Iniezione

Nate per correre

Di Andrea Comini

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Eccellenza dall’esperienza

Il ventennio finale del secolo appena concluso ha segnato un forte incremento nell’utilizzo di manufatti in materiale plastico e il settore dell’imballaggio è tra quelli che ne ha approfittato in misura maggiore. Per questa ragione – spiegano alla BMB -  tutti o quasi i costruttori di macchine a iniezione hanno investito risorse nella progettazione e realizzazione di sistemi sempre più sofisticati atti alla realizzazione di prodotti con spessore sottile, altamente qualitativi e soprattutto a costi competitivi.

Macchina per stampaggio ad alta velocità Serie KWPI di BMB

Infatti, contrariamente allo stampaggio normale, quello di particolari a pareti sottili richiede alla macchina elevate prestazioni in termini di velocità e pressioni, tali da ottenere quantità di manufatti cui deve corrispondere l’elevata qualità che il mercato, sempre più competitivo, esige. A tutti è noto quanto il connubio qualità-quantità sia difficile da ottenere, salvo per chi dispone di macchine molto avanzate che garantiscano, nel tempo, costanza nel rispetto dei parametri impostati e affidabilità a lungo termine.

BMB, tra i leader tecnologici del settore iniezione, vanta un’esperienza pluridecennale nella progettazione e realizzazione di macchine dedicate allo stampaggio di articoli a pareti sottili. La società offre infatti una gamma di macchine (serie Pi) specificamente progettata per la produzione di manufatti con stampi multi-cavità e tempi di ciclo estremamente ridotti.

Già all’inizio degli anni ’80, BMB proponeva macchine per la produzione di “base cups” (le coppette che in quegli anni  servivano come base per le bottiglie in plastica) mediante le quali  era possibile ottenere un ciclo di produzione costante e garantito di soli 3 sec con uno stampo a 4 cavità.

Attualmente le applicazioni delle presse BMB sono ancora più spinte, come emerge dai seguenti esempi applicativi reali:

• bicchieri in PS cristallo con spessore di 0,5 mm e altezza di 180 mm su stampo a 8 cavità con  ciclo di 5 sec, realizzato utilizzando una macchina da 2700 kN;

• bicchieri in PP per yogurt da 150 cc. (spessore 0,45 mm) su stampo a 4 cavità e prelevamento mediante manipolatore meccanico con tempo di ciclo reale di 2,8 sec. (dimostrazione eseguita durante il “Plast 2000”di Milano) con una macchina da 1600 kN;

• tazzine da caffè in PS su stampo a libro a 4 + 4 cavità e  ciclo di 2 sec, ottenuto con una macchina da 1600 kN;

• cassette elettriche in PS su stampo a libro 8 + 8 cavità utilizzando una macchina serie KW 250/2200 con potenza di chiusura di 2500 kN;

• tappi per bottiglie in PET su stampi da 60 cavità con tempo di ciclo di 3,5 sec, su una  macchina KW 250.       

Non solo macchine di piccolo tonnellaggio vengono utilizzate nel settore dell’imballaggio; per esempio, presso un cliente BMB operante nel piacentino, il cui parco macchine (oltre venti presse) è dedicato esclusivamente al settore dell’imballaggio, sono installati alcuni modelli da 4800 kN dotati di stampi a libro da 48+48 cavità per la produzione di articoli in PS (peso iniettato di circa 350g), con tempo di ciclo di soli 6 secondi, per una produzione di 57.600 pezzi/ora; altre macchine, con potenza di chiusura compresa da 650 kN a 2500 kN, producono articoli destinati all’imbottigliamento dell’acqua, al catering ecc.

E’ evidente – sottolinea il costruttore bresciano - che per ottenere risultati tanto brillanti è necessario utilizzare macchine progettate esplicitamente per lavorare in sicurezza con tempi di ciclo brevissimi e in grado di assicurare quel binomio qualità-quantità di cui sopra.

L’esperienza maturata sul campo da BMB ha permesso di proporre macchine in grado di garantire un’elevata produzione anche grazie allo sviluppo tecnologico dell’elettronica, con la messa a punto di sofisticati sistemi di controllo dell’intera fase di lavoro.

L’uso congiunto di valvole oleodinamicamente assistite e di servovalvola per il controllo del movimento dell’iniezione abbinate al nuovo microprocessore, che permette di ottenere un’ottimale programmazione dei parametri di stampaggio (e che è stato realizzato in collaborazione con Siemens), concorre ad ottenere una produzione qualitativamente costante nel tempo. In pratica, per i movimenti macchina vengono utilizzate valvole proporzionali con controllo in anello chiuso (chiamate anche valvole retroazionate), che permettono di ottenere il costante rispetto dei parametri di programmazione impostati.

Al fine di garantire la prontezza e la rapidità dei movimenti necessari per gli stampaggi veloci, BMB ha appositamente dimensionato l’impianto oleodinamico e installato un numero maggiore di accumulatori in asservimento a tutte le fasi di lavoro.

Gli accumulatori operano abbinati ad una pompa a portata variabile e questo innovativo sistema oleodinamico, assistito da un software dedicato, permette di produrre con tempi di ciclo inferiori e, tema di grande attualità, di ottimizzare l’oleodinamica per una ulteriore cospicua riduzione dei consumi energetici. In pratica, gli accumulatori (che sulle macchine BMB sono parte dell’equipaggiamento di serie) si rendono indispensabili al fine di poter esprimere elevate velocità di iniezione che permettono di eseguire in modo estremamente rapido la fase di riempimento delle cavità nello stampo.

Ai sopra citati dispositivi si deve aggiungere la vite scelta dal costruttore, con un rapporto L/D superiore ai 24 diametri, in grado di plastificare elevate quantità di materiale nel breve tempo dedicato a questa operazione.

Per meglio comprendere l’evoluzione tecnologica vissuta dalle macchine BMB, è utile il confronto tra la produzione di tappi in HDPE per bottiglie da acqua minerale, in stampi a 48 cavità, eseguita su due macchine (sempre BMB) con forza di chiusura di 2000 kN.
La macchina serie MC Pi, equipaggiata con motore elettrico da 55 KW e vite da 50 mm di diametro, lavora con un tempo reale di ciclo di 6,6 sec. producendo 26.000 capsule/ora con un consumo medio pari a 55 KW/ora, cui corrisponde un consumo specifico di 2,1 Watt per capsula.

La nuova macchina della serie KW Pi, equipaggiata con motore elettrico da 45 KW e vite da 55 mm, lavora con un tempo reale di ciclo di 5,1 sec producendo 33.500 capsule/ora con un consumo medio pari a 65 KW/ora, cui corrisponde un consumo specifico di 1,9 Watt per capsula.

Confrontando i dati, si nota che l’evoluzione tecnologica della nuova serie, utilizzando solo il 15% di energia elettrica in più, permette un incremento della produzione pari al 22,5%, cui corrisponde un risparmio energetico per capsula di circa il 10%.

Possiamo pertanto così riassumere i concreti vantaggi riscontrati con l’utilizzo delle macchine BMB in applicazioni ad alta velocità: maggior plastificazione, maggiore velocità d’iniezione, omogenea chiusura dello stampo, incremento della produzione e minor consumo energetico specifico, cioè in rapporto al materiale trasformato.

Dedicate e robotizzate

Per lo stampaggio veloce di particolari a parete sottile, Engel ha realizzato una serie di presse dedicate, denominate SL, già sviluppate anche nelle versioni per la produzione di particolari in bicomponente – bimateriale. Le presse della serie SL sono disponibili con gruppo chiusura HL senza colonne, da 80 a 250 tonnellate, e con chiusura a ginocchiera K da 350 a 550 tonnellate.

Pressa veloce Engel ES 100 H Sel

La dotazione di serie delle SL include: gruppo chiusura rinforzato; pompa a portata variabile maggiorata comandata elettronicamente; accumulatore su iniezione, apertura, chiusura ed estrazione; servovalvola su iniezione; controllo raffreddamento della traversa integrato nel controllo pressa; motore elettrico sulla vite; cilindro con rapporto L/D pari a 24; vite barriera con miscelatore in testa; ugello pneumatico; controllo EC 100 con processori a 64 bit e tecnologia RISC.

Per particolari settori, ad esempio quello della telefonia mobile o dell'industria elettrica-elettronica, dove la riduzione dei pesi e di conseguenza degli spessori è una richiesta in continuo aumento, Engel ha realizzato una pressa dedicata, denominata HSI. Alla sua presentazione, questa pressa lavorava con uno stampo per la produzione di un corpo per trasformatore elettrico con pareti di spessore 0,25 mm e tempo di riempimento di 0,12 secondi.

La HSI può lavorare con una velocità d'iniezione massima della vite di 1000 mm/sec, ottenuta con un accumulatore e una servovalvola; il controllo in anello chiuso è assicurato da un processore a 64 bit con software algoritmico di autoapprendimento e autocorrezione dei parametri.

Un’importante novità Engel nel settore dello stampaggio veloce è poi la pressa elettrica senza colonne della serie Lightning che, grazie alla particolare costruzione del gruppo chiusura e del gruppo iniezione con possibilità di sovrapporre tutti i movimenti, raggiunge le stesse prestazioni di una pressa idraulica sotto accumulatore.

Il gruppo chiusura è del tipo senza colonne a ginocchiera ed è azionato da un servomotore con riduttore planetario e biella. Tutti i movimenti sono rotatori e ciò assicura un’elevata dolcezza di funzionamento anche alla massima velocità.
La rumorosità e contenuta entro i 68 db, mentre i consumi sono del 50% inferiori rispetto a un’analoga  pressa Engel idraulica;, inoltre, non è necessario l’utilizzo di acqua per il raffreddamento. Particolarmente apprezzata è la ripetitività di questa nuova macchina, assicurata dall'azionamento diretto e dal sistema servomotore più encoder.

Tutte le presse Engel per stampaggio veloce possono essere equipaggiate con uno speciale robot integrato che assicura un tempo di prelievo di soli 0,38 sec. Il robot Engel modello Speedy è costruito con materiali leggeri e vanta accelerazioni dell'ordine dei 150 m/sec. Il robot può essere abbinato alla linea di pallettizzazione Engel Trayserver, che permette la pallettizzazione delle parti stampate in appositi vassoi. La pressa, il robot e le periferiche formano un sistema completamente integrato e controllato totalmente dal video della pressa.

Il nome dice tutto

La velocità, fin troppo facile evincerlo, è l’essenza del progetto Mach III di Sandretto, nato in base a una precisa filosofia d’azienda, secondo la quale “… tutti i mercati vogliono le stesse cose dalle macchine che acquistano. La differenza consiste nel grado di importanza che ogni segmento di mercato dà. Idealmente, i clienti desiderano una macchina che non costi nulla ed il cui funzionamento non comporti spese, che non occupi spazio e che produca all’istante pezzi perfetti”. 

Nessuno, ovviamente, è in grado di fornire una pressa con caratteristiche simili. Occorre, invece, comprendere il concetto del termine “valutazione”. Un esempio di valutazione è dato da uno stampatore per conto terzi che alla velocità preferisce una maggiore flessibilità; nel settore dell’imballaggio, avviene esattamente il contrario: la velocità viene infatti privilegiata rispetto alla flessibilità.

Il fattore chiave nello stampaggio ad alta velocità – evidenzia il costruttore - è l’ottimizzazione della produttività, che deriva dalla capacità della pressa di eseguire cicli rapidi e di mantenere tale rapidità. Questi due fattori rivestono, infatti,  un’importanza maggiore in questo settore di mercato rispetto ad altri aspetti quali, per esempio, la quantità di stampi diversi che la pressa è in grado di utilizzare o l’importanza del suo aspetto estetico.

Un esempio calzante è il rapporto fra lo spazio occupato dalla pressa e le sue caratteristiche prestazionali: l’utilizzo di gruppi di chiusura e di iniezione a due pistoni permette di fabbricare presse di tipo compatto; esse, tuttavia, non assicurano il necessario grado di controllo con funzionamento alla massima velocità.
Per tale ragione, la serie di macchine ad alta velocità Mach III di Sandretto impiega soluzioni a pistone singolo sia sul gruppo di chiusura sia sul gruppo iniezione, privilegiando le prestazioni e il controllo del processo rispetto all’ingombro della macchina.

La nuova gamma Mach III è stata sviluppata partendo dalla precedente e fortunata serie di presse Mach, progettata per lo stampaggio di componenti a parete sottile. Attualmente la serie comprende sei modelli, con forza da 110 a 500 tonnellate, e successivamente verrà introdotta anche la versione da 6500 kN. Saranno inoltre disponibili nove gruppi iniezione (diametro vite da 30 a 105 mm), con possibilità per ogni gruppo di montare una vite scelta fra tre diversi modelli e, per ogni gruppo di chiusura, un gruppo iniezione scelto fra i quattro disponibili. Oltre a ciò, la pressa potrà essere fornita con dotazioni specifiche per lo stampaggio di componenti a parete sottile ed equipaggiata con gruppi di plastificazione progettati appositamente per l’applicazione.

Il gruppo di potenza delle Mach III presenta un insieme integrato formato da un motore raffreddato a olio e da una pompa, che assicurano elevata efficienza, affidabilità e ridotto livello di rumorosità. Il gruppo aziona un sistema differenziale dotato di due accumulatori, uno per l’iniezione e l’altro per la chiusura. Il sistema funziona a circuito chiuso e tutte le valvole sono installate in prossimità degli accumulatori.

La combinazione di questi elementi assicura – sostengono alla Sandretto -  precisione elevata e ripetibilità del ciclo, con ottimi tempi di risposta.

L’azionamento della vite avviene di serie tramite un motore a cilindrata variabile a pistoni radiali con controllo elettronico, per garantire valori di velocità e coppia della vite elevati. In opzione è prevista la possibilità di utilizzare un azionamento vite elettrico con risparmi di potenza che solo un motore ibrido può garantire in tali condizioni. La possibilità di sovrapposizione dei movimenti aumenta le prestazioni in termini di controllo, pur non dimenticando i notevoli risparmi energetici.

Molte macchine acquistate in questo settore sono destinate a un solo tipo di applicazione, in genere trasformano lo stesso materiale. Grazie alla vasta modularità e all’ampia gamma di profili vite disponibili, la Mach III può essere ottimizzata per l’applicazione specifica, assicurando la massima produttività e qualità, mantenendo sotto controllo i costi ed il consumo energetico.

L’alto rendimento dei gruppi installati da Sandretto rende queste macchine ideali per produzioni di ogni tipo, da articoli relativamente semplici come tappi e chiusure fino a componenti più sofisticati, come i collegamenti via cavo.

La velocità di iniezione, comune a tutta la gamma, è di 1,2 m/sec e, cosa più importante, 1m/sec con il 65% della pressione massima di iniezione. La velocità massima di iniezione viene raggiunta in soli 0,01 secondi, mentre la velocità di decelerazione, dal valore massimo a zero, si ottiene in un tempo ancora inferiore (0,005 secondi).

La velocità periferica della vite (modello standard con L/D pari a 24 e rapporto di compressione progressivo)  imposta dalle condizioni reologiche è di 7,5 m/sec e minimizza il  recupero vite, quindi il  tempo di ciclo.

Oltre alla vite di serie, sono disponibili modelli con miscelatori e barriere speciali per applicazioni specifiche. La pressa nella versione standard raggiunge pressioni di iniezione da 1500 a 2500 bar, ma è possibile installare un gruppo speciale per lo stampaggio di componenti a parete sottile che permette di raggiungere pressioni di iniezione fino a 3200 bar.

I gruppi chiusura adottati sulle Mach III sono robusti e assicurano un’eccellente combinazione di velocità e forza. Altre caratteristiche importanti includono: ampio passaggio tra le colonne; piedini di supporto per piani di grandi dimensioni e boccole per piani; vasta scelta di sistemi di estrazione (estrattore centrale o a piastra); perfetto allineamento dei piani e ridotta flessione degli stessi; massima versatilità di utilizzo di piani di diverse dimensioni e di sistemi diversi di estrazione.

Il gruppo di chiusura a pistone singolo assicura – precisa Sandretto - il controllo accurato e il movimento dolce dei carichi dinamici, permettendo un’elevata velocità di chiusura anche con gli stampi più pesanti. La struttura del gruppo chiusura è progettata in modo da assicurare robustezza e rigidità, facilitando, al contempo, l’accesso da entrambi i lati della pressa per la rimozione del pezzo (caduta per gravità o estrazione tramite robot).

Il sistema di controllo, totalmente nuovo, e l’interfaccia operatore sono stati progettati con l’ausilio di strumenti tecnologici dell’ultima generazione e con la consapevolezza di dover garantire il perfetto funzionamento ad alta velocità. Grazie alle tecniche innovative utilizzate nella sua progettazione, l’interfaccia del sistema è un dispositivo altamente sofisticato ma di facile utilizzo da parte dell’operatore. La configurazione automatica e personalizzata dell’interfaccia e l’accesso con codici di livello dell’utilizzatore semplificano l’uso del sistema anche a fronte di funzioni estremamente complicate. La natura “informativa” dell’interfaccia, associata alle funzioni “help” di cui dispone il sistema, facilita la comprensione e la soluzione di eventuali problemi.

Questa gamma di presse è stata specificamente progettata da Sandretto per garantire elevata produttività, ottime prestazioni e affidabilità. Le specifiche elevate unite alle caratteristiche di modularità e alla scelta di profili diversi delle viti rendono le Mach III ideali per le applicazioni più esigenti.

Sotto pressione

Il mercato degli imballaggi, così come quello dei pezzi tecnici, chiede spessori sempre più sottili e per soddisfarlo – spiega Netstal – ai costruttori spetta il compito di realizzare presse capaci di sviluppare pressioni d’iniezione sempre più elevate.

L’azienda svizzera ha identificato in anticipo tale tendenza e ha provveduto già all’inizio a progettare gruppi iniezione che fornissero, oltre alla necessaria pressione, anche elevati volumi d’iniezione. In questo modo, applicazioni sofisticate come le carcasse dei telefoni cellulari, o i connettori elettrici/elettronici, possono essere stampate accuratamente e a ritmi sostenuti.

I cellulari costituiscono un ottimo esempio di miniaturizzazione e alleggerimento: modelli di cui ora a malapena si avverte la presenza nelle tasche, solo un paio d’anni fa erano molto più pesanti e ingombranti, mentre nel contempo le batterie si sono ridotte in dimensioni aumentando in modo esponenziale durata e numero delle funzioni.

Chiaramente, la sofisticazione dei componenti esterni di un cellulare è materia ideale per applicazioni di stampaggio veloce a parete sottile, posto che vi sia sufficiente pressione a disposizione. Le presse Netstal della serie Synergy dispongono di unità di plastificazione studiate appositamente per applicazioni in alta pressione d’iniezione(fino a 3000 bar), offrendo però anche elevata precisione, alta velocità, lunga durata, facilità d’impiego e comode procedure di sostituzione.

La presenza di accumulatori idraulici e di sistemi per mantenimento costante della pressione permette di raggiungere elevate capacità d’iniezione con tempi di risposta ridotti al minimo.

Tre i tipi di vite disponibili: standard, a bassa compressione e HiMelt. Anche i materiali con cui realizzare il gruppo iniezione possono essere indicati dal cliente in un’ampia gamma, così da avere l’esecuzione ideale in funzione dell’applicazione specifica.

Precisione in piena corsa

Per produzioni veloci di componenti di precisione a parete sottile, Demag Ergotech propone la gamma EL-Exis S (da 60 a 350 tonnellate), costituita da presse ad azionamento elettrico-idraulico particolarmente veloci e affidabili.

La presenza di circuiti di regolazione decentralizzati, paralleli e indipendenti per il gruppo chiusura, il gruppo iniezione e i movimenti secondari, consente di ottenere cicli di movimento molto veloci, armonici e silenziosi.
Trasduttori ad alta risoluzione garantiscono il preciso posizionamento sui diversi assi, mentre l’azionamento elettrico della vite, con regolazione a frequenza, permette superiori velocità di rotazione, allargando la possibilità di plastificazione quasi all’intero ciclo macchina. Ne risulta perciò incrementato il rendimento della pressa e ridotto l’effetto di taglio sulla massa fusa, con aumento dell’omogeneità del materiale.

Un accumulatore con servovalvola fornisce velocità e precisione in fase d’iniezione, con possibilità di raggiungere valori di tutto rispetto: 1000 mm/sec nell’iniezione e 12 m/sec nell’accelerazione della vite.

L’azionamento del gruppo chiusura è basato su un servomotore centralizzato che, unitamente a un ingranaggio idrostatico, genera movimenti altamente dinamici e precisi, consentendo la trasmissione della forza alla doppia ginocchiera quasi senza perdite.

La miglior protezione dello stampo in fase di chiusura veloce della macchina è ottenuta mediante un nuovo sistema di sicurezza dotato di sensori altamente efficienti che danno il consenso alla chiusura solo in assenza di qualsiasi disturbo; anche una minima resistenza provocherebbe infatti il blocco di sicurezza del gruppo chiusura in una frazione di secondo.

Le EL-Elexis S sono state progettate per sopportare sollecitazioni molto alte e dispongono perciò di un telaio particolarmente rigido e di piastre portastampo ottimizzate mediante la tecnica dell’analisi a elementi finiti. La piastra fissa è stata inoltre rinforzata nella zona del centraggio per aumentare la stabilità nell’area centrale dello stampo.

Pubblicato su Materie Plastiche ed Elastomeri 3/2001