Tecnologie dei Polimeri PDF

Sommario {#sommario.Titolosommario} ======== [[1.] [Modelli di flusso e viscosità?] 4](#modelli-di-flusso-e-viscosit%C3%A0) [[1.1.] [Comportamento fluidi pseudoplastici (shear-thinning)?] 6](#comportamento-fluidi-pseudoplastici-shear-thinning) [[1.2.] [Modello di Ostwald-de Waele (legge di potenz...

Sommario {#sommario.Titolosommario} ======== [[1.] [Modelli di flusso e viscosità?] 4](#modelli-di-flusso-e-viscosit%C3%A0) [[1.1.] [Comportamento fluidi pseudoplastici (shear-thinning)?] 6](#comportamento-fluidi-pseudoplastici-shear-thinning) [[1.2.] [Modello di Ostwald-de Waele (legge di potenza)?] 7](#modello-di-ostwald-de-waele-legge-di-potenza) [[1.3.] [Legge di Spriggs (legge potenza troncata)?] 8](#legge-di-spriggs-legge-potenza-troncata) [[1.4.] [Modello di Ellis?] 8](#modello-di-ellis) [[1.5.] [Modello di Cross?] 9](#modello-di-cross) [[1.6.] [Modello di Bird-Carreau-Yasuda?] 9](#modello-di-bird-carreau-yasuda) [[1.7.] [Modello di Bingham?] 9](#modello-di-bingham) [[1.8.] [Modello di Herschel-Bulkley?] 10](#modello-di-herschel-bulkley) [[1.9.] [Dipendenza della viscosità dalla temperatura?] 10](#dipendenza-della-viscosit%C3%A0-dalla-temperatura) [[1.10.] [Dipendenza della viscosità dalla pressione?] 11](#dipendenza-della-viscosit%C3%A0-dalla-pressione) [[1.11.] [Dipendenza della viscosità dal peso molecolare?] 12](#dipendenza-della-viscosit%C3%A0-dal-peso-molecolare) [[1.12.] [Effetto degli sforzi normali in flusso di taglio per fluidi NN?] 13](#effetto-degli-sforzi-normali-in-flusso-di-taglio-per-fluidi-nn) [[1.13.] [Viscosità elongazionale?] 13](#viscosit%C3%A0-elongazionale) [[2.] [Che cos'è la reologia e cosa si intende per reometria? Perché si utilizzano?] 14](#che-cos%C3%A8-la-reologia-e-cosa-si-intende-per-reometria-perch%C3%A9-si-utilizzano) [[a.] [Numero di Deborah?] 14](#numero-di-deborah) [[2.1.] [Reologia e reometria dei sistemi liquid-like?] 14](#reologia-e-reometria-dei-sistemi-liquid-like) [[2.2.] [Reometro: in cosa consiste la misura e tipologie di processi?] 15](#reometro-in-cosa-consiste-la-misura-e-tipologie-di-processi) [[2.3.] [Melt-flow indexer (plastomero a estrusione)?] 15](#melt-flow-indexer-plastomero-a-estrusione) [[2.4.] [Reometro a capillare?] 16](#reometro-a-capillare) [[2.5.] [Reometro rotazionale?] 19](#reometro-rotazionale) [[2.5.1.] [Reometro rotazionale piatto-piatto?] 19](#reometro-rotazionale-piatto-piatto) [[2.5.2.] [Reometro rotazionale piatto-cono?] 20](#reometro-rotazionale-piatto-cono) [[2.5.3.] [Reometro rotazionale cilindri concentrici?] 20](#reometro-rotazionale-cilindri-concentrici) [[2.5.4.] [Viscosimetro Brookfield?] 20](#viscosimetro-brookfield) [[3.] [Estrusore?] 21](#estrusore) [[3.1.] [Zona di trasporto del solido (alimentazione)?] 21](#zona-di-trasporto-del-solido-alimentazione) [[3.2.] [Zona di trasporto di plastificazione?] 23](#zona-di-trasporto-di-plastificazione) [[3.3.] [Zona di trasporto fuso?] 26](#zona-di-trasporto-fuso) [[3.3.1.] [Flusso di trascinamento?] 26](#flusso-di-trascinamento) [[3.3.2.] [Flusso di pressione?] 30](#flusso-di-pressione) [[3.3.3.] [Portata di retroflusso/riflusso?] 34](#portata-di-retroflussoriflusso) [[3.4.] [La filiera?] 35](#la-filiera) [[3.5.] [Vite dell'estrusore?] 37](#vite-dellestrusore) [[3.6.] [Miscelazione?] 38](#miscelazione) [[3.7.] [Pacco filtri?] 39](#pacco-filtri) [[3.8.] [Instabilità del fuso: rigonfiamento del fuso?] 39](#instabilit%C3%A0-del-fuso-rigonfiamento-del-fuso) [[3.9.] [Difetti dell'estrusione e problematiche incontrate nel processo?] 40](#difetti-dellestrusione-e-problematiche-incontrate-nel-processo) [[3.10.] [Estrusione di profili cavi?] 41](#estrusione-di-profili-cavi) [[3.11.] [Profili piani (lastre/film)?] 42](#profili-piani-lastrefilm) [[3.12.] [Filatura?] 42](#filatura) [[3.13.] [Estrusione bivite (twin-screw extrusion)?] 43](#estrusione-bivite-twin-screw-extrusion) [[4.] [Stampaggio a iniezione?] 45](#stampaggio-a-iniezione) [[4.1.] [Gruppo di iniezione?] 46](#gruppo-di-iniezione) [[4.2.] [Vite?] 46](#vite) [[4.3.] [La valvola di non-ritorno (check/non-return valve)?] 47](#la-valvola-di-non-ritorno-checknon-return-valve) [[4.4.] [L'ugello?] 48](#lugello) [[4.5.] [Iniezione a due stadi vite-pistone (screw-plunger)?] 48](#iniezione-a-due-stadi-vite-pistone-screw-plunger) [[4.6.] [Iniezione a pistone - ram injection?] 48](#iniezione-a-pistone---ram-injection) [[4.7.] [Stampo (mold)?] 49](#stampo-mold) [[4.7.1.] [Gate?] 51](#gate) [[4.8.] [Gruppo di chiusura?] 52](#gruppo-di-chiusura) [[4.9.] [Ciclo di stampaggio?] 54](#ciclo-di-stampaggio) [[4.9.1.] [Iniezione e riempimento?] 54](#iniezione-e-riempimento) [[4.9.2.] [Mantenimento?] 56](#mantenimento) [[ ] [Ritiro volumetrico?] 57](#ritiro-volumetrico) [[4.9.3.] [Raffreddamento?] 58](#raffreddamento) [[4.9.4.] [Apertura dello stampo?] 58](#apertura-dello-stampo) [[4.9.5.] [Ruolo della pressione e della temperatura?] 58](#ruolo-della-pressione-e-della-temperatura) [[4.9.6.] [Difetti di stampaggio?] 59](#difetti-di-stampaggio) [[4.9.8.] [Linee guida per la progettazione?] 60](#linee-guida-per-la-progettazione) [[4.9.9.] [Processi avanzati?] 61](#processi-avanzati) [[5.] [Calandratura?] 62](#calandratura) [[5.1. Rulli?] 64](#rulli) [[5.2. Cilindri?] 65](#cilindri) [[5.3. Confronto tra Calandratura ed estrusione?] 66](#confronto-tra-calandratura-ed-estrusione) [[6.] [Filmatura?] 66](#filmatura) [[6.1. Filmatura in bolla?] 67](#filmatura-in-bolla) [[6.2. Filmatura in testa piana?] 71](#filmatura-in-testa-piana) [[7.] [Stampaggio per soffiaggio?] 72](#stampaggio-per-soffiaggio) [[7.1. Estrusione/soffiaggio - extrusion blow molding?] 73](#estrusionesoffiaggio---extrusion-blow-molding) [[7.2.] [Iniezione / soffiaggio (injection blow molding - IBM)?] 76](#iniezione-soffiaggio-injection-blow-molding---ibm) [[7.3.] [Stiraggio / soffiaggio (stretched EBM/IBM)?] 77](#stiraggio-soffiaggio-stretched-ebmibm) [[7.4.] [Blow molding (EBM, IBM) vs. injection molding?] 78](#blow-molding-ebm-ibm-vs.-injection-molding) [[8.] [Stampaggio rotazionale?] 79](#stampaggio-rotazionale) [[8.2.] [Tipologie di sistemi di stampaggio?] 82](#tipologie-di-sistemi-di-stampaggio) [[8.3.] [Parametri di processo?] 83](#parametri-di-processo) [[9.] [Termoformatura?] 84](#termoformatura) [[9.2.] [Fase di riscaldamento?] 86](#fase-di-riscaldamento) [[9.3.] [Fase di formatura?] 87](#fase-di-formatura) [[9.4.] [Tipologie di termoformatura?] 88](#tipologie-di-termoformatura) [[9.4.1.] [Termoformatura sottovuoto?] 88](#termoformatura-sottovuoto) [[9.4.2.] [Termoformatura ad azione meccanica?] 89](#termoformatura-ad-azione-meccanica) [[9.4.3.] [Termoformatura in pressione?] 89](#termoformatura-in-pressione) Modelli di flusso e viscosità? ============================== Lo scorrimento di un fluido può avvenire tra: piani paralleli, cilindri concentrici. Sia i piani che i cilindri possono essere traslanti o rotanti. Il moto di un fluido è descritto dalla sua equazione costitutiva che correla e sollecitazioni che provocano il moto del fluido al gradiente di velocità che ne consegue e alla viscosità del fluido stesso. Graficamente, un fluido newtoniano tra due superfici piane parallele in moto relativo può essere descritto nel seguente modo: Immagine che contiene testo, diagramma, linea, schermata Descrizione generata automaticamente  Si ottiene così l'equazione costitutiva: Immagine che contiene testo, schermata, Carattere, linea Descrizione generata automaticamente Dove: yx indica che considero lo sforzo agente in direzione x, la cui normale è perpendicolare a y; il segno meno identifica che lo sforzo si oppone al moto. Pertanto, quella nella formula è una viscosità dinamica. In particolare, ci si riferisce alla viscosità per intendere interazione dinamica, per unità di area, esistente tra due elementi di fluido che si muovono in moto relativo con gradiente di velocità unitario. In particolare, esprime l'esistenza di forze di interazione intermolecolari e di moti relativi tra le molecole che causano dissipazione di energia.  I fluidi si distinguono in due categorie a seconda che la viscosità è funzione dello shear rate oppure no. I primi sono detti fluidi non newtoniani, mentre i secondi sono detti fluidi newtoniani. Partiamo da questi ultimi:  Per quanto riguarda i fluidi non newtoniani, essi a loro volta possono essere suddivisi in sotto-categorie a seconda del comportamento che hanno al variare dello shear rate:  Esistono, inoltre, altre due sottocategorie di fluidi: i fluidi tissotropici e i fluidi reopettici. In entrambi i casi, la viscosità dipende dal tempo; per i primi, applicata una sollecitazione costante, la viscosità diminuisce nel tempo; per i secondi accade l'opposto. Una volta tolta la sollecitazione, la viscosità tende a recuperare e a tornare al valore iniziale. Graficamente si ottiene: Immagine che contiene testo, diagramma, schermata, Carattere Descrizione generata automaticamente Rappresentando il comportamento dei vari fluidi in scala doppio logaritmica, come di seguito riportata, per i fluidi pseudoplastici è possibile identificare due plateau detti rispettivamente primo e secondo plateau newtoniano.  Per la descrizione del comportamento dei fluidi non newtoniani, vi sono una famiglia di equazioni basate su modelli empirici, semiempirici o molecolari che tengono conto del comportamento non-newtoniano, pseudoplastico (shear-thinning) dei fusi polimerici, mettendo in evidenza la forte dipendenza di η dalla shear-rate. Comportamento fluidi pseudoplastici (shear-thinning)? ----------------------------------------------------- Nei fluidi pseudoplastici, la viscosità scende al crescere della temperatura e al crescere della velocità di deformazione. Ciò è dovuto alla presenza di entangolments , ossia nodi tra le catene polimeriche che le vincolano tra loro. La quantità di entanolments presenti nelle catene è funzione del peso molecolare del polimero e dalla sua concentrazione. Per un peso molecolare maggiore di un peso critico le catene sono aggrovigliate tra loro. Aumentando la velocità di deformazione, le macromolecole si stirano e sgrovigliano. Le macromolecole sgrovigliate possono scorrere le une accanto alle altre più agilmente. Ciò spiega perché con l'aumento di shear-rate diminuisce la viscosità del fuso. Questo fenomeno spiega anche la presenza del secondo plateau newtoniano che si manifesta per effetto dello sgrovigliamento completo e dello scorrimento relativo. Modello di Ostwald-de Waele (legge di potenza)? ----------------------------------------------- È il modello più semplice da utilizzare che si base su una legge di potenza a due parametri. L'idea è quella di approssimare la curva con una retta tenendo conto del range di shear-rate importante per il processing.   Esempio: formule di velocità e portata per fluidi newtoniani e non per flusso in condotto cilindrico (viscosità e modelli di flusso slide 35-41). [LIMITI:] i principali limiti della legge di potenza a due parametri sono: non prevede l'esistenza di sforzi normali o risposta viscoelastica in realtà n ≠ cost. → i fusi polimerici si comportano come newtoniani (n = 1) per shear-rate molto alti e molto bassi → η~0~ e η~∞~ non previsti il campo newtoniano dipende dalla struttura molecolare del polimero (MW, polidispersità, ramificazioni.....). Legge di Spriggs (legge potenza troncata)? ------------------------------------------ Immagine che contiene testo, Carattere, schermata, calligrafia Descrizione generata automaticamente Modello di Ellis? -----------------  Modello di Cross? ----------------- Immagine che contiene testo, schermata, Carattere, diagramma Descrizione generata automaticamente Modello di Bird-Carreau-Yasuda? -------------------------------  Modello di Bingham? ------------------- Immagine che contiene testo, schermata, Carattere Descrizione generata automaticamente Modello di Herschel-Bulkley? ----------------------------  Dipendenza della viscosità dalla temperatura? --------------------------------------------- La dipendenza della viscosità dalla temperatura può essere espressa come funzione separata dalla dipendenza dalla velocità di deformazione: Immagine che contiene testo, Carattere, schermata Descrizione generata automaticamente [MODELLO DI ARRHENIUS:]  Il modello di Arrhenius può essere utilizzato per polimeri termoplastici amorfi quando T \> Tg + 100 K Per T ≈ Tg \[→ Tg \< T \< (Tg + 100 K)\] non è possibile considerare un'unica energia di attivazione del flusso viscoso. Ciò è dovuto agli effetti dati dalla presenza di volume libero dominano il comportamento reologico. In questi casi deve essere utilizzato il modello WLF. (Che cos'è il volume libero?) [MODELLO DI WLF= ] Immagine che contiene testo, schermata, Carattere Descrizione generata automaticamente Dipendenza della viscosità dalla pressione? -------------------------------------------  Voglio calcolare il valore di beta per sapere qual è l'effetto della pressione sulla viscosità. Per fluidi a legge di potenza, si trascura il plateau newtoniano che si osserva a bassi shear-rate. Tuttavia, la forma esponenziale dei fattori di spostamento aP(P) e aT(T) per la viscosità rende semplice la rappresentazione della dipendenza della viscosità da T e P durante le misure e il processing. Si scopre che l'effetto della pressione sulla viscosità è opposto a quello della temperatura, oltre ad aver una predominanza minore. Se T ↑η↓ mentre se P↓ η↓ Dipendenza della viscosità dal peso molecolare? ----------------------------------------------- Immagine che contiene testo, schermata, diagramma, Carattere Descrizione generata automaticamente Per pesi molecolari maggiori, la viscosità cambia molto velocemente. [RAPTAZIONE:] la macromolecola si può muovere solo lungo l'asse del condotto/tubo virtuale i cui confini sono definiti dagli ostacoli frapposti dalle altre macromolecole. Viscosità va considerata proporzionale al tempo necessario affinché una macromolecola, diffondendo all'interno di un condotto tortuoso generato dagli ostacoli frapposti dalle altre macromolecole, percorra una distanza pari alla sua lunghezza. Più alta sarà la capacità diffusiva, meno sarà il tempo impiegato dalla macromolecola per uscire.  Il coefficiente di diffusione è inversamente proporzionale alla lunghezza della catena stessa. Più è lunga la macromolecola, più è lenta la diffusione. Il risultato della viscosità trovato è molto vicino a ciò che si trova sperimentalmente. Primo plateau newtoniano η è un po' più basso perché le ramificazioni fungono da lubrificante. Effetto degli sforzi normali in flusso di taglio per fluidi NN? --------------------------------------------------------------- Gli sforzi normali nei fluidi non newtoniani sono generati dagli sforzi tangenziali di taglio. Essi provocano effetti sul comportamento del fluido: 1. Effetto WEISSENBERG: fluido che se agitato, risentendo degli sforzi normali, non genera un mulinello, bensì risale lungo agitatore.  2. Rigonfiamento del fuso: gli sforzi normali stirano la macromolecola, allungandola. Se sono presenti molti entangolments, una volta tolto lo sforzo, le catene tendono a tornare nella configurazione di gomitolo statistico, rigonfiandosi. Più la componente elastica è elevata, più sarà elevato il rigonfiamento. 13. Viscosità elongazionale? ------------------------ Nella viscosità elongazionele, gli sforzi considerati non sono più quelli di taglio, bensì di trazione. Immagine che contiene testo, schermata, diagramma, Carattere Descrizione generata automaticamente Dove: la linea in alto si riferisce al comportamento estensionale di fluidi dilatanti; La linea centrale al comportamento estensionale di fluidi newtoniani; la linea in basso al comportamento estensionale di fluidi pseudoplastici; Che cos'è la reologia e cosa si intende per reometria? Perché si utilizzano? ============================================================================ La reologia è la disciplina che studia lo scorrimento e la deformazione dei materiali in seguito all'azione di una forza ed in relazione a: - intensità della forza; - durata di applicazione della forza; - velocità di applicazione della forza. È dunque lo studio delle relazioni costitutive tra sforzi e deformazioni (in particolare nei liquidi). La reometria è impiego dei metodi per la determinazione sperimentale delle relazioni costitutive e dei parametri reologici. È una tecnica utile per la caratterizzazione del materiale e l'influenza di eventuali sostanze additive. Inoltre, mi fornisce informazioni sulle proprietà (es. temperatura di transizione vetrosa) e sulla qualità del manufatto (es. stabilità/degradazione durante la lavorazione o in esercizio). La reologia si applica sia sistemi liquidi che a sistemi solidi o semisolidi. Per i sistemi liquidi si studia il flusso ossia lo scorrimento di un materiale in cui gli elementi adiacenti che lo costituiscono si muovono in maniera relativa gli uni agli altri (shear-flow, flusso di taglio). Per i sistemi solidi si studia la deformazione ossia il cambiamento della configurazione geometrica del corpo che porta ad una variazione della sua forma o delle sue dimensioni in seguito all\'applicazione di una sollecitazione. È utile ricordare che la percezione che si ha di un materiale (solido o liquido) è dipendente dal tempo di osservazione. Numero di Deborah? ------------------ Il numero di Deborah mi permette di vedere in relazione al tempo di osservazione si un materiale si comporterà come solido o liquido. De = τ / t , dove: τ= TEMPO DI RILASSAMENTO, ossia il tempo necessario ai legami intermolecolari che costituiscono un materiale per rispondere ad uno stimolo esterno quale l'induzione dello scorrimento o la deformazione del materiale. Se: - De \>\> 1 (τ \>\> t): il materiale che rispondono molto lentamente → percepiti come solidi (solid-like); - De \ P ingresso. Si noti, comunque, che nei casi reali, l'andamento della pressione è crescente ma non proprio lineare. Immagine che contiene testo, diagramma, linea, Parallelo Descrizione generata automaticamente Vite dell'estrusore? --------------------  Funzioni della vite in un estrusore mono-vite: ricezione dei granuli solidi di polimero, aggrapparlo, prenderlo e trasportarlo miscelazione dissociativa e dispersiva di granuli di polimero con additivi e/o filler 'fusione' del polimero innalzamento della pressione (per consentire passaggio in filiera) pompaggio del fuso polimerico attraverso la filiera Questo significa che il disegn della vite viene fatto in base all'utilizzo che ha nelle diverse zone: - Zona di alimentazione: granuli di polimero sono compressi e miscelati a eventuali additivi/filler i primi passi della vite costituiscono la zona di trasporto, seguita dalla zona di transizione - Zona di transizione: la profondità del canale viene rastremata (tapered) uniformemente il solido viene portato completamente allo stato di fuso rapporto di compressione (CR) → profondità canale in sezione di alimentazione/profondità canale in sezione di laminazione (metering) (CR ≈ 2-2.5) - Zona di laminazione (metering): il fuso è omogeneizzato e stabilizzato (mix distributivo), P ↑ mi assicuro di avere anche una buona distribuzione di energia termica all'interno del fuso. Dimensioni tipiche vite: lunghezza totale L ≈ 20-25D θ ≈ 17.65° viti a passo uguale al diametro della vite (viti a passo quadro) (square pitch screw, L~p~=D) larghezza filetto e ≈ 0.1D 1)Vite conica doppio parallela: il profilo del nocciolo è costante nelle zone esterne la zona centrale invece è rastremata vite per geneal porpose. 2\) Vite da usare per materiali con cristallinità elevata. Mi serve far passare il grano polimerico a fuso in poco tempo. 3\) Vite rastremata su tutta la lunghezza non si hanno variazioni grando di diametro per piccoli passi. Utilizzati per materiali molto sensibili alla temperatura per evitare il degrado termico dello stesso. Viti con barriera:  Metto dei filetti secondari la cui altezza e posizione varia in funzione di dove mi trovo. Altezza sempre più bassa dei filetti primari. Le barriere mi permettono di confinale il solido rimasto così da lasciarlo fondere. Per materiali molto sensibile a compressione e dunque a degradazione termica si possono utilizzare viti a compressione nulla. Esistono anche viti con sistemi di degasaggio adatti per materiali idroscopici che intrappolano umidità che a T alte diventa vapore acqueo che fino a quando la P è alta rimane liquida ma quando si abbassa vaporizza andando a formare difetti nel materiale. Queste stazioni di degasaggio possono essere singole o molteplici. Importanti perché posso avere anche monomero molto volatile che oltre che a formare criticità nel materiale sono anche pericolose per la salute. Le stazioni possono essere utilizzate anche come stazioni di carico per minerali, fibre, carbonato di calcio, ecc. Miscelazione? ------------- Si possono avere due tipi di miscelazione: - Miscelazione dispersiva: rottura dell'agglomerato a dare particella - Miscelazione distribuita: distribuzione della particella in modo omogeneo sulla massa polimerica Se ho dispersione ho distribuzione ma non è vero che se ho distribuzione ho anche dispersione. Per avere queste due tipologie di distribuzione utilizzo viti con forme differenti: - [Viti con elementi di miscelazione DISPERSIVA]: allungano il tempo di residenza del granulo di agglomerato nel cilindro - [Viti con elementi di miscelazione DISTRIBUTIVA]: cercano di distribuite le particelle già disaggregate nella massa polimerica In generale in un estrusore la vite può avere entrambe le geometrie: la zona dispersiva viene prima di quella distributiva nel design della vite. Pacco filtri? ------------- Il pacco filtri è l'ultima zona del cilindro che ha la funzione di non far uscire i granuli ancora solidi che comporterebbero problemi nel materiale. Sono costituiti da piatti rompigetto. Il grano resta nel filtro fino a quando non si fonderà grazie al passaggio del fuso. Ciò, comunque, comporta un aumento di pressione da gestire. Inoltre, i filtri vanno cambiati spesso perché si usurano velocemente. Instabilità del fuso: rigonfiamento del fuso? --------------------------------------------- L'effetto del processo di estrusione sul rigonfiamento del fuso è la manifestazione della componente elastica di fluidi viscoelastici. Essa si origina da sforzi normali che non sono trascurabili (gli sforzi normali sono presenti anche in sforzi di taglio). Da un punto di vista fisico, il rigonfiamento è dato dal fatto che sto costringendo le catene che sono aggrovigliate ad allungarsi per poter passare da una zona più larga ad una molto più stretta. Se io non do abbastanza tempo alle macromolecole di rispondere allo sforzo con una deformazione, all'uscita esse tendono a tornare alla configurazione di partenza portando ad un rigonfiamento. Per limitare il problema, allungo la filiera per allungare il tempo di residenza ma ciò, ha effetti sul gradiente di pressione che diminuisce. Se il gradiente di pressione diminuisce, diminuisce anche la portata. In alternativa, per diminuire il rigonfiamento, posso ridurre la velocità della vite. Ciò, però, mi comporta anche in questo caso, una riduzione della portata. Unaa soluzione valida è quella di selezionare materiale con grado di rigonfiamento basso e introdurre apparecchiature a valle per calibrare il prodotto in uscita, stirandolo, in modo da contenere il rigonfiamento. Immagine che contiene linea, diagramma, testo, Diagramma Descrizione generata automaticamente Nel primo grafico, sto lavorando variando il numero di deborah; Nel secondo, aumento la polidispersità, ossia la lunghezza delle catene. Ciò mi permette di avere entangolments che sono più difficili da sgrovigliare e, dunque, il rigonfiamento del fuso sarà maggiore. Come correggere rigonfiamento del fuso: traino del fuso (drawdown) dimensionamento/design della trafila Infine, devo assicurare che all'uscita della filiera il materiale sia raffreddato sotto stiro in modo da rilassare gli sforzi. Altri approcci: considerare la geometria della filiera in base al profilo che mi aspetto di avere (es. profilo a t). Difetti dell'estrusione e problematiche incontrate nel processo? ---------------------------------------------------------------- melt fracture (rottura del fuso): il fuso si frattura perché il passaggio da estrusore a filiera comporta una diminuzione repentina della sezione. Ciò comporta un aumento degli sforzi che porta ad una rapida variazione della rapidità che abbassa troppo la viscosità; sharkskin: legata a variazione di portata che si manifestano localmente sul fuso come delle difettosità superficiali che ricordano la pelle dello squalo o l'albero di bambo. Hanno una certa periodicità: se sale la variazione di pressione agli estremi del cilindro, sale la portata in uscita. Ciò porta a una riduzione di velocità tra il fuso e la parete della filiera che comporta una riduzione della pressione e, dunque, di portata e così via ciclicamente. Per interrompere il ciclo, dovrei ridurre la velocità→ la portata. Ridurre la portata significa ridurre la produttività →devo vedere cosa ho sbagliato in progettazione perché voglio massimizzarla la produttività; bambooing Rigonfiamento del fuso (die/estrudate swelling): - adeguata progettazione della filiera (non troppo lunga ne corta) - Calibrazione - Traino - variabili di processo (velocità estrusione, temperatura) Orientamento e giunzioni flusso: - adeguata progettazione della filiera - traino - variabili di processo (velocità estrusione, temperatura) Degradazione del materiale: - condizioni di lavorazione (temperatura) - formulazione appropriata (e.g., antiossidanti, lubrificanti) - tipologia di estrusore (mono vs. bivite) Instabilità del fuso: - formulazione appropriata (e.g., lubrificanti, viscosity modifiers) - traino → rottura del fuso, bambooing, sharkskin, draw resonance - variabili di processo (velocità → tempo estrusione) 9. Estrusione di profili cavi? --------------------------- I profili cavi sono caratterizzati da una sezione costante. Per formare la cavità utilizzo un mandrino che rompe il flusso. Il mandrino deve essere posizionato bene (se posto all'uscita è un errore di progettazione). Per fare in modo che il profilo cavo resti tale devo prevedere un apporto in pressione o depressione in modo da: - mantenere sospeso il fuso polimerico - non far collassare la cavità - raffreddare dall'interno In pressione: è il metodo migliore perché raffreddo anche dall'interno. In vuoto: metodo meno efficiente. Anche nel caso di profili cavi, uso un pacco filtri per monitorare la variazione di pressione e per evitare l'uscita di granuli ancora solidi. Raffreddo anche dall'esterno. Per far ciò, devo prevedere una zona molto lunga in modo da limitare al minimo le tensioni residue di raffreddamento (per far ciò devo raffreddare molto lentamente). Sono previste anche UNITÀ DI CALIBRAZIONE: rulli laterali che confinano il diametro del materiale alla grandezza stabilita. Per fare il rivestimento dei cavi e dei fili utilizzo una filiera a T. Faccio scorrere il filo a velocità differente. Nella filiera c'è un po\' di vuoto per aumentare l'adesione. In questo caso il processo è molto rapido. Essendo gli strati molto sottili non abbiamo problemi con il gradiente di raffreddamento. Profili piani (lastre/film)? ---------------------------- le lastre sono dei semilavorati che uso poi in termoformatura. Devo lavorare sulle perdite di carico: disegno la filiera in modo che il fuso polimerico prima di uscire dalla filiera venga distribuita lateralmente. La distanza tra le labbra della filiera mi determina lo spessore del pezzo. Filatura? --------- Esistono tre tipologie di filitura: 1. Melt spinning 2. Metodo wet spinning 3. Metodo dry spinning: in questo caso parto da una soluzione. Il solvente ha tensione di vapore elevato→ evapora. La filiera è costituita da una piastra forata e in uscita si formano diversi filamenti. A valle vengono poi avvolti. Prima di arrivare al primo rullo i fili devono essere raffreddati. L'obiettivo è quello di non far collassare le fibre una sopra l'altra. Il diametro dei filamenti è 100-200-300 μm. Inoltre, ho bisogno di una pompa per controllare la portata in uscita. Ho bisogno di controllare la velocità perché lavoro con fusi che hanno viscosità molto bassa. Estrusione bivite (twin-screw extrusion)? ----------------------------------------- Nasce perché il monovite non riesce a miscelare in modo efficiente. Il monovite lo posso utilizzare come macchina di pompaggio. Con il bivite garantisco una miscelazione migliore e un grado di sforzo minore del caso mono. È un macchinario perfetto per lavorare il compound (es. carico direttamente il formulato). I bivite vengono classificati in base alla rotazione della vite: Immagine che contiene testo, diagramma, Carattere, schermata Descrizione generata automaticamente Ciscuna zona tra un filetto e l'altro è come se fosse una zona a sé stante. Con questo sistema, la portata non dipende più dalla differenza di pressione. Le dimensioni delle viti sono costanti ed eventualmente solo poco rastremate.  Come si può notare, la portata non dipende dal ∆P bensì dalla velocità con cui si fa ruotare la vite. LIMITE DI VELOCITÀ: devo avere un tempo di residenza sufficiente affinché avvenga la miscelazione. La portata reale non sarà uguale alla portata ideale bensì inferiore: In generale: - I bivite sono spesso impiegati con alimentazione affamata, per garantire τ controllabili → riduco l'effetto del degrado; - Questo riduce gli sforzi di taglio e quindi la degradazione del materiale; - In genere i corotanti inducono minore stress (es. stress termico) al materiale. CASO PARTICOLARE: Estrusione di PVC (tubi, profili, lastre, cavi)  Stampaggio a iniezione? ======================= Nello stampaggio a iniezione, la plastificazione di un polimero termoplastico (in genere) avviene attraverso un sistema vite-pistone per poi essere iniettato ad alta pressione in una cavità (→ stampo). La cavità rappresenta la geometria negativa che mi da l'oggetto. Ogni volta che voglio cambiare geometria, devo produrre uno stampo ad hoc. Ne consegue che, per essere un metodo di produzione vantaggioso, devo produrre in massa. Con questa tecnica, si producono manufatti di massa compresa tra qualche g e decine di kg e di forme molto varie. Dimensioni tipiche mm ↔ m. Esempi di materiali prodotti: - Contenitori per liquidi e solidi: PE, PET, PS - Arredamento/mobili: resine poliestere/vinilestere termoplastiche, exp. PVC - Calzature, suole: elastomeri termoplastici, exp. PVC, TPU - Componentistica auto: ABS, PC-ABS, PP-ABS, PC - Frontali schermi (TV, PC), telefoni: ABS e blend È una tecnologia molto sofisticata, dotata di un elevato grado di solidificazione. Gruppo di iniezione? -------------------- Immagine che contiene testo, schermata, diagramma, Piano Descrizione generata automaticamente Il gruppo di iniezione si occupa di garantire l'apertura e la chiusura dello stampo e di controllare la temperatura. Devo riuscire ad arrivare ad una temperatura che mi consenta di maneggiare l'oggetto senza distorcerlo. Infetti, una volta sciolto il fuso ed ho accumulato abbastanza materiale, spingo con la vite: l'iniezione è quasi istantanea. La maggior parte del tempo del processo è poi impiegato dal processo di raffreddamento. Il processo segue dei cicli di iniezione:  A. La vite trasla verso l'interno e nel cilindro è presente il fuso; B. Si tiene in pressione la vite contro lo stampo per favorire il flusso del fuso che serve per evitare il ritiro da solidificazione. Ciò continua fino a quando non si solidifica l'ugello; C. La vite retrotrasla ruotando: funge da estrusore. A questo punto, lo stampo inizia a raffreddarsi. Una volta arrivato a giusta temperatura, lo stampo si apre ed il pezzo viene rimosso; D. Avendo rifuso il materiale il processo può ricominciare. È un processo semi-continuo perché ci sono dei tempi morti dati dall'apertura e chiusura dello stampo. Vite? ----- In questo processo, la vite è simile a quella dell'estrusore ma generalmente più corta. Rapporti compressione tipici → 2:1 - 5:1. Ha una minore efficienza di miscelamento rispetto all'estrusore e una minore azione meccanica sul materiale. Immagine che contiene testo, schermata, Carattere Descrizione generata automaticamente  La valvola di non-ritorno (check/non-return valve)? --------------------------------------------------- La valvola di non ritorno blocca il flusso di fuso che cerca di fuoriuscire quando viene inserita la vite. L'ugello? --------- Il materiale deve passare attraverso l'ugello che collega il gruppo di iniezione e lo stampo. La principale criticità legata a questo componente è l'usura, dovuta agli sforzi termici causati dal fatto che l'ugello collega il cilindro caldo allo stampo che è a temperature inferiori.  Iniezione a due stadi vite-pistone (screw-plunger)? --------------------------------------------------- Immagine che contiene schizzo, disegno, diagramma, Disegno tecnico Descrizione generata automaticamente Iniezione a pistone - ram injection? ------------------------------------ Questo meccanismo sfrutta un estrusore che anziché alimentare una filiera, alimenta un cilindro con un pistone. In questo modo, le forze in gioco sul secondo stampo sono minori. L'idea è quella di avere volumi più piccoli, in modo da riuscire a plastificare il materiale anche senza vite. Pur essendo i volumi più piccoli, la temperatura sarà comunque più alta in corrispondenza del cilindro e più bassa al centro. Ciò impatta sulla viscosità. Per migliorare la miscelazione e l'omogenizzazione uso la torpedo.  Stampo (mold)? -------------- Immagine che contiene testo, schermata, diagramma, design Descrizione generata automaticamente Dove per pozzetto di raccolta si intende una zona vuota dello stampo che viene prevista per contenere il recupero del materiale polimerico in corrispondenza della bussola che viene spinta nell'estrusore. Se questa parte non venisse tolta, costituirebbe un difetto. È una zona che non c'è sempre ma che in alcuni casi prevedo. Il gate è il punto in cui viene iniettato il materiale. Si posiziona in punti che non si vedono per motivi estetici e in zone che non sono sottoposte a sforzi diretti perché può costituire un difetto. In caso di stampi multicavità, devo assicurarmi che tutte le parti si raffreddino arrivando alla stessa temperatura nello stesso tempo. In foto sono riportate alcune scelte di geometrie corrette e incorrette: Nello stampo, la presenza o meno dei canali di alimentazione caldo o freddi portano ad una serie di vantaggi/ svantaggi: Canali freddi: - Vantaggi: ▪ design più semplice ▪ costi ridotti (fabbricazione e mantenimento) - Svantaggi: ▪ runner estratto con pezzo (la materozza o il canale di alimentazione viene estratto con il pezzo perché solidifica e rimane attaccato al pezzo. È necessario prevedere un processo di rimozione che comporta un aumento di operazioni di processo, dunque, minore ottimizzazione e una quantità di sfrido maggiore). ▪ maggior sfrido Canali caldi: - Vantaggi: ▪ minor sfrido (runner non estratto con parte) ▪ minor pressione di iniezione, utile quando produco parti di dimensioni elevate perché riduco i costi di processo. ▪ suggerito per grandi dimensioni - Svantaggi: ▪ maggior costo stampo, perché introduco elementi riscaldanti che aumentano la complessità dello stampo ▪ pulizia stampo necessaria per cambio materiale, devo rimuovere il fuso rimanente dai processi precedenti. I design dei canali caldi possono diventare anche molto complessi. ### Gate? Anche il gate può avere geometrie differenti in base alla tipologia di cavità. Sono riportati quattro esempi in cui sia la dimensione che il posizionamento del gate varia: 1. Coincidenza tra materozza, canale di alimentazione e gate stesso. CRITICITÀ: ho una difettosità in corrispondenza del punto di iniezione significativa. 2. Punto di iniezione più piccolo, si riduce la zona in cui passa il fuso per raggiungere la cavita. VANTAGGIO: migliore distacco del pezzo dalla materozza e dal canale di alimentazione. CRITICITÀ: strizione mi porta ad una perdita di carico. Mi servono pressioni di iniezione maggiori e potenziali processi di degradazione in corrispondenza del gate stesso (segni di bruciatura) e orientazione delle macromolecole stesso. 3. Geometria a diaframma: ho alimentazione da destra a sinistra. Vado a riempire la cavità in modo radiale. 4. Introduco il materiale attraverso una fessura sufficientemente ampia in modo da dare tempo alle macromolecole di assecondare gli sforzi. La piastra mobile è quella che contiene la metà maschio dello stampo. In corrispondenza di quest'ultima si trovano dei cilindretti che garantiscono l'apertura dello stampo e l'estrazione del pezzo. Il pezzo deve aderire alla parte dello stampo maschio per poter essere tirato fuori.  Per ottimizzare il processo, possono essere impiegati degli stampi più complessi. Nel caso di stampo a tre piastre, il punto di iniezione viene applicato al centro, in una zona piatta. Il vantaggio è quello di riuscire a separare la parte di sfrido dal prodotto finale in modo automatizzato, in modo da ri-immettere lo sfrido nel processo. Inoltre, studiando la geometria, è possibile ottenere una distribuzione omogenea del fuso. Per ottenere pezzi forati internamente, possono essere utilizzati estrattori laterali o carrelli. Per geometrie filettate si utilizzano estrattori rotanti. Gruppo di chiusura? ------------------- Il gruppo di chiusura è la parte che si occupa di mantenere lo stampo chiuso durante iniezione, mantenimento e raffreddamento. È costituito tipicamente da quattro colonne che hanno il compito di guidare la piastra mobile e di sostenere il carico risultante dalla pressione nello stampo. Le colonne si deformano in tensione. È importante che la forza di chiusura sia maggiore della pressione di iniezione. Bisogna tenere in considerazione che la forza di chiusura cambia in relazione all'orientazione del pezzo. La capacità della pressa può essere calcolata in: 1. Massimo volume disponibile per l'iniezione; 2. Forza di chiusura (da 20 a centinaia di tonnellate forza), a parità di pressione, possono essere iniettate aree sempre maggiori. I sistemi di chiusura tipici sono di due tipi: - A ginocchiera: meccanici ad attuazione idraulica, ossia un pistone muove un elemento meccanico. VANTAGGIO: tutto la forza necessaria al pistone per movimentare la ginocchiera e posizionarla nel punto di massima apertura (quando lo stampo è chiuso) è molto bassa; inoltre, questa forza è massima proprio quando mi serve massima, ossia quando lo stampo è chiuso. SVANTAGGIO: non riesco a controllare la forza o la pressione e la contropressione in tutti i punti. Anche il sistema di chiusura a ginocchiera piò raggiungere configurazioni sempre più complesse. - A pistone: chiusura totalmente idraulica. VANTAGGIO: posso controllare la pressione di apertura e chiusura in modo puntuale. Infatti, controllando la pressione dell'olio posso fissare la pressione che voglio in qualunque punto. Posso anche lavorare minimizzando la richiesta della pressione sul pistone andando a lavorare sull'area. Confronto tra le due tipologie di chiusura:  Ciclo di stampaggio? --------------------  Tempo del processo: t~cycle~ = t~closing~ + t~cooling~ + t~ejection~ ### Iniezione e riempimento? Immagine che contiene testo, schermata, Carattere Descrizione generata automaticamente Inietto il fuso nello stampo e durante la fase di iniezione la vite funge da pistone traslando in avanti. La velocità della vite non deve essere per forza costate perché assecondare le diverse sezioni per garantire portata costante Criticità: in corrispondenza dell'ugello e della bocca della materozza c'è usura meccanica e termica dovuta all'accostamento e il disaccostamento del gruppo di iniezioni. Sono pezzi, dunque, che devo poter sostituire. Durante la fase di iniezione/riempimento si sviluppano fenomeni termici: - [Conduzione] di calore attraverso la crosta solida (zona di fuso polimerico che è già entrata in contatto con le pareti dello stampo, dunque solidifica prima ed il suo spessore sarà maggiore man mano che ci si avvicina alla zona d'ingresso); - [Convezione] di calore lungo la direzione del flusso, dovuto al fuso che entra ed esce dalla cavità; - [Dissipazione] di calore per effetto di attrito tra il fuso polimerico in movimento e lo "skin layer" fisso. 1. Velocità bassa all'inizio; 2. aumento di velocità a metà 3. riduzione di nuovo per evitare bruciature. 3. Mantenimento? ------------- Immagine che contiene testo, schermata, Carattere Descrizione generata automaticamente L'idea è quella di mantenere costante la pressione in modo da avere un flusso di fuso continuo nella cavità. Mantengo in pressione fino a quando il gate non si solidifica non permettendo più al fuso di fluire all'interno della cavità. Lo switch da controllo di velocità a controllo di pressione è possibile grazie ad un sensore in corrispondenza del gate che segnala, attraverso un valore di pressione raggiunto, quando la cavità è piena. In questa fase, dunque: - Avanzamento lento della vite in controllo di pressione: ▪ Inizia al termine del riempimento della cavità ▪ Termina al momento di solidificazione del gate - Necessaria per ripristinare materiale in cavità durante il raffreddamento (→ ritiro) - Durante il mantenimento (come anche durante il riempimento) la P non è costante in ogni punto della cavità → Anche il ritiro può variare da punto a punto I materiali che presentano un maggior ritiro sono quelli semicristallini.  Nei semicristallini, il punto in cui ho un brusco calo di volume specifico è la T di fusione; negli amorfi ciò accade alla temperatura di transizione vetrosa. - Ritiro volumetrico? ------------------- - (0-1) iniezione isoT - (1-2) si arriva alla P di mantenimento in condizioni isoT - (2-3) raffreddamento isoP durante il mantenimento - (3-4) dopo il gate freeze-off si ha raffreddamento isoV in stampo fino a raggiungere Patm - (4-5) raffreddamento isoP - (Patm) fino a raggiungere T di sformatura Il ritiro (ΔV) dipende da P~mantenimento~ (2-3) ma non da T~iniezione~ → gate solidifica sempre nel punto 3. Il ritiro può essere controllato: - variando P~mantenimento~ (P maggiore → ritiro minore) - variando il tempo di mantenimento → variazione della geometria del gate. Infatti, un gate di dimensioni maggiori consente: ▪ solidifica più tardi ▪ permette refill in quantità maggiore ▪ ma determina maggior difficoltà nell'estrazione del pezzo Plastificazione?  Dove per "shot size" si intende il volume di carica necessario per l'iniezione successiva. Il processo di plastificazione avviene grazie al calore sviluppato dall'attrito granulo-granulo, granulo-vite e granulo-cilindro. Valgono le considerazioni fatte per l'estrusione. Raffreddamento? --------------- Il raffreddamento prosegue finché tutto il pezzo è solidificato in tutte le sue parti e può quindi essere estratto. Il tempo di raffreddamento è funzione complessa di diverse variabili di processo: - diffusività termica del materiale (α), se elevata il materiale raffredda più velocemente, perché il flusso di calore esce più facilmente. - temperatura del fuso - temperatura dello stampo, se basse è favorito lo scambio termico. T troppo basse portano però a raffreddamento differenziale che comportano ritiri differenziali che comportano problemi sul pezzo realizzato. - spessore del componente, di solito pochi mm perché spessori alti portano a raffreddamenti molto lenti perché il polimero conduce male il calore. - entalpia di cristallizzazione (per semicristallini) 5. Apertura dello stampo? ----------------------  Ruolo della pressione e della temperatura? ------------------------------------------ La pressione assume un ruolo importante nella stampante ad iniezione ed è il parametro che a livello industriale viene controllato. La pressione di iniezione deve essere necessaria e sufficiente a riempire le cavità ed aumenta all'aumentare della superficie bagnata. La pressione di mantenimento deve essere, invece, necessaria e sufficiente a ripristinare il volume di ritiro. Immagine che contiene diagramma, testo, linea, Piano Descrizione generata automaticamente  Difetti di stampaggio? ---------------------- I principali problemi/difetti di stampaggio sono: 1. Bruciature 2. Tensioni residue da raffreddamento 3. Orientamenti 4. Linee di giunzione BRUCIATURE: è possibile avere due tipi di difetti da bruciature: - Bruciatura in corrispondenza del gate: si ha quando la velocità di iniezione è troppo elevata, l'attrito con le pareti del gate o dell'ugello molto elevato che porta ad un aumento della temperatura locale che sfocia in una bruciatura; - fondo cavità (effetto Diesel): l'aria non riesce ad uscire dalla camera abbastanza velocemente e finisce per esplodere in corrispondenza della cavità → degradazione. Per ridurre questi difetti, ottimizzo lo sfiato di aria e controllo la temperatura in modo da migliorare la fruibilità del materiale e ridurre gli sforzi di attrito. TENSIONI RESIDUE DA RAFFREDDAMENTO: causate da gradienti di raffreddamento. Infatti, le zone a contatto con le pareti dello stampo si raffreddano più velocemente, iniziando a ritirarsi e sottoponendosi a sforzi di compressione. Lo stato di sollecitazione interno sarà, invece, di tensione, perché il materiale ancora caldo, sta fluendo all'interno dello stampo.  Una sottocategoria di tensioni residue sono i [risucchi (sink marks)] → piccoli crateri/depressioni in aree più spesse del componente stampato, dovute a: - tensioni residue (restringimento in porzioni interne del prodotto finito) per raffreddamento differenziale - P troppo bassa in cavità ORIENTAMENTI: orientamenti preferenziali possono svilupparsi a causa della monodirezionalità del flusso. Si manifesta ancora di più se il pezzo che vado a stampare presenta delle irregolarità al suo interno. Ciò può portare a problemi nella risposta meccanica. Per dare tempo alle macromolecole di rilassare gli sforzi, lavoro a tempi di iniezione più bassi. LINEE DI GIUNZIONE: sono comprese linee di giunzione, linee di saldatura e linee di flusso. Sono piani in corrispondenza dei quali si incontrano diverse linee di flusso che non riescono a miscelarsi le une con le altre (causa viscosità diverse). Sono difetti superficiali che si trasmettono nel bulk. Una diversa posizione del gate può mitigare il jetting → iniezione da punto laterale per ridurre la lunghezza del percorso immediatamente in uscita dal gate. Linee guida per la progettazione? --------------------------------- L'utilizzo di uno stampo impone il rispetto di alcune semplici regole di progettazione. spessore del pezzo stampato da mantenere il più sottile possibile, in modo da ottimizzare: \- scambio termico (↓ tempi di raffreddamento -- superficie/volume); \- quantità di materiale utilizzato; spessore del pezzo stampato da mantenere il più uniforme possibile per: \- regolarizzare il flusso di materiale durante il riempimento dello stampo; \- limitare le distorsioni durante il raffreddamento; tutti gli spigoli devono essere raccordati: \- regolarizzare il flusso di materiale durante il riempimento dello stampo; \- ridurre gli effetti di concentrazione degli sforzi; Per agevolare l'estrazione del manufatto dallo stampo: presenza di opportuni angoli di sformo (rastremature) per limitare l'attrito del pezzo contro le pareti in fase di estrazione (in genere tra 0.5°e 3°, su entrambi i lati) assenza di sottosquadri (rientranza o protuberanza sul pezzo stampato che si oppone all\'apertura dello stampo) Se inevitabili, lo stampo dovrà essere provvisto di più parti mobili Immagine che contiene testo, diagramma, Piano, linea Descrizione generata automaticamente Processi avanzati? ----------------------------------------- - STAMPAGGIO AD INIEZIONE ASSISTITO DA GAS (gas-assisted injection molding): ▪ corpi cavi ▪ minori deformazioni e risucchi (la pressione viene mantenuta dal gas fino a completo raffreddamento) ▪ minore tempo di raffreddamento ▪ possibilità di pezzi (cavi) spessi - STAMPAGGIO A COINIEZIONE (coinjection molding): Spessore a strati di materiali diversi. Alcuni esempi: ▪ core in espanso ▪ pelle rigida leggero ▪ core in materiale resistente ▪ pelle in materiale protettivo (e.g., morbido per ammortizzare urti) ▪ core in materiale riciclato ▪ pelle in materiale vergine Calandratura? ============= La calandratura è una tecnologia per la produzione di fogli e lastre piani con trame superficiali semplici (texturing). Il processo consiste nella lavorazione del polimero fuso (materiale termoplastico), realizzato attraverso plastificazione in estrusore, attraverso un mixer-estrusore seguita dal passaggio forzato (compressione) attraverso rulli, generalmente 4 in acciaio cromato (grandi e pesanti), che ruotano in versi opposti. Essi hanno: ▪ larghezza → 1.5 - 2.5 m (dimensione trasversale rispetto alla direzione della macchina). ▪ diametro → fino a ≈ 1 mv ▪ velocità di produzione, è determinata da dimensione e requisiti superficiali del prodotto (e proprietà del materiale polimerico) → ≈ 5 - 150 m/min (→ 4000 kg/h) la macchina lavora ad alte produttività. In generali i film hanno una velocità di produzione più alta; seguono i fogli ed infine le lastre. La velocità di produzione è funzione dello spessore del film e dei requisiti superficiali del prodotto es. se voglio trame superficiali, opacità o trasparenza, brillantezza, rugosità e le proprietà del materiale condizionano le condizioni di processo: amorfo, semicristallino, termoplastico ecc. Le velocità non sono uguali su tutti i rulli come non lo sono le distanze per garantire adesione. Con questa tecnica produttiva si riescono a gestire materiali polimerici con alta viscosità e anche caricati (ad esempio con carica inorganica) perché utilizzo la pressione come forza primaria grazie alla durezza del rullo. Il suo utilizzo viene preferito in alcuni ambiti specifici→ lavoro il materiale sottoposto a forti sforzi meccanici e termici ma per tempi molto ridotti. Ciò significa che è utilizzabile per materiali instabili ad alti gradienti di temperatura (es PVC e poliurefine). Nell'estrusore la forza primaria è l'attrito per cui non riesco a gestire questi materiali. La calandratura si utilizza per produrre: fogli di gomma per ottenere lo pneumatico film per packaging, ricopertura di piscina, teloni di copertura, pavimentazione in plastica (PVC). È importante il calibro dello spessore lungo la direzione trasversale lungo la direzione macchina perché deve essere omogeneo. Vantaggi del processo: ▪ [sistema automatizzabile:] tempi di avvio molto lunghi; devo garantire omogeneità in termini di contatto, temperatura, velocità in modo da non far variare la viscosità e, di conseguenza, lo spessore. Una volta partita, l'operatore deve solo assicurarsi che tutto va bene. ▪ [scarti ridotti:] c'è una quantità di sfrido molto ridotta. ▪ [buona finitura superficiale:] grazie al controllo del texturing dei rulli e la distanza dei rulli riesco ad ottenere finiture superficiali definite in termini anche di cristallinità oppure no. ▪ [buone tolleranze dimensionali:] le tolleranze devono essere ridotte, nell'intorno di qualche micron, controllo delle dimensioni molto sofisticato. ▪ [tempi di residenza ridotti:] i tempi di residenza sono molto ridotti, ciò comporta delle sollecitazioni termiche inferiori rispetto ad altre tecnologie. Svantaggi del processo: ▪ [costi di investimento:] c'è una grande quantità di ghisa e acciai, anche pregiati, nei rulli che comporta dei costi elevati. Le calandre costano fino a qualche milione. Il costo è affrontabile solo per volumi di produzione molto elevati. Inoltre, sono necessari anche additivi (es. stabilizzanti, pigmenti, cariche inorganiche); dunque, il fuso polimerico deve essere ben miscelato. ▪ [OK per volumi di produzione elevati] ▪ [ingombro / spazi] La tipica linea di produzione consiste in: 1. Materie prime (e additivi) 2. Mescolatore e granulatore: 3. Calandra 4. Taglio ed ulteriori lavorazioni  Nel reattore batch introduco la materia prima e gli additivi. Essi vengono mixati nel miscelatore così da ottenere il materiale voluto. Un nastro trasportatore porta poi il materiale nell'estrusore. In esso agisce uno sforzo di taglio per garantire ulteriore miscelazione. Estrusore, poi, funge da alimentatore per la calandra. Tutte le stazioni successive, mi permettono di caratterizzare la superficie (Embossing è il macchinario che permette di ottenere trame superficiali). Si arriva poi alla fase di avvolgimento: in base alla velocità di avvolgimento riesco a controllare la risposta meccanica del film sulla macchina. 5.1. Rulli? ----------- Il controllo superficiali è garantito da quattro rulli in su Alimento il materiale elastomerico in corrispondenza dei due rulli. I rulli possono essere posizionati con 4 configurazioni principali: - Tipo I - Tipo F - Tipo L - Tipo Z TIPO I: - Vantaggio: occupa poco spazio - Svantaggio: è difficile controllare l'alimentazione (il nip è laterale) per cui deve essere più raffinato; eventuale flessione di un rullo a causa del peso del fuso, influenza ciò che succede sul rullo successivo→ non posso avere un controllo dettagliato. TIPO F: -  Vantaggio: pur non occupando spazio a terra si ha controllo maggioro del tipo I perché l'alimentazione è dall'alto. TIPO L: - Vantaggio: stessi della F. TIPO Z: - Vantaggi: alimentazione facilmente gestibile e controllabile su due rulli dal basso. Non ho mai due punti di contatto sullo stesso asse, per cui controllo in modo controllato il passaggio da rulli successivi. - Svantaggi: occupa molto spazio a terra. Mi aspetto di avere necessità di compensare la flessione dei rulli. Non tutti i rulli hanno le stesse funzioni. In particolare: [Primo rullo]: è quello di alimentazione, distribuisce il materiale nel modo più omogeneo possibile; [Secondo e terzo rullo]: regolano lo spessore; [Ultimo rullo]: è di finitura superficiale e calibrazione. Le velocità dei rulli devono assecondare le variazioni di spessore. 5.2. Cilindri? -------------- Cilindri hanno superfici molto dure (→ ghisa o acciaio cromato) e sono adatti adatti per lavorazione di materiali molto viscosi/caricati. In questo processo, è importante il controllo dimensionale in direzione longitudinale e trasversale: ▪ longitudinale → eccentricità rulli (se non ruotano in modo omogeneo si generano variazioni di spessore, vibrazioni (da smorzare per evitare ondulazioni del film, uniformità carica (il mix deve essere dispersivo e distribuito efficacemente, altrimenti rischio agglomerati di carica che variano lo spessore). ▪ trasversale → diametro cilindri, temperatura (se non è omogenea sul cilindro, la disomogeneità si trasferisce al materiale provocando un cambio di viscosità), deflessione cilindri (come visto, si possono sviluppare delle pressioni molto elevate sul punto di contatto che flettono il cilindro. Devo fare in modo che non accada). Per il controllo della temperatura, si utilizzano cilindri all'interno dei quali ho circolazione di liquido es. acqua/ oli. Per conduzione, il calore si trasferisce a contatto con il materiale polimerico. Si hanno due opzioni: 1. Camera riscaldata: in cui faccio fluire il liquido; 2. Canali forati perifericamente: più efficace perché riesco a spargere il liquido più omogeneamente. Più impegnativa a livello costruttivo. Deflessione cilindri: se non controllassi la deflessione dei cilindri, a causa delle forze idrodinamiche (pressione) che si sviluppano nel punto di contatto durante il processo, otterrei dei fogli bombati. Per evitare ciò si può: 1. [Bombare i cilindri] in modo che flettendosi ottengo un foglio piano senza bombatura. Il limite è che non posso fare un controllo in linea. Se variano le condizioni di processo, es. formulazione del materiale, varia lo sforzo, dunque, la bombatura che ho fatto, valendo per uno specifico valore di pressione, non va più bene. 2. [Disassamento dei cilindri:] In corrispondenza dell'estremità dei rulli, aumento lo spazio, dunque lo spessore, così da mitigare la bombatura del film. Utilizzabile anche variando le condizioni di processo e posso monitorare il prodotto in uscita. Compenso i difetti muovendo i rulli. 3. [Contro-flessione]: sui cilindri, sottopongo ciascuno dei rulli ad un momento flettente che compensi le forze idrodinamiche sul punto di contatto. Posso farlo in linea. Approccio più efficace ma costa di più perché la F di contro-flessione deve essere\> = della F applicata sul punto di contatto che è, di per sé, molto elevata. In conclusione, i parametri di processo da settare e controllare sono: ▪ temperatura cilindri ▪ velocità cilindri ▪ distanza tra cilindri Primo rullo si muove a velocità inferiore per far accomodare il materiale. La velocità sui rulli successivi si incrementa leggermente. Aumenta perché gestisco un materiale più sottile e non più spesso e ad alte viscosità. Per evitare di incontrare P elevate devo ridurre la viscosità → aumento la T. Distanza tra rulli diventa sempre minore. 5.3. Confronto tra Calandratura ed estrusione? ----------------------------------------------  Filmatura? ========== Il processo di filmatura è una tecnologia che consente di ottenere fogli e film di lunghezza in teoria infinita, essendo un processo in continuo, con spessore sub millimetrici. Il materiale più impiegato è il polietilene a bassa densità (→ usato per packaging per sacchetti della spesa prima di essere sostituiti da quelli a base amido). La filmatura si divide in due sottocategorie: Filmatura in bolla e filmatura a testa piana. Esse sono accumunate dal fatto che in entrambi i casi uso un estrusore per plastificare il materiale. 6.1. Filmatura in bolla? ------------------------ Il processo consiste nell'utilizzare un estrusore per plastificare il materiale. Una volta ottenuto il fuso, esso passa nella filiera cilindrica, in modo da ottenere un tubulare che, successivamente, viene soffiato con aria per formare una bolla. Essa viene fatta collassare su se stessa, per poi essere raccolta a valle con dei rulli, per portarla nella stazione di avvolgimento, così da ottenere una bobina. Bolla che collassa sul piano→ utilizzabile per sacchetti con opportuni processi di finitura o possono diventare due film separati. L'altezza della bolla può raggiungere svariati metri di altezza. L'alimentazione avviene dal basso con filiera che fa uscire il materiale verso l'alto. Le maggiori criticità di questa tecnica è che lavoro con l'estrusore, quindi, ho tutte le possibili difettosità in uscita dall'estrusore. Necessaria filiera che consente di ottenere un tubolare, problema della rottura e ri-giunzione del flusso. Raffreddamento: l'altezza della bolla è funzione della velocità di raffreddamento. Il raffreddamento può avvenire per iniezione di aria refrigerante o per controllo della velocità. Il materiale non può avere una viscosità troppo bassa e se no collasserebbe. La viscosità non può essere nemmeno troppo alta perché se no la bolla non si formerebbe. TESTA: adibita allo svolgimento dell\'estrusione del polimero precedente al soffiaggio, quindi al processo più critico dell\'operazione di filmatura. Garantisce che il materiale in uscita sia pronto per essere gonfiato. Dobbiamo assicurarci che il materiale si sia ri-omogenizzato per formare il profilo ad anello per fare la bolla. Posso lavorare con design di filiera particolari: 1. [Mandrino supportato da un piatto a razze]: passo dal cilindro alla filiera attraverso l'ugello. Devo rompere il flusso per formare la cavità. Si formano diversi fronti di flussi che si devono riunire in filiera prima di uscire; Controllo v vite, tempo di residenza, lunghezza filiera 2. [Filiera con pacco filtri]: c'è il mandrino supportato da pacchi filtri che omogenizzano i fronti di flusso. Regolano le perdite di carico in modo da omogenizzare fluido in uscita. In uscita mi aspetto un anello omogeneo; 3. [Alimentazione laterale]: non ho rottura del flusso ma il fuso va ad abbracciare il mandrino. Ho rottura del flusso in direzione radiale piuttosto che longitudinale. Mi va bene perché i getti sono più facile da ricongiungere; 4. [Alimentazione a spirale]: usato per processi particolari, l'alimentazione arriva da sotto. Il fuso esce radialmente da fuori collegato a canali di alimentazione da dentro (non ho capito bene) il mandrino ha delle canaline di alimentazione del fuso polimerico disposte a spirare del mandrino stesso con dei fori. Migliora la omogeneità RIASCOLTARE PARTE In tutti i casi, il problema dell'alimentazione del fuso si associa a quello dell'alimentazione dell'aria. Essa avviene attraverso canaline che attraversano il mandrino. Insufflo aria con portata una portata di metrocubo al minuto. Una volta ottenuto il diametro richiesto per la bolla, l'aria non viene più insufflata. Avrò perdite oppure l'aria esce per ricircolo per garantire il raffreddamento. La bolla deve rimanere in pressione. NOTA: Linea di gelo o freeze line: piano in cui avviene la transizione da materiale deformabile a materiale non più deformabile. Per gli amorfi identifica la transizione vetrosa da sopra a sotto la Tg. Per poter soffiare il materiale, esso in uscita dall'estrusore deve avere una viscosità adeguata, per cui devo iniziare a raffreddarlo fin da subito con aria fredda. Il raffreddamento deve essere controllato per riuscire comunque a deformare il materiale. (ma l'aria che uso per gonfiare è calda, fredda o non mi interessa?) Per raffreddare il materiale, ci utilizzano due sistemi: - Sistema di raffreddamento esterno: raffreddo il sistema dall'esterno; - Sistema di raffreddamento interno: si utilizzano per rimuovere calore dall'interno attraverso l'alimentazione di aria fredda. Questo sistema permette di controllare meglio le proprietà chimico-fisiche del materiale (es. controllo il grado di cristallinità). Inoltre, la velocità di raffreddamento aumenta, garantendo un aumento di materiale prodotto. Lavorazione di materiali amorfi e semicristallini: [Amorfi:] si utilizza un calibro di spessore definito, non ho problemi di allineamento di macromolecole. [Materiale semicristallini]: devo prevedere stazione di stiro del fuso prima di quella di soffiaggio. Porta a una forma a calice con un grado di opacità elevato perché sto favorendo la cristallizzazione, allineando le macromolecole, e da tempo di rilassare gli sforzi. Stiro longitudinale incrementa le proprietà in direzione macchina (es. meccaniche). Gonfiando, la macromolecola tende a orientale in direzione trasversale. Se stiro, riesco ad ottenere un materiale più isotropo perché avrò parte di macromolecole orientate perpendicolarmente alla macchina e parte parallele ad essa (allineamento biassiale).Ciò consente di migliorare molte proprietà (es. strappo )in direzione macchina. Guidabolla: assicura che la bolla non aumenti troppo il suo diametro e non collassi. Ne assicurano la stabilità dimensionale. È costituito da scheletri di contenimento. Telaio di collasso: da 3d la bolla deve collassare. Zona in cui raccolgo la bolla e passo ad un 2d. inoltre, la bolla deve collassare in modo omogeneo. Rappresenta un punto critico perché possono esserci problemi di instabilità e corrugature nei punti di contatto. Ho delle zone che devono percorrere più strada rispetto ad altre per diventare 2d. Ci sono cilindri guida che permettono una sovrapposizione graduale e una riduzione della presenza di corrugature. Trino: è un sistema oscillante di traino con rulli pinzatori che consente la raccolta su rulli di avvolgimento. Attraverso un movimento elicoidale, riesco a omogeneizzare le difettosità che si distribuiscono lungo la larghezza. Il fatto di ridistribuire uniformemente i difetti di spessore è accettabile dal punto di vista industriale. Sono difettosità minime. L'importante che il lotto di produzione abbia difettosità distribuite in modo randomico. Bobinatore: è un sistema di avvolgimento e raccolta della bolla. Devo garantire tensionamento del film in modo da avere le caratteristiche meccaniche che voglio. Dunque, la tensione/velocità di avvolgimento deve rimanere costante. Il bobinatore può essere singolo, doppio o multiplo. Parametri principali del processo di filmatura per soffiaggio: - Diametro bolla - Diametro filiera - Diametro bolla - Rapporto di stiro longitudinale (→ take up ratio - TUR) - Rapporto di soffiaggio (→ blow up ratio - BUR) Tanto più è alto ABUR, più avrò macromolecole con orientamento preferenziale trasversale. Il diametro della bolla posso misurarlo in linea, misurando il guidabolla, oppure misurarlo sul film ottenuto (la circonferenza della bolla è due volte la lunghezza del film ottenuto).  La velocità in filiera è legata alla portata e alla velocità di rotazione della vite. I valori più bassi, si hanno, per materiali amorfi. I valori sono più alti per quelli semicristallini. Traferro: anello cavo attraverso cui il fuso polimerico passa (differenza tra circonferenza interna ed esterna), BUR E TUR influenzano lo spessore finale del film. Per calcolare la velocità in uscita, marco con un pennarello e vedo quanto ci mette il fuso a raggiungere una certa distanza. Si ottiene così sperimentalmente. PARAMETRI DI PROCESSO: Immagine che contiene diagramma, linea, schizzo, Diagramma Descrizione generata automaticamente  6.2. Filmatura in testa piana? ------------------------------ Sono due i principali processi sviluppati: - Sistemi a cilindri raffreddati: estrudo da filiera piana direttamente sui cilindri raffreddati e a valle ho fase raccolta ecc, - A bagno d'acqua: ho estrusore, filiera in testa piana, ma il raffreddamento del film estruso avviene per contatto con l'acqua in vasche. Criticità: increspature sul pelo dell'acqua; a seguito dell'immersione del film possono formare gradienti di temperatura e, dunque, raffreddamenti non omogenei. Per questo si preferisce il primo metodo soprattutto per alte produttività. I film li otteniamo attraverso bocche di uscita ad appendiabiti, funzionali per assicurare velocità di uscita omogenee dalla testa per effetto di perdite di carico controllate, in modo che il fuso esca distribuito lungo tutta la testa di estrusione. Le macchine per la filmatura in testa piana sono macchine che occupano spazio. Possono essere molto lunghe, perché l'attenzione è posta sulla plastificazione del film (filiera lunga vedere estrusione). Portate massive sui 2000kg/h→ produttività molto elevata. CONFRONTO TRA FILM DA TESTA PIANA E FILM DA BOLLA:  Stampaggio per soffiaggio? ========================== Lo stampaggio per soffiaggio consiste in un processo in cui una piccola provetta o un tubo vengono gonfiati con aria contro le pareti di uno stampo raffreddato (simile al soffiaggio del vetro). Particolarmente adatto per produrre manufatti di piccolo spessore con cavità interna. Questo processo può essere preceduto da iniezione o da estrusione. Gli step principali sono: 1. Produzione di una preforma/Parison in materiale plastico 2. Posizionamento della preforma in uno stampo chiuso a due piastre 3. Iniezione di aria all'interno della preforma calda → soffiaggio contro la cavità dello stampo 4. Raffreddamento della preforma espansa 5. Apertura dello stampo e rimozione della parte stampata Sono tre le tipologie di stampaggio per soffiaggio: 1. Estrusione / soffiaggio (extrusion blow molding - EBM): Profilo cilindrico cavo chiuso nello stampo. Soffio per ottenere l'oggetto richiesto. ▪ estrusione Parison ▪ chiusura stampo ▪ soffiaggio 2. Stiraggio / soffiaggio (stretched EBM/IBM) la preforma viene stirata nel soffiaggio (es. bottiglie lunghe e con macromolecole orientate in modo biassiale (buone prestazioni fisiche ▪ IBM o EBM ▪ stiraggio e soffiaggio 3. Iniezione / soffiaggio (injection blow molding - IBM) ▪stampaggio preforma ▪ condizionamento, riscaldamento della preforma per poterla formare ▪ soffiaggio (tutto il mercato di bottiglie ad uso alimentare) 7.1. Estrusione/soffiaggio - extrusion blow molding? ---------------------------------------------------- Il processo consiste in: 1\. Plastificazione in estrusore: tutte le considerazioni fatte per l'estrusore, valgono anche qui. La filiera avrà un mandrino perché c'è bisogno di produrre una cavità. 2\. Estrusione Parison 3\. Chiusura stampo: una volta raggiunta la lunghezza desiderata del parison, lo stampo si chiude. 4\. Soffiaggio e raffreddamento: chiuso lo stampo, si introduce aria in pressione. Lo stampo è caldo. L'aria viene introdotta attraverso ugelli soffiatori che possono trovarsi in posizioni variabili. In particolare, se ugello inietta dall'alto, il processo risente di un ritardo perché la testa di estrusione deve essere rimossa per introdurre l'ugello. Diversamente, estrudendo dall'alto e soffiando dal basso riesco ad andare più velocemente. In questo caso, però, mi servirà più materiale per andare ad abbracciale l'ugello di soffiaggio. 5\. Estrazione: il pezzo viene estratto una volta che il materiale, che ha aderito sulle pareti dello stampo, si raffredda. Immagine che contiene schermata, testo, diagramma, design Descrizione generata automaticamente Il processo di estrusione per soffiaggio è una tecnologia molto automatizzata: sono previsti estrusori multi-testa per implementare la produttività. Inoltre, è una tecnologia semicontinua, per implementare ciò si usano setup di produzione differenti: - Rotary-wheel blow-molding: il blocco stampo si sposta da una stazione all'altra, ruotando. - Shuttle machinery blow-molding: il più comune, il blocco stampo si sposta da una stazione all'altra orizzontalmente. Attraverso questa tecnica è possibile ottenere: ▪ oggetti a singola cavità contenitori per detersivi; ▪ oggetti a doppia parete sportelli, sedute, schienali, ripiani, top per elettrodomestici (il pianale del tavolo è una doppia parete con all'interno una cavità); ▪ geometrie composte convogliatori aria, serbatoi auto; Un contenitore da estrusione/soffiaggio è caratterizzato da una linea di giunzione sul fondo, molto evidente. Il vantaggio principale del processo è la possibilità di ottenere oggetti con spessori di parete variabili, senza modificare lo stampo. Infatti, parete dell'estruso mi definirà lo spessore dell'oggetto stampato. Lo svantaggio principale è l'impossibilità di avere orientamento biassiale. Altre criticità sono quelle legate al processo di estrusione, oltre al devo tener conto del peso del parison. In particolare: - Die swelling: (rigonfiamento del fuso) ▪ caratteristiche macromolecolari ▪ geometrie di flusso ▪ parametri operativi (T, portata) - Sagging: (cedimento del parison) - ▪ viscosità (melt strength): deve essere sufficiente per mantenere in piedi la bolla e farla crescere - ▪ parametri di processo (T, v~ext~) - ▪ geometria Parison Devo evitare il collasso del parison a causa del suo peso. Se estrudo lentamente, dò più tempo al materiale per risentire del suo stesso peso. Come riportato nel grafico, all'inizio ho un aumento della lunghezza del parison perché esso inizia ad uscire dalla filiera. Il rigonfiamento porta a una riduzione della lunghezza del parison. Il cedimento porta a far collassare la preforma, facendola allungare per effetto del suo stesso peso. In tutti e tre i casi, con l'aumentare del tempo si registra un aumento di lunghezza perché è il peso stesso che allunga. Si cerca di lavorare a condizioni che mi minimizzano cedimento e rigonfiamento. Lo spessore del parison non è regolare a causa di questi due contributi. Devo cercare di ottenere un profilo che ha più materiale nei punti più lontani dalla parete e meno al centro. Con questo processo è possibile controllare lo spessore a monte regolando la velocità della vite oppure regolando la movimentazione del mandrino: Regolazione velocità rotazione vite → controllo portata (spessore) -- risposta in ritardo. Lo svantaggio di questo metodo di controllo è che quello che vedo in stampo è asincrono. Non ho controllo di linea efficace. Dunque, controllo il profilo con la movimentazione mandrino: Avviene durante l'estrusione → controllo in-line luce di passaggio (spessore). Posso farlo con tempi di ritardo nulli e controllo dettagliato. Un altro aspetto importante è la selezione dei materiali, fatta sulla base di caratteristiche molecolari e proprietà fisiche: - Caratteristiche molecolari: ▪ pesi molecolari elevati (centinaia di migliaia in modo da garantire elevata resistenza del fuso); ▪ ampia distribuzione dei pesi molecolari; ▪ catene lunghe e ramificate ampia distribuzione dei pesi molecolari mi porta ad una zona ad elevata pseudo-plasticità; - Proprietà fisiche: ▪ elevato melt strength; ▪ deformabilità del fuso; ▪ alto grado di pseudoplasticità (shear sensitivity); Inoltre, devono essere considerati anche gli stati di sollecitazione: ▪ Flusso in filiera → perdite di carico in filiera, distribuzione delle velocità lungo il profilo della testa (ad anello), plastificazione per sforzi di taglio. ▪Formazione del Parison → linee di giunzione, orientamento molecolare, frattura del fuso (melt fracture); swelling e sagging dovuti a: viscoelasticità del fuso, dipendenti da MW, MWD, T, portata, dimensione Parison. Rottura dei profili di flusso a causa del cambio di geometria che devo garantire vengano ricongiunti. ▪ Soffiaggio → proprietà reologiche associate al flusso estensionale (non sto più sollecitando a taglio qui ma a tensione). È da considerare la risposta reologica del fuso polimerico→ shear-thinning (pseudo-plastico) e tension thickening. Ricapitolando: se mi trovo in un punto a basso spessore, mi aspetto che a parità di deformazione, la velocità a parete sottile sia più elevata, ma ciò significa che a viscosità costante in quel punto avrò cedimento. Pertanto, mi servono materiali che aumentano la propria viscosità all'aumentare della velocità di deformazione. Iniezione / soffiaggio (injection blow molding - IBM)? ------------------------------------------------------  Fase 1-2: processo di iniezione (tutte le considerazioni già fatte, valgono anche qui). L'iniezione avviene dal basso. In verde è rappresentato l'ugello di soffiaggio per soffiare il materiale riscaldato contro le pareti dello stampo. Fase 3-4: passaggio per una fase di stampaggio prima di quella di soffiaggio. Prima del processo di soffiaggio si ottiene un preforme in 3D. Passando prima dal processo di stampaggio sono capace di controllare con una tolleranza più spinta (qualche decina di micron) lo spessore. È una tecnologia idealmente priva di sfrido ed automatizzata. Con questa tecnica riesco a lavorare una più vasta gamma di materiali rispetto alla tecnica precedente, a patto di riuscire ad arrivare a Temperatura sufficiente per soffiare e ad una Pressione non eccessive. Riesco così a lavorare materiali che hanno una resistenza del fuso bassa. Lo svantaggio di questa tecnica è dato dal costo: aumentando i passaggi necessari per il processo, è possibile rientrare nei costi con una produzione massiccia. Inoltre, non è possibile ottenere oggetti con sottosquadri. Attraverso questo processo è possibile ottenere i seguenti componenti: ▪ forme semplici: geometrie assial-simmetriche, assenza sottosquadri, manufatti a singola cavità; ▪ pezzi di dimensioni limitate: per non voler spendere troppo per realizzare lo stampo per la preforma; ▪ contenitori progettati per: pressione interna barriera ai gas. Questa tipologia di processo produce oggetti con un puntino che è il punto di iniezione della preforma. Confronto tra Estrusione/soffiaggio e Iniezione/soffiaggio:  Nel caso dell'iniezione/soffiaggio si ha una migliore finitura superficiale perché l'oggetto passa per due stampi. Nel caso dell'estrusore lo sfrido c'è perché ho il bisogno di una quantità che mi ricopra almeno la lunghezza dello stampo. Stiraggio / soffiaggio (stretched EBM/IBM)? ------------------------------------------- Questo è un processo che si trova solitamente a valle di un processo di iniezione o di estrusione. Esso consiste nello scaldare una preforma, metterla in uno stampo chiuso, stirare e soffiare il materiale per farlo aderire alle pareti dello stampo. Essendo uno degli ultimi step, con questa tecnologia si impartiscono al manufatto, attraverso un oculato controllo del processo, migliori proprietà in termini di: ▪ trasparenza ▪ gloss ▪ rigidezza: resistenza agli urti ▪proprietà barriera: sorta di rete data dai domini cristallini biassiali che bloccano la permeazione di gas Per questo processo vengono utilizzati principalmente materiali cristallini orientabili: ▪ PET (preforma iniettata) pistoncino per lo stiro longitudinale. Pur essendo semicristallino, le bottiglie sono trasparenti perché ha una cinetica di cristallizzazione molto lenta. I domini cristallini che si formano non sono sfirulitici per cui riesco a garantire trasparenza, garantendo le proprietà meccaniche e di barriera necessarie. ▪ PVC (preforma soffiata) ▪ PP (preforma estrusa) Lo stiro ci consente di caratterizzare il materiale con proprietà migliori. One step process: Limite nella zona b, agisce nello stesso momento, mantengo occupata la zona di iniezione per aspettare che la preforma rimane alla tg per poi essere soffiato. Si utilizza maggiormente la two steps perché in questo modo il processo può essere diviso anche in realtà industriali differenti. Uno mi fa la preforma, l'altro mi fa il soffiaggio. Blow molding (EBM, IBM) vs. injection molding? ---------------------------------------------- Parametri di processo (EBM): Immagine che contiene diagramma, testo, linea, Carattere Descrizione generata automaticamente [Blow molding (EBM, IBM) vs. injection molding:] ▪ In EBM, possibilità di variare lo spessore sulla parete del pezzo tramite la programmazione del parison (no modifica stampo) → parti prototipate con diversa distribuzione di spessore e peso prodotte sullo stesso stampo di soffiaggio di prova (non devo ogni volta rifare gli stampi). ▪ Bassi livelli di sollecitazione e assenza di line di giunzione (limitate) → pressioni di stampaggio inferiori (10 vs. 1000 bar) → inferiori forze di chiusura stampo → minori orientamenti molecolari → distribuzione delle tensioni residue più omogenea → migliore resistenza a diversi stati di sollecitazione (tensionale, impatto, piegatura, ambientale, etc.) [Blow molding (EBM, IBM) vs. injection molding:] ▪ Minori costi di utensili e macchine (non abbiamo uno stampo aggiuntivo) → nessun costo di reingegnerizzazione e lavorazione legato all\'ottimizzazione dei sistemi di alimentazione e allo spessore → nessun sistema di estrazione dallo stampo ▪ Svantaggi di blow-molding (EBM) vs. injection molding: → grande quantità di sfrido (parte superiore e inferiore del parison e flash laterale) - scartato o rilavorato e riprocessato → finitura superficiale meno omogenea perché ho solo uno stampo in cui la pressione non è così alta → tolleranze maggiori Stampaggio rotazionale? ======================= Lo stampaggio rotazionale è un processo in cui il polimero in polvere o in granuli viene portato allo stato fluido all\'interno di uno stampo chiuso, grazie al riscaldamento dello stampo stesso. Lo stampo viene poi messo in rotazione. La rotazione dello stampo garantisce l'omogenizzazione del riempimento dello stampo. Gli oggetti prodotti sono per o più cavi con geometrie anche complesse e alcuni semplici componenti aperti. Riesco a lavorare con assenza di pressione. Ciò ha un effetto sulla tipologia di materiali utilizzabili, es. gli stampi possono essere prodotti anche in alluminio in modo da garantire conducibilità termica piuttosto che ottime proprietà meccaniche. È una tecnologia lenta → produttività bassa (centinaia di pezzi all'anno). Gli oggetti possono essere anche grandi. Il processo sarà più economico se utilizzo stampi più economici per cui posso permettermi di produrre meno pezzi. La qualità superficiale degli oggetti prodotti è legata alle caratteristiche superficiali dello stampo. Con questa tecnologia, la finitura superficiale ottenuta è molto buona. Lo stampo è a due pareti, posso avere entrambi gli stampi convessi o concavi. Gli stampi sono ottenuti da lamiere piegate. Lo spessore dell'oggetto ottenibile è di qualche millimetro (1.5-10 mm). Al di sotto dello spessore minimo, non è garantita una buona omogeneità, perché rischio di non avere tutto riempito. (Nello stampaggio a iniezione, invece, si parte da pieno che poi viene scavato per dargli la forma desiderata). Caratteristiche del processo: ▪ produzione di manufatti cavi di medie e grandi dimensioni privi di tensionamenti interni ▪ riproduzione accurata della matrice dello stampo ▪ costo relativamente basso degli stampi e limitato investimento nella macchina per lo stampaggio rotazionale ▪ serie limitate di produzione Fasi del processo:  1. Parto da uno stampo in cui introduco materiale solido (granulo e polvere). Granulo o polvere si differenziano per la grandezza: essa influenza la conducibilità termica. Per fondere il granulo ho bisogno di temperature maggiori. Il passaggio di calore avviene tra lo stampo, riscaldato in forno, e il granulo, all'interno dello stampo. 2. Una volta riempito lo stampo, esso viene chiuso, riscaldato e messo in rotazione. Il fuso inizia a rivestire la parte interna dello stampo. Il rivestimento avviene unicamente per effetto della gravità (processo lento). Non c'è forza centrifuga perché le rotazioni non sono così spinte. 3. Raffreddo lo stampