente di lavoro di polveri sottili e per recuperare facilmente i materiali abrasivi usati per la pulizia. Tra questi ultimi, i più utilizzati per la pulizia di stampi per pneumatici sono quelli classificati come “leggermente abrasivi”, ovvero il vetro, la plastica, il metallo e la ceramica. Nell’impatto con lo stampo, a causa dell’elevata energia cinetica e della durezza della superficie, le particelle si rompono e i frammenti rimbalzano sulla superficie, contribuendo all’azione pulente. L’effetto pulente non è dunque limitato a un impatto per particella. Anche con metodi “leggermente abrasivi”, alla lunga lo stampo sarà troppo rovinato e dovrà essere scartato. Vi sono anche altri problemi causati da questi sistemi. Residui di materiale abrasivo possono rimanere incastrati e andare a modificare la superficie dello stampo, tanto da impedire la corretta adesione chimica di alcuni distaccanti che dovrebbero legarsi alla superficie metallica. Se, invece del metallo, trovano altri materiali, non riescono a penetrare nello stampo e la loro azione si esaurisce in un numero di cicli minore rispetto a quelli previsti.

Cattura2Dry ice manuale/automatico: Si tratta di una pistola che spara ghiaccio secco contro lo stampo (fig. 8). Il ghiaccio secco ha una temperatura di -60/70°C. In caso di stampi a circa 180/200 °C, la differenza di temperatura fa esplodere il ghiaccio secco prima che tocchi la superficie dello stampo. Queste esplosioni generano onde d’urto che vanno a disgregare lo sporco. La pulizia dry ice può essere utilizzata anche con stampi a temperatura ambiente, ma con un´efficienza 3-4 volte inferiore. Come ghiaccio secco si usano pellets delle dimensioni di chicchi di riso, ottenuti dall’estrusione e dal successivo taglio di stringhe di ghiaccio secco, oppure fiocchi delle dimensioni di un granello di zucchero, ottenuti da un blocco di ghiaccio secco. I sistemi possono essere a due tubi (uno principale che lavora a 13,8 bar ed uno di supporto) o a tubo singolo. Questo tipo di pulizia non erode la superficie degli stampi, aumentandone così la vita. È inoltre possibile una pulizia dry ice automatizzata, senza la rimozione dello stampo dalla pressa, riducendo quindi i costi di fermo impianto. Si evita anche la formazione di un flusso di rifiuti secondari. Per i suoi vantaggi, questa tecnologia ha trovato l’interesse di tutti i grandi produttori già a partire dalla metà degli anni Ottanta. Tra i suoi punti critici si segnala l’estrema rumorosità che, specialmente nel caso di pulizia manuale, va bilanciata con i limiti di legge. Inoltre, si può avere la ricaduta di polveri, per contrastare la quale sono necessari sistemi di aspirazione adeguati.

Pulizia con tecnologia dry ice manuale
Pulizia con tecnologia dry ice manuale

Laser: Si tratta di una tecnica che utilizza l’elevata energia fornita da un laser per disgregare lo sporco (fig. 8 e 9). Si usano generalmente laser a stato solido la cui potenza è aumentata con un diodo, oppure laser a fibre ottiche. L’energia che colpisce la superficie è dell’ordine dei 10 MW, e fa letteralmente “saltare” via lo sporco. L’area interessata è pari alle dimensioni del fascio laser. Lo stampo in sé non assorbe una grande energia: il substrato non soffre stress né meccanici, né chimici, né termici. Il laser può essere utilizzato direttamente dentro alla pressa, tramite robot a 5 assi, ma anche fuori, trattando stampi sia a temperatura ambiente che ad alta temperatura (fig. 10). Inoltre, non genera rifiuti secondari e non si ha polvere residua sulla superficie. Rispetto al dry ice presenta diversi vantaggi in termini di impatto ambientale, con minori consumi di energia, minor produzione di CO2 e minimo inquinamento sonoro. Il costo di un singolo intervento di pulizia si aggira attorno ai 3 euro, contro i 20 euro dei sistemi dry ice. Gli investimenti richiesti sono però maggiori, dell’ordine di 2-3 volte quelli richiesti da un sistemi dry ice robotico per la pulizia in pressa e di 25-30 volte quelli di un sistema dry ice manuale.

