Skip to content

Applicare lo Stampaggio ad Iniezione Scientifico

23 ottobre 2013

L’’articolo introduce il lettore allo Stampaggio ad Iniezione Scientifico e alla sua applicazione in azienda. L’’articolo spiega come applicare in azienda lo Stampaggio ad Iniezione Scientifico disaccoppinado le tre fasi del ciclo: riempimento, mantenimento e raffreddamento.

Ogni fenomeno caratteristico dello stampaggio ad iniezione può essere giustificato con le conoscenze di scienza dei polimeri. L’’uso di un approccio sistematico può aiutare a capire che lo stampaggio è qualcosa di più di una semplice arte oscura tutta basata su ore ed ore di esperienza trascorse provando e riprovando i vari parametri di produzione.

L’‘approccio scientifico consiste nell’’utilizzare dei principi fondamentali della scienza dei polimeri per regolare ed ottimizzare ciascun parametro del processo. Il punto di partenza è il controllo delle quattro componenti fondamentali per lo sviluppo di un prodotto di successo:

  1. Il progetto della parte
  2. La scelta e la gestione del materiale
  3. Il progetto e la costruzione dello stampo
  4. La regolazione del processo

Per comprendere ed applicare i principi dello stampaggio scientifico è necessario comprendere, accettare ed adottare l’’idea che la pressa è soltanto una macchina che ha lo scopo di dare forma a della plastica fusa. La nostra attenzione deve allora concentrarsi sul comportamento del polimero allo stato fuso più che sulla regolazione dei parametri operativi della macchina.

Lo stampaggio scientifico è basato su quattro variabili che caratterizzano il comportamento del materiale durante la lavorazione. Queste variabili possono essere regolate e tenute sotto controllo agendo su alcuni parametri della macchina.

Le quattro variabili fondamentali, che possono essere controllate in maniera scientifica, sono:

1. Temperatura della plastica

2. Pressione della Plastica

3. Portata della plastica

4. Velocità di raffreddamento della plastica.

Dal punto di vista pratico lo stampaggio ad iniezione può essere descritto molto semplicemente nelle seguenti fasi:

  1. prendo una certa quantità di materiale plastico in granuli
  2. la fondo all’’interno di un contenitore
  3. applico una certa pressione
  4. lascio raffreddare il materiale
  5. estraggo il pezzo dallo stampo.

Dal punto di vista fisico il processo di stampaggio può essere descritto con due passaggi di stato della materia:

  1. passaggio dallo stato solido a quello liquido
  2. passaggio dallo stato liquido a quello solido.

I parametri caratteristici di ogni fase del processo sono:

  • La quantità di materiale, portata Q
  • La temperatura a cui il materiale può scorrere, temperatura di fusione per i polimeri cristallini e di transizione vetrosa per gli amorfi,
  • La pressione esercitata sul fuso, P
  • La Velocità di raffreddamento, Vr
  • La temperatura di estrazione, HDT

Applicare lo stampaggio ad iniezione scientifico

  1. Il cliente e lo stampatore definiscono le specifiche tecniche del prodotto e del processo che si vuole produrre.
  2. Ogni pressa è regolata usando i principi universali dello stampaggio scientifico.
  3. In tempo reale si acquisiscono i dati di processo usando dei sensori di pressione inseriti nella cavità e/o altri dispositivi di acquisizione collegati ad un computer.
  4. Quando nel processo avviene una variazione non prevista in uno dei quattro parametri fondamentali – temperatura della plastica, pressione della plastica, velocità di iniezione e di raffreddamento– bisogna modificare i parametri operativi della macchina per riportare le quattro variabili sotto controllo.
  5. Si producono parti perfette ad ogni ciclo.
  6. I dati di processo raccolti devono essere analizzati in modo da costruire una scheda di regolazione specifica per una data unità produttiva.

Il primo ostacolo da superare quando si affronta un progetto di miglioramento di un processo di stampaggio ad iniezione è la perplessità dell’’operatore addetto alla macchina.

La prima obiezione suonerà più o meno così: “il processo è già regolato al suo valore ottimale, ho passato giorni interi per raggiungere questo obiettivo e non sono disposto a fare alcuna modifica”.

Molto probabilmente il tecnico in questione ha molta esperienza ed effettivamente ha già regolato in maniera soddisfacente i parametri di processo. Pur tuttavia vi sono due riflessioni da fare:

  • spesso i valori scelti ed impostati sono il risultato di numerose ore o giorni di prove;
  • non esiste una documentazione tecnica oggettiva che prova che i valori impostati siano i migliori in assoluto.

Naturalmente la situazione peggiora se il tecnico non ha una grande esperienza.

