Cos'è il ritiro nello stampaggio a iniezione? La guida completa [2024]

Lo stampaggio a iniezione è uno dei processi produttivi più diffusi per le parti in plastica, dai piccoli Lego ai paraurti delle auto e ai componenti del cruscotto. Tuttavia, nonostante la diffusione di questa tecnologia, molte persone non capiscono cosa succede dopo che la plastica fusa viene iniettata in uno stampo.

Uno dei comportamenti intrinseci della plastica è che si restringe notevolmente quando si raffredda. Questo restringimento non è solo una variazione delle dimensioni, ma può anche causare tensioni interne che portano a deformazioneUna distorsione della geometria o delle dimensioni di un pezzo.

La gestione e la riduzione del ritiro è un aspetto essenziale della progettazione e della produzione di parti in plastica complesse che mantengono tolleranze ristrette per tutta la durata del prodotto. In questa guida, come professionista produttore di stampaggio a iniezione di plasticaIl relatore illustrerà le cause del ritiro nello stampaggio a iniezione, le modalità di previsione e controllo e le strategie per ridurre i difetti nei vostri pezzi.

Che cos'è il ritiro nello stampaggio a iniezione?

Il ritiro si riferisce alla contrazione di un componente stampato in plastica quando si raffredda dopo l'iniezione in una macchina per lo stampaggio a iniezione. In genere, i polimeri plastici si restringono tra 2 e 4%, anche se la contrazione può variare da 0,5% a 10% a seconda della plastica, degli additivi di rinforzo come le fibre di vetro e di dettagli come lo spessore delle pareti. È impossibile eliminare completamente il ritiro, quindi è necessario tenerne conto durante la progettazione dei componenti in plastica.

Nei casi più estremi, il restringimento non uniforme chiamato deformazione può distorcere i pezzi al punto da non farli rientrare nelle tolleranze specificate. Ma la deformazione può manifestarsi in modi molto sottili, come lievi piegature o torsioni invisibili all'occhio umano: per questo è fondamentale gestire il ritiro attraverso scelte di progettazione e lavorazione.

La dinamica del ritiro e il suo impatto dipendono da una combinazione di fattori:

• Composizione del polimero: Il modo in cui le molecole reagiscono alle variazioni di temperatura e pressione influenza la tendenza al ritiro direzionale. Polimeri amorfi come ABS hanno comportamenti più uniformi, mentre le plastiche semicristalline come PE e PP hanno comportamenti anisotropi.
• Temperature di fusione: Temperature di fusione più elevate aumentano generalmente il ritiro a causa dell'espansione delle catene polimeriche.
• Temperature di muffa: Un raffreddamento più rapido aumenta le tensioni interne. Stampi più caldi consentono un maggiore rilassamento delle molecole prima del congelamento.
• Distribuzione del peso molecolare: I polimeri di peso maggiore tendono a restringersi di più.
• Presenza di riempitivi/rinforzi: Le fibre limitano il ritiro lungo il loro orientamento. Le cariche minerali riducono il restringimento complessivo.
• Fattori geometrici: Come lo spessore delle pareti, le nervature, ecc. Le aree più spesse si restringono maggiormente rispetto a quelle più sottili, causando potenzialmente distorsioni.

Perché la plastica si restringe?

Per capire cosa determina il ritiro, è importante prima di tutto osservare cosa accade ai polimeri a livello molecolare durante il processo di stampaggio a iniezione.

Comportamento molecolare delle materie plastiche

Le materie plastiche contengono lunghe catene molecolari di unità ripetute legate tra loro, note come polimeri. Il comportamento di queste catene - l'ordine con cui si impacchettano - determina se un materiale è amorfo o semicristallino.

Polimeri amorfi hanno una struttura a spirale casuale senza alcuna organizzazione ripetitiva tra le catene. Quando vengono riscaldati, i polimeri amorfi formano un liquido che scorre liberamente, poiché le molecole si allontanano. Raffreddando, le catene aggrovigliate si avvicinano, si restringono e si solidificano, ma non si organizzano mai in strutture ordinate.

Plastiche amorfe comuni:

• Acrilonitrile butadiene stirene (ABS)
• Policarbonato (PC)
• Polistirolo (PS)

Plastica semicristallina contengono aree in cui le catene molecolari si impacchettano formando regioni cristalline ordinate, mentre altre aree rimangono amorfe.

Quando si riscalda, le aree cristalline si fondono con le regioni amorfe, ma le molecole continuano a puntare nelle stesse direzioni. Con il raffreddamento, le strutture cristalline ordinate si riformano e le molecole si riducono di volume: ecco da dove deriva la contrazione.

Plastiche semicristalline comuni:

• Polietilene (PE)
• Polipropilene (PP)
• Nylon (PA)

L'elevato grado di allineamento molecolare dei materiali semicristallini causa un ritiro perpendicolare al flusso, mentre i polimeri amorfi si ritirano lungo le direzioni del flusso.

Come il processo di stampaggio provoca il restringimento

Tornando allo stampaggio a iniezione, in che modo le condizioni della macchina e dello stampo determinano il ritiro?

Quando la plastica entra in un barile riscaldato, le forze di taglio rompono le regioni cristalline, mentre il riscaldamento consente alle catene molecolari di distribuirsi aumentando il volume libero.

Successivamente, il polimero fuso viene spinto ad alta pressione e velocità in una cavità dello stampo relativamente fredda che limita il movimento perpendicolare alla direzione del flusso. Le molecole si allineano lungo la direzione del flusso come spaghetti attraverso un ugello.

Con le plastiche semicristalline, al diminuire della temperatura si formano nuovamente strutture ordinate. Le molecole che si riallineano hanno meno volume libero e quindi si stringono maggiormente, restringendo la plastica.

Inoltre, si sviluppano tensioni residue tra il nucleo più caldo e le regioni superficiali più fredde, trattenute dalle pareti rigide dello stampo. Una volta espulsi dallo stampo, i pezzi cercheranno di alleviare queste tensioni mentre continuano a raffreddarsi, causando potenzialmente deformazioni.

Dove si verifica il ritiro?

La maggior parte del ritiro avviene durante il raffreddamento all'interno dello stampo, anche se una quantità minore può verificarsi dopo l'espulsione, quando la temperatura si stabilizza completamente.

Il ritiro post-stampaggio dipende da alcuni fattori:

• Condizioni di lavorazione come velocità di iniezione, pressione e temperatura
• La velocità con cui gli strati superficiali si solidificano limitando il movimento molecolare
• Livello di sollecitazioni residue

Ad esempio, con le plastiche amorfe come il PC e l'ABS, la contrazione avviene maggiormente all'esterno dello stampo, poiché le sezioni interne rimangono fuse più a lungo, consentendo il rilassamento delle catene polimeriche. Oppure le parti molto sottili si solidificano più velocemente, producendo meno sollecitazioni interne.

Previsione e misurazione dei tassi di restringimento

Ogni materiale plastico si ritira in modo diverso in varie condizioni. Quindi, il primo passo per capire come un pezzo potrebbe deformarsi è determinare con precisione i tassi di ritiro.

Il ritiro si misura come variazione percentuale delle dimensioni del pezzo stampato a iniezione rispetto allo stampo in acciaio: Restringimento (%) = (dimensione stampo - dimensione parte) / dimensione stampo x 100

La maggior parte dei produttori di resine plastiche fornisce i dati sul ritiro nelle schede tecniche dei materiali, anche se l'ideale è eseguire test in base ai parametri di produzione esatti. I valori tipici di ritiro sono compresi tra:

• Polimeri amorfi: 0.3-0.7%
• Plastica semicristallina: Circa 2%

Tenete presente che i dettagli della lavorazione influenzano il ritiro di una determinata plastica. Le modifiche alla velocità di iniezione, alla temperatura, alla pressione e altro ancora possono influire sul tasso di ritiro.

Come il software di simulazione prevede i tassi di restringimento

Un software di simulazione specializzato è in grado di modellare il processo di stampaggio a iniezione per uno specifico progetto di parte in plastica, per prevedere comportamenti come il ritiro. Funzionano simulando digitalmente fattori quali:

• Proprietà reologiche della plastica
• Prestazioni della macchina di stampaggio
• Temperature, velocità, pressioni
• Geometria del pezzo

In questo modo gli ingegneri possono visualizzare le tendenze al ritiro e i rischi di deformazione del loro progetto. Ciò consente di apportare modifiche prima di impegnarsi in costose attrezzature per stampi.

La simulazione aiuta anche a determinare il miglior compromesso tra le proprietà necessarie per la funzionalità e i difetti di distorsione dovuti al ritiro. I cambiamenti potrebbero comportare la modifica della geometria, della posizione dei gate o anche delle operazioni secondarie.

Come controllare il ritiro dello stampaggio a iniezione

Eliminare completamente il ritiro è quasi impossibile con le materie plastiche. Tuttavia, attraverso decisioni intenzionali di progettazione e di processo, è possibile ridurlo al minimo per produrre pezzi dimensionalmente robusti e funzionali.

Strategie per ridurre il ritiro della plastica

Ecco alcune strategie di best practice utilizzate per ridurre i difetti da ritiro:

1. Ottenere il giusto equilibrio tra riempimento, confezionamento e raffreddamento

Riempimento troppo veloce - Favorisce l'allineamento delle molecole con il rischio di un restringimento anisotropo.

Imballaggio inadeguato: le sezioni interne del pezzo possono collassare in modo imprevedibile una volta espulse.

Raffreddamento troppo rapido: provoca un ritiro variabile nelle aree spesse e sottili, con conseguente deformazione.

2. Aumento della temperatura dello stampo

Consente il rilassamento delle catene polimeriche prima della completa solidificazione, riducendo le tensioni interne. Spesso l'ideale è 30-50°C al di sotto della temperatura di fusione.

3. Utilizzo di sistemi a canale caldo

I canali caldi mantengono fuse le materozze e i canali, eliminando le bave fredde e riducendo i requisiti di lunghezza del flusso, consentendo l'ottimizzazione delle sezioni dei pezzi.

4. Aggiunta di fibre di vetro

A circa 30% di taglio in peso le fibre ostacolano il ritiro fornendo un rinforzo. Tuttavia, riducono la resistenza all'impatto.

5. Includere un'adeguata ventilazione della muffa

Lo sfiato evita che l'aria rimanga intrappolata nella cavità durante il riempimento, favorendo un imballaggio completo per un restringimento uniforme.

6. Utilizzo dello stampaggio a iniezione assistito da gas

Il gas compresso viene iniettato nella cavità e spinge il materiale contro le pareti, migliorando la riproduzione e la precisione dimensionale. La pressione spinge il materiale a restringersi in piccoli canali cavi.

7. Sovraimballaggio di zone ad alto ritiro

In genere, le aree contrarie alla direzione del flusso subiscono una contrazione maggiore a causa del rilassamento delle molecole. Questo fenomeno può essere compensato con un imballaggio intenzionalmente più elevato.

Regole di progettazione per ridurre al minimo il restringimento irregolare

La progettazione di geometrie corrette dei pezzi contribuisce enormemente alla stabilità, poiché la plastica si contrae durante il raffreddamento. Alcune linee guida per la progettazione che aiutano a ridurre il ritiro non uniforme sono:

• Impostare lo spessore complessivo della parete nel modo più sottile possibile per ottenere una resistenza adeguata. Le zone spesse subiscono un ritiro maggiore rispetto alle zone sottili.
• Limita la variazione dello spessore delle pareti nei singoli pezzi, mantenendo le sezioni uniformi. Le variazioni improvvise causano un restringimento preferenziale che distorce le aree più sottili.
• Compresi i corretti angoli di sformo sulle pareti verticali che consentono una contrazione uniforme durante l'espulsione, evitando l'incollamento.
• Posizionare le linee di saldatura e di fusione lontano dalle zone ad alto aspetto o di tolleranza. Queste aree sono intrinsecamente soggette a restringimenti inconsistenti.
• L'utilizzo di nervature o strutture di supporto con dettagli a profilo sottile solo dove necessario consente di gestire l'ingombro. Le nervature aiutano a limitare le contrazioni differenziali sulle pareti più grandi, ma aggiungono massa supplementare se non è necessario.