Pulizia laser automatica (cortesia 4JET)
Pulizia laser automatica (cortesia 4JET)

Pulizia a ultrasuoni: Si tratta di una tecnologia che si avvale di ultrasuoni, ovvero onde sonore la cui frequenza è superiore a quella udibile dall’orecchio umano. Mentre, convenzionalmente, si parla di ultrasuoni per frequenze sopra i 20kHz, per la pulizia di stampi sono impiegate frequenze comprese tra 20 e 40 kHz. La pulizia a ultrasuoni è una tecnologia abbastanza datata, utilizzata a livello industriale già dagli anni Cinquanta e diventata economicamente conveniente a partire dagli anni Settanta. Viene usata ad esempio per lavare minuteria metallica (quali gioielli, lenti, parti ottiche, orologi, monete) e serve prevalentemente per togliere via le paste di lucidatura, che sono un misto di componenti organici e inorganici. Viene impiegata anche per strumenti dentali e chirurgici, utensili, armi, componenti elettronici, schede elettroniche e stampi. Nello specifico, gli ultrasuoni sono impiegati per creare il fenomeno della cavitazione, ovvero la formazione, l’accrescimento e il collasso di microbolle, con conseguente rilascio di enorme energia di temperatura e pressione, che possono raggiungere rispettivamente i 2.000 C° e i 9.000 kg/cm2. Tali onde d’urto vanno letteralmente a “rompere” lo sporco. Il fenomeno è lo stesso che si sviluppa su eliche e giranti di pompe, che vengono distrutte se fatte lavorare a velocità eccessive. Gli ultrasuoni creano delle vibrazioni nel liquido, che subisce compressioni ed espansioni alternate. Durante la fase di compressione la pressione positiva avvicina tra loro le molecole di liquido, mentre nella fase di espansione la pressione negativa allontana le molecole. Quando l’ampiezza della pressione supera la resistenza alla trazione del liquido si formano delle cavità contenenti vapore, chiamate microbolle di cavitazione. Se teoricamente tale fenomeno si forma con difficoltà nei liquidi puri, nella realtà le impurità presenti facilitano notevolmente la formazione di microbolle. Nella pulizia a ultrasuoni sono impiegati prodotti chimici che facilitano la formazione delle microbolle, aumentando la pressione di vapore e nel contempo diminuendo la viscosità e la tensione superficiale del liquido. Le piccole dimensioni delle bolle e i tempi rapidissimi del fenomeno garantiscono la pulizia delle superfici dello stampo senza distruggere le superfici stesse. Oltre alla cavitazione in sé, possono essere impiegati prodotti chimici a base alcalina o acida che contribuiscono all’azione pulente (fig. 11).

Confronto tra i diversi metodi di pulizia
In Tab. 2 è riportato uno schema di confronto delle diverse tecniche di pulizia degli stampi. Si sono presi in considerazione vari aspetti quali:

  • velocità di erosione dello stampo
  • livello di pulizia raggiunto
  • possibilità di pulire gli spring-vent
  • necessità di estrarre lo stampo
  • obbligo di utilizzare personale dedicato
  • velocità di pulizia
  • sicurezza operativa ed impatto ambientale.

In termini generali, è possibile affermare che le migliori tecnologie di pulizia risultano essere: laser, dry ice ed ultrasuoni. Di queste, dry-ice e laser sono le uniche che possono agire senza estrarre lo stampo. Gli ultrasuoni sono invece gli unici che riescono a lavare gli spring-vent, una soluzione tecnica che sta prendendo sempre più piede. La pulizia garantita dal laser è stata considerata solo “buona” perché carbonizza l’eventuale olio ancora liquido e va a bloccare gli spring-vent. Il lavaggio alcalino, con la sempre più elevata presenza di materiali inorganici, è ormai inefficace e genera problemi di smaltimento del liquido di lavaggio.

Robot multiasse per pulizia laser (cortesia Adapt Laser Systems)
Robot multiasse per pulizia laser (cortesia Adapt Laser Systems)

Impianto di pulizia a ultrasuoni Keymical
Tra le soluzioni di maggior interesse si segnala l’impianto Keymical per la pulizia di stampi per pneumatici da autovetture e camion. La pulizia è ottenuta dalla somma di diversi fattori: ultrasuoni, prodotti chimici, temperatura e agitazione del liquido. La tecnologia, di derivazione militare, è stata sviluppata per la pulizia degli affusti di cannoni. Si tratta degli impianti per pulizia a ultrasuoni più grandi attualmente esistenti, superiori anche a quelli militari, le cui vasche sono più lunghe ma molto più strette. Lo studio e la progettazione sono stati eseguiti in Italia dalla Keymical RSM Srl, mentre la costruzione è stata affidata alla Himile di Gaomi, Cina. Attualmente esistono 45 impianti di questo tipo, installati tra Germania, Inghilterra, Italia, Brasile, Messico, Turchia, Romania, Russia, Cina e Indonesia. Sono impiegati dai maggiori produttori a livello globale di pneumatici.

Gli stampi sono immersi in enormi vasche in acciaio inossidabile (fig. 11). Sui lati lunghi sono presenti flange contenenti ognuna un numero specifico di sonotrodi. I sonotrodi sono gli elementi che convertono le frequenze ultrasoniche in oscillazioni meccaniche. Le vasche sono inoltre dotate di resistenze termiche, disposte sul lato stretto in posizione verticale in modo da evitare il depositarsi di fanghi. Non tutte le vasche sono dotate di sistema ad ultrasuoni per la pulizia: il ciclo finisce infatti con le vasche di passivazione e “dewatering”. Nella vasca di passivazione potrebbero essere usati, ma lo stampo rimane per troppo poco tempo e non avrebbe senso. Nella vasca di dewatering si ha il 100% di olio e gli ultrasuoni non funzionerebbero.

I prodotti chimici sono importantissimi. Per creare una cavitazione ottimale vanno mantenute determinate caratteristiche chimico-fisiche: se cambia la tensione superficiale, la fluidità o la consistenza del liquido cambia il modo di creare la cavitazione. Se l’equilibrio chimico-meccanico si rompe, anche con buoni ultrasuoni, il lavaggio non avviene correttamente. I prodotti chimici impiegati nell’impianto, alcuni protetti da brevetto, sono sviluppati dalla Keymical e prodotti dalla Quaker. Nelle vasche alcaline, oltre al prodotto alcalino, vi è un inibitore di corrosione, altrimenti l’alluminio diventerebbe alluminato sodico. Si può impiegare una sola vasca di risciacquo in quanto lavando alternativamente residui acidi ed alcalini il pH rimane complessivamente stabile. Nella vasca di passivazione possono essere trascinati dei residui acidi dalla vasca di risciacquo. Vi è quindi una leggera percentuale di alcalino che neutralizza eventuali residui acidi. Nella vasca di dewatering non c’è acqua, solo olio e solvente. Grazie alla tensione superficiale elevata tra prodotto e superficie, il prodotto “stacca” l’acqua che, essendo più pesante della soluzione, cade sul fondo e viene aspirata dalla pompa.

Stampo movimentato tra vasche di pulizia ad ultrasuoni (cortesia Keymical)
Stampo movimentato tra vasche di pulizia ad ultrasuoni (cortesia Keymical)

Funzionamento
Si ha un’area carico-scarico con 4 carrelli e 4 bilancelle, il cui progetto è sotto brevetto Keymical. Di questi, due coppie carrello-bilancella portano ognuna una guancia, mentre le restanti due coppie portano 4 settori ciascuna. I pezzi sono immersi e movimentati da un carroponte automatizzato controllato da un PLC, il quale deposita il carrello porta-pezzo dentro alla vasca. Il carrello poggia una coppia di guide in moto alterno. Tale movimento contribuisce a far defluire il liquido dalla vasca attraverso il canale di scarico. Nel nuovo impianto tale sistema è a due velocità e quella di ritorno è maggiore di quella di andata. L’impianto ha un’alta flessibilità per quanto riguarda la programmazione dei cicli di lavaggio che vengono studiati e personalizzati sulla base di parametri tecnici ben definiti. Possono essere lavati più pezzi assieme in vasche diverse. Qualora non vi sia nulla nella vasca, gli ultrasuoni non funzionano. Le cavitazioni prodotte da questi ultimi sono molto forti, tanto che negli angoli delle vasche si formano anche potenze doppie rispetto alle preventivate. La pulizia, migliore di quella ottenuta con sabbiatura, non è lineare: ciò significa che i pezzi passano più volte nelle prime quattro vasche e il ciclo alcalino-risciacquo-acido-risciacquo viene ripetuto fino a 6-7 volte. Lo stampo è pulito circa ogni 2.000 cotte (come già detto, non vi è un solo strato di sporco, ma 2.000 strati ognuno con una parte organica ed una inorganica). L’alcalino attacca l’organico ma fino a un numero limitato di strati, in quanto l’inorganico fa da barriera, per cui è necessario un ulteriore passaggio nella vasca acida. Usciti dalla vasca di dewatering, i carrelli con gli stampi vengono portati in un dry-box, dove l’operatore pulisce gli stampi dall’eccesso di liquido con una pistola ad aria, manovrata con dei guanti di gomma montati su una parete di vetro. Finito il procedimento, lo stampo può andare in magazzino, dove è garantito 2 anni, o direttamente in vulcanizzazione. L’olio impiegato in dewatering evapora a 70°C, lo stampo si scalda a 180-200 °C prima dell’inserimento dello pneumatico. Se l’olio non evaporasse si avrebbero problemi di qualità sul primo pneumatico. Nel nuovo impianto è stato aggiunto un sistema di aspirazione dei fumi.

Per ridurre l’impatto ambientale sono presenti un impianto di rifiltrazione e un evaporatore. L’evaporatore, alimentato da serbatoio da 5.000 L, è un grande cilindro che crea il vuoto a -950 millibar. La soluzione liquida di acqua sporca va quindi in ebollizione a 32-33 °C, mentre delle piastre di raffreddamento condensano il vapore creando acqua distillata che viene rimessa in circolo. Dopo alcune ore non viene più pompata acqua nuova e lo sporco rimasto sul fondo viene mandato in essiccazione e, raggiunta una certa consistenza, viene scaricato e smaltito. è importante sottolineare che smaltire solo il solido significa ridurre l’impatto ambientale.

Keymical
La Keymical è una società di controllo detentrice di formule, know-how e brevetti nel campo della chimica industriale applicata. Lavora sia in ambito civile che militare nel settore del trattamento superficiale e pulizia. Keymical ha 115 sedi, tra cui la principale si trova a Londra, e oltre 800 dipendenti in 14 paesi. Negli anni Novanta, con il nome di DuBois diventa uno dei più grandi produttori e distributori di prodotti chimici negli Stati Uniti d’America. Nel settore degli pneumatici collabora con i maggiori produttori a livello globale. In tale ambito possiede 8 brevetti, quasi tutti coperti da codifica militare. Sviluppa, prima al mondo, la nuova tecnologia chimica di lavaggio a spruzzo degli stampi per pneumatici. Tale tecnologia viene sviluppata in Italia. Sempre in Italia la società si è specializzata nelle tecnologie chimiche di trattamento superficiale dei metalli.

1 commento

  1. Buon giorno sono interessato se possibile a provare il laser per la pulizia di stampi. settore stampaggio a caldo ottone , lubrificante utilizzato graffite .
    Il cliente interessato si trova a Pogno provincia di Novara
    sareste disposti a effettuare una prova sul posto .
    Cordiali saluti .
    G.M.P. di Giromini Ivano

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