Per avviare un progetto di regolazione ed ottimizzazione del processo bisogna, innanzi tutto, scomporlo nei suoi componenti. Nel caso dello stampaggio le tre fasi sono:

  1. riempimento/mantenimento,
  2. raffreddamento,
  3. estrazione

Fase di riempimento

La prima fase del processo è il riempimento. Se lo stampo permette di ottenere delle stampate incomplete si parte con queste e si incrementa la posizione di commutazione da riempimento a mantenimento fino ad ottenere delle parti che sono piene tra il 95 ed il 99% durante la prima fase. Poiché i polimeri sono non-newtoniani, è meglio iniziare con la massima velocità di riempimento e poi diminuirla gradualmente. Poiché la cavità non sarà mai completamente piena, la pressione sul fuso sarà sempre modesta.

Per assicurare un riempimento corretto bisogna fare in modo che il processo non sia limitato dalla pressione. Il processo è limitato dalla pressione quando la pressione esercitata dal fuso è uguale a quella esercitata dalla pompa cosicché la valvola di non ritorno non funziona correttamente.

Dopo avere applicato la massima velocità di riempimento ed avere ottenuto una parte completa al 95-99% cominciate a diminuire la velocità e conservate le stampate incomplete. Dall’’analisi visuale delle parti ottenute, selezionate la migliore velocità di iniezione e posizione di commutazione dalla fase di riempimento a quella di mantenimento.

Fase di mantenimento

La fase di mantenimento consiste nel mantenere una certa pressione per un certo periodo di tempo.

La pressione di mantenimento può essere tenuta bassa all’’inizio ed aumentata gradualmente fino a completare la parte con una buona finitura superficiale ed estetica. In genere la pressione di mantenimento è 1/3 o 1/2 del picco di pressione in fase di riempimento.

Una volta trovata la pressione di mantenimento il tempo può essere calcolato trovando il tempo necessario per congelare il punto di iniezione in modo che la parte sia completa e non via flusso di polimero verso l’’interno o l’’esterno.

Fase di raffreddamento

La terza fase è quella del raffreddamento. Il tempo di raffreddamento deve essere sufficientemente lungo per consentire l’’estrazione del pezzo senza che subisca delle deformazioni e senza che si distorca per effetto di un ritiro incontrollato.

Fase di estrazione

L’’ultima fase è quella dell’’estrazione del pezzo. Lo stampo deve essere aperto ad una velocità e per uno spazio sufficiente a consentire l’’estrazione senza che il pezzo venga danneggiato.

Conclusioni

Lo Stampaggio ad iniezione Scientifico permette di ottenere i seguenti vantaggi:

  1. Aumento dell’’affidabilità
  2. Aumento della produttività
  3. Minore consumo di materiale
  4. Minore necessità di personale

Questi risultati possono essere ottenuti disaccoppiando il processo, cioè trattando ogni fase del ciclo separatamente dalla precedente e dalla successiva. Questa tecnica permette una migliore regolazione ed un migliore monitoraggio della produzione.

Per approfondire

Libro “Stampaggio ad iniezione scientifico”

copertina-stampaggio_scientifico

L’esperto risponde: specifiche delle materie prime

21 ottobre 2013

D: Chi si occupa di stampaggio ad iniezione deve controllare le specifiche e la qualità della materia prima in ingresso?

 

Il compito principale dello stampatore è quello di produrre delle parti con la qualità specificata, al costo più basso. Quindi egli dovrebbe controllare almeno che la materia prima sia adatta al processo che la deve utilizzare. Questa valutazione può essere articolata su tre livelli:

  • Controlli essenziali
  • Controlli medi
  • Controlli avanzati

Il primo controllo indispensabile deve essere fatto in laboratorio per determinare l’indice di fluidità o grado del polimero (MFI, Melt Index, ecc.). Ma questo test può non fornire tutte le indicazioni necessarie e trarre in inganno se non se ne conosce bene il significato ed I principi teorici di base su cui si fonda. E’ buona norma condurre il test a diverse condizioni di gradiente di velocità e di temperature.

Il secondo controllo deve essere effettuato regolando la pressa secondo le impostazioni standard; si eseguono alcune stampate “in aria” e si misura la temperatura del fuso (con una termocoppia o un termometro ad infrarossi).

Poi si stampano almeno 5 parti e si controlla la variazione di peso che dovrebbe essere contenuta tra +/- 0.01-0.05 %, a seconda delle parti. Suggeriamo di prelevare almeno 25 gruppi di cinque campioni consecutivi in un periodo di 1-2 ore e costruire una carta di controllo.

Se la temperatura del fuso, il peso, la forma ed il colore della parte sono soddisfacenti il materiale è accettabile.

La dimensione finale della parte dovrebbe essere misurata 24-48 ore dopo lo stampaggio in un ambiente ad umidità e temperatura controllata. Dopo questo periodo si possono effettuare anche altri test come il colore, deformazione, proprietà meccaniche, resistenza alle condizioni ambientali, ecc.

