Quali sono gli svantaggi dello stampaggio a iniezione di plastica?

Lo stampaggio a iniezione della plastica è uno dei processi produttivi più versatili ed economici oggi disponibili. Consente la produzione di massa di qualsiasi cosa, dai giocattoli agli articoli per la casa, dai dispositivi medici ai ricambi auto.

Tuttavia, nonostante la sua prevalenza in innumerevoli settori, lo stampaggio a iniezione di materie plastiche presenta alcuni aspetti negativi e limitazioni di cui ingegneri e progettisti devono tenere conto. Come professionista produttore di stampaggio a iniezione di plasticaLe elencherò in questo articolo.

Quali sono gli svantaggi dello stampaggio a iniezione di plastica?

Elevati costi di investimento iniziali

Uno degli svantaggi più significativi dello stampaggio a iniezione è l'elevato investimento iniziale richiesto. Prima di poter produrre un singolo pezzo, sono necessari ingenti costi iniziali per l'attrezzaggio dello stampo a iniezione.

Il costo degli stampi per prodotti in plastica standard varia in genere da $1.000 a $5.000. Tuttavia, per gli stampi più grandi costruiti secondo gli standard di qualità per l'esportazione, i prezzi superano abitualmente $50.000 e possono anche salire a diverse centinaia di migliaia di dollari.

Oltre agli stampi a iniezione, ci sono costi associati alla progettazione degli stampi, ai test e ai prototipi approfonditi, alla pianificazione della produzione, al fissaggio e alle misure di garanzia della qualità.

Tenendo conto di tutti questi costi iniziali, lo stampaggio a iniezione diventa economicamente vantaggioso solo con volumi di produzione superiori a 100-150 pezzi. Per le piccole serie di produzione, misurate in decine o centinaia di unità, le tecnologie di fabbricazione additiva come Stampa 3D o la lavorazione CNC sono generalmente più convenienti.

Tempi di consegna lunghi

Oltre agli elevati costi di investimento iniziali, i lunghi tempi di consegna rappresentano un altro aspetto negativo dello stampaggio a iniezione di componenti in plastica. Dall'inizio alla fine, l'intero processo richiede almeno 10-12 settimane.

Ecco una ripartizione approssimativa della tempistica dello stampaggio a iniezione:

• 2-4 settimane: Design e ingegneria
• 4-6 settimane: Produzione di stampi
• 2-4 settimane: Campioni, test, modifiche
• 2+ settimane: Produzione, assemblaggio, spedizione

Come illustra questa timeline, la produzione non inizia da un giorno all'altro con lo stampaggio a iniezione. In particolare, a seconda della complessità del pezzo, i tempi di attrezzaggio dello stampo superano di solito il mese.

Per gli ingegneri e i project manager che operano con scadenze strette, questi tempi lunghi richiedono un'attenta pianificazione e coordinamento se si vogliono rispettare le date di lancio. In alternativa, soluzioni intermedie come la stampa 3D di prototipi di produzione possono aiutare a verificare i progetti mentre gli stampi a iniezione sono ancora in fase di attrezzaggio.

Sfide del controllo qualità

Nonostante la sua precisione e coerenza, la produzione con stampaggio a iniezione è ancora soggetta a problemi di qualità se non viene eseguita correttamente. Difetti come scatti corti, bagliori, deformazioni e linee di stampo possono rendere rapidamente inutilizzabili componenti complessi senza interventi correttivi.

La maggior parte dei difetti deriva da una progettazione non ottimale dello stampo o da controlli di processo inadeguati su parametri chiave come temperatura, pressione, forza di chiusura e velocità di iniezione. Con l'aumentare delle variabili e delle tolleranze, il mantenimento della coerenza rappresenta una sfida sempre più ardua.

Ad esempio, minime variazioni del contenuto di umidità della resina plastica e della temperatura dello stampo possono alterare in modo significativo la viscosità e la velocità di flusso, causando variazioni impercettibili, ma inaccettabili, tra una ripresa e l'altra.

Stabilire solide misure di controllo della qualità è quindi essenziale, soprattutto quando si collabora con un nuovo partner di stampaggio a iniezione. Liste di controllo complete e processi di approvazione stratificati aiutano a minimizzare i rischi.

Limitazioni del progetto

Per trarre vantaggio dallo stampaggio a iniezione su scala di massa, i pezzi in plastica devono essere progettati tenendo conto delle limitazioni del processo. Tuttavia, per gli ingegneri più abituati ai componenti metallici lavorati, adattarsi alle sfumature delle materie plastiche stampate a iniezione può essere meno intuitivo.

Idealmente, gli spessori delle pareti devono essere mantenuti uniformi per garantire una solidificazione uniforme quando la plastica fusa all'interno dello stampo perde calore. Variazioni di spessore possono creare tensioni che si manifestano come crepe o deformazioni.

È inoltre necessario evitare sottosquadri e altre geometrie che impediscono uno stampaggio pulito. Allo stesso modo, l'incorporazione di angoli di sformo facilita l'espulsione del pezzo dopo l'indurimento del getto stampato a iniezione all'interno dell'utensile di stampaggio a due piastre.

Sebbene i sollevatori e i cursori possano alleviare alcuni vincoli di progettazione relativi ai sottosquadri, essi aggiungono costi e considerazioni sull'affidabilità. La necessità di azioni laterali limita inoltre la velocità dei cicli consecutivi di stampaggio a iniezione.

Limitazioni delle prestazioni materiali

Oggi le resine modificate e le leghe polimeriche consentono allo stampaggio a iniezione di materie plastiche di competere con i metalli, o addirittura di superarli, in alcune applicazioni che richiedono flessibilità, resistenza alla corrosione, isolamento elettrico o precisione.

Tuttavia, le materie plastiche stampate a iniezione continuano a rimanere indietro rispetto all'alluminio e all'acciaio in aree chiave come la resistenza alla trazione finale, la forza pura, la rigidità e la resistenza all'usura. Queste limitazioni dei materiali ne limitano l'uso in alcune applicazioni strutturali, portanti e ad alta durabilità.

In media, la resistenza termica massima delle plastiche convenzionali per stampi a iniezione si aggira tra i 180-220 °C, anche se le resine speciali come il PEEK e il PPS possono superare i 300 °C. Tuttavia, i metalli superano le materie plastiche con ampi margini per le applicazioni ad alta temperatura.

Mentre i componenti metallici tollerano facilmente l'autoclave, la sterilizzazione a vapore o altre modalità di sterilizzazione aggressive, tale esposizione rischia di deformare o degradare in altro modo le parti in plastica. Di conseguenza, gli ingegneri dei dispositivi medici devono valutare attentamente la biocompatibilità di ogni resina.

Difficoltà di riciclaggio

Idealmente, poiché la sostenibilità diventa una priorità urgente in tutto il mondo, i produttori dovrebbero essere in grado di recuperare, selezionare e riutilizzare la resina plastica dopo la sua vita utile. Tuttavia, il riciclaggio della plastica incontra notevoli ostacoli tecnici ed economici, nonostante gli intensi sforzi di ricerca e sviluppo.

In generale, quattro fattori complicano il riciclaggio della plastica oggi, soprattutto per le plastiche miste:

1. Separazione e smistamento
2. Decontaminazione
3. Identificazione
4. Ritrattamento

Come passo iniziale, la separazione e lo smistamento della plastica in base ai tipi di resina è essenziale per il riciclaggio, ma richiede un notevole dispendio di manodopera poiché attualmente richiede uno sforzo manuale.

Allo stesso modo, vernici, inserti metallici, etichette e adesivi impediscono un riciclaggio semplice e richiedono una decontaminazione approfondita per estrarre il materiale plastico di base.

In altri casi, codici di resina oscuri rendono impossibile l'identificazione definitiva del materiale. Anche quando è possibile stabilire la chimica della resina, le differenze nella lunghezza delle catene polimeriche, le miscele di copolimeri e l'età del materiale possono influenzare le proprietà e confondere la lavorazione.

Dal punto di vista economico, l'elevata componente di manodopera per lo smistamento dei rifiuti plastici non può essere giustificata se non per i flussi di resina ad alta purezza e ad alto volume. Tuttavia, gli investimenti infrastrutturali nel riciclaggio chimico potrebbero un giorno migliorare la redditività attraverso una maggiore automazione dei processi.

Conclusione

Senza dubbio, lo stampaggio a iniezione di materie plastiche continuerà a dominare la produzione globale grazie alla sua economicità, versatilità e precisione. Tuttavia, gli ingegneri che valutano il processo devono temperare le aspettative considerando anche i suoi limiti e le sue sfide.

In particolare, gli elevati costi iniziali e di attrezzaggio richiedono grandi volumi di produzione, superiori a 100.000 unità, per garantire un ritorno sull'investimento convincente. Per quantità inferiori, i metodi di produzione additiva come la stampa 3D sono più convenienti.

Mentre le materie plastiche possiedono notevoli proprietà di flessibilità, resistenza chimica e isolamento elettrico, adatte a componenti complessi, le loro prestazioni meccaniche sono inferiori a quelle dei componenti in alluminio o acciaio lavorati a macchina nelle applicazioni automobilistiche e aerospaziali con carichi critici.

Infine, nonostante l'esemplare efficienza delle risorse nella produzione, la diffusione del riciclo della plastica rimane un obiettivo sfuggente, ostacolato da ostacoli economici e tecnici.

Nel complesso, una valutazione realistica di questi svantaggi dello stampaggio a iniezione di materie plastiche facilita la selezione della tecnologia e informa i compromessi di progettazione quando si pianifica il lancio di un nuovo prodotto.