Questi controlli sono abbastanza semplici ed elementari e dovrebbero essere effettuati ogni volta si mette in macchina lo stampo o si cambia il materiale. I controlli illustrati potranno evidenziare eventuali problemi, ma solo dopo che la produzione è iniziata.

Se volete capire la causa di eventuali problemi evidenziati dal test precedente o se volete analizzare il materiale prima di iniziare la produzione dovete condurre delle prove sul materiale per rispondere alle seguenti domande:

  • La composizione del materiale è corretta?
  • La parte può essere prodotta con questo materiale?
  • Il materiale permette di ottenere le caratteristiche estetiche e di performance definite nelle specifiche tecniche?

 

 

Ergonomia e sviluppo imbalaggi

17 ottobre 2013

L’ergonomia, secondo l’International Ergonomics Association, è la scienza che si occupa dell’interazione tra gli elementi di un sistema (umani e d’altro tipo) e la funzione per cui vengono progettati (nonché la teoria, i principi, i dati e i metodi che vengono applicati nella progettazione), allo scopo di migliorare la soddisfazione dell’utente e l’insieme delle prestazioni del sistema. In pratica è quella scienza che si occupa dello studio dell’interazione tra individui e tecnologie (Fonte: wikipedia).

Il termine “ergonomia” deriva dalle parole greche “érgon” (lavoro) e “ńomos” (regola, legge). È stata usata per la prima volta da Wojciech Jastrzębowski in un giornale polacco nel 1857.  Il termine è stato ripreso nel 1949 da Murrell, che lo utilizzò per descrivere le linee guida nel design di prodotti, servizi o ambienti rispondenti alle necessità dell’utente.

Vi propongo due articoli dedicati all’ergonomia applicati alla progettazione degli imballaggi: Ergonomia perchè? e Ergonomia applicata.

Ci vorrebbe un’idea

15 ottobre 2013

Lo sviluppo di nuovi prodotti è il frutto della continua attenzione dell’azienda verso l’innovazione. L’innovazione non è il frutto di un lampo di genio, ma dell’applicazione di tecniche e processi per innovare.

Leggi l’articoloparte 1 e parte 2.

Strategie per il successo

11 ottobre 2013

Nel maggio del 1996 ho scritto un articolo “Competitività per il 2000” pubblicato sulla rivista ItaliaImballaggio nel quale illustravo le stategie che le aziende dovevano mettere in atto per migliorare la competitività delle aziende nel meracto globale. Il 2000 sembrava lontano e le aziende piccole e medie erano in sofferenza; per riuscire a competete con le aziende più grandi dovevano migliorare la loro capacità di soddisfare i clienti attraverso cinque strategie: miglioramento della qualità, contenimento del costo del prodotto, riduzione del tempo di produzione, innovazione di prodotto e di processo e servizio al cliente.

Oggi a tredici anni di distanza la crisi, purtroppo, ha reso attuale quelle strategie.

Leggi l’articolo integrale.

II 3 1996 immagine

Come raggiungere l’obiettivo “zero difetti”

7 ottobre 2013

Vi presento in questo post un’articolo dedicato al tema e all’approccio per raggiungere l’obiettivo “difetti=0”.

Shingeo Shingo, esperto giapponese e consulente per i problemi della qualità amava definirsi Ingegner Miglioramento ed è stato uno strenue difensore del concetto “zero difetti” applicando una metodologia che va sotto il nome di poka-yoke (ovvero a “prova di errore”).

Il ragionamento è semplice: se non vogliamo dei prodotti difettosi dobbiamo progettare il prodotto e il processo produttivo in modo che esso sia “a prova di errore”.

I lavoratori sono esseri umani e possono sbagliare, la conseguenza dell’errore è il difetto. Quindi la prevenzione dell’erroe e del difetto sono l’unica strategia possibile per avere un prodotto controllato al 100%.

Diceva Shingo “la mia medicina funziona solo se il paziente la prende”. Scarica la guida completa al poka-yoke: parte 1 e parte 2.

Chi era Shingeo Shingo.

L’approccio statistico alla qualificazione dei sistemi multicavità

8 luglio 2013

Con questo post voglio inaugurare una nuova sezione interamente dedicata all’uso degli strumenti della statistica per analizzare il processo di produzione delle materie plastiche e migliorarne la qualità.

Purtroppo la statistica e il controllo statistico di processo (SPC) sono considerate materie per specialisti e docenti universitari e sono poco conosciute ed usate dagli addetti dell’industria delle materie plastiche. Nella mia carriera professionale, invece, ho sperimentato personalmente che la statistica può fornire strumenti molto importanti per il miglioramento del processo e della qualità del prodotto.

Durante i miei studi di ingegneria chimica non ho mai studiato la statistica, ma nella mia attività lavorativa di responsabile sviluppo imballaggi in plastica di una grande multinazionale in un importantissimo progetto ho sentito la necessità di capire meglio il mio prodotto e il mio processo produttivo e di prendere delle decisioni basate su dati certi e su una chiara quantificazione del rischio.

Ecco allora che mi sono avvicinato alla statistica e alle sue metodologie. Il mio approccio ovviamente è stato ben diverso da quello dello studente o del docente universitario: sono partito dai miei bisogni di conoscenza del prodotto e del processo e ho cercato le metodologie statistiche che potevano darmi una risposta.

Giusto per entrare in argomento vi voglio presentare un caso tipico.

Qualificazione di un tappo a vite in polipropilene per un detergente.

Supponiamo di voler verificare le caratteristiche dimensionali di un tappo a vite per un detergente liquido prodotto in polipropilene con la tecnologia dello stampaggio ad iniezione. Lo stampo può avere un numero di cavità variabile da 4 a più di 100, supponiamo di avere uno stampo a 32 cavità.

Il nostro obiettivo è verificare se le dimensioni di tutti i tappi prodotti da tutte le diverse cavità siano in specifica nel breve e medio periodo.

Il problema non è semplice perché:

  1. E’ meglio controllare lo stampo o i tappi prodotti?
  2. I tappi da controllare devono essere prelevati tutti dalla stessa cavità o casualmente dopo aver mescolato tutti i pezzi prodotti?
  3. E’ conveniente produrre per un certo tempo e poi prelevare dei campioni o prelevare dei campioni ad intervalli regolari?
  4. Su una produzione di migliaia di pezzi, quanti ne devo prelevare per avere una risposta significativa?
  5. I controlli devono essere effettuati solo in fase di avvio di una nuova produzione o anche nel seguito?

Questi sono solo alcuni dei problemi che il responsabile di produzione o della qualità di un reparto di stampaggio deve giornalmente affrontare. A questi quesiti non si può dare una risposta solo “basata sull’esperienza personale” o a sentimento. La risposta deve essere cercata su solide basi scientifiche!

Mi voglio, adesso, soffermare sul primo quesito  “E’ meglio controllare lo stampo o i tappi prodotti?”

I materiali polimerici hanno la particolarità di ridurre il loro volume passando dallo stato fuso a quello solido. Tale fenomeno detto “ritiro” o “shrinkage” è di fondamentale importanza sia nella fase di progettazione dello stampo che in quella di controllo del pezzo. In fase di progetto si determina la dimensione della cavità in modo da ottenere quella che si vuole sul pezzo; per fare ciò non vi sono regole matematiche sicure al 100% ma solo conoscenze ed esperienze relative al materiale che si sta usando. In fase di accertamento delle caratteristiche del prodotto, invece, si possono seguire due diversi approcci:

  1. controllare dimensionalmente le cavità o le teste di produzione;
  2. controllare dimensionalmente il prodotto finito.

Il primo metodo ha il vantaggio di non essere influenzato dal ritiro dei materiali, ma, oltre ad essere a volte praticamente molto difficile, non assicura la soddisfazione del cliente: egli, infatti, è interessato soltanto al prodotto, alle sue caratteristiche e non al processo produttivo. Nella mia esperienza mi è sembrato più opportuno seguire il secondo approccio.

Vediamo adesso il secondo quesito “I tappi da controllare devono essere prelevati tutti dalla stessa cavità o casualmente dopo aver mescolato tutti i pezzi prodotti?”

Per rispondere a questo quesito dobbiamo prima chiederci se le cavità sono tutte uguali tra di loro e se producono pezzi uguali. Innanzi tutto precisiamo meglio il concetto di “uguale”. Due pezzi prodotti in successione non sono identici perché nel processo ci sono sempre delle variazioni naturali, persino una misura ripetuta due volte non da lo stesso risultato; poi se consideriamo il pezzo in plastica a causa dei fenomeni di ritiro ogni cavità si comporta come una diversa unità produttiva perché il polimero fuso arriva ad una certa temperatura, nella cavità c’è una certa pressione di iniezione e anche il raffreddamento può avere delle differenze.

Quindi prima di effettuare i controlli dovremo verificare se tutte le cavità producono pezzi che possono essere considerati “statisticamente uguali tra di loro”  in modo che la produzione costituisca un lotto omogeneo.

Bene, in attesa di analizzare gli altri quesiti e presentare i vari metodi statistici vi invito a leggere l’articolo “qualificazione_sistemi_multicavità” apparso sulla rivista De Qualitate.

image

Il tema dell’approccio statistico alla qualificazione dello stampaggio ad iniezione è ampiamente affrontato nel libro “Stampaggio ad iniezione scientifico”.

copertina-stampaggio_scientifico

%d blogger hanno fatto clic su Mi Piace per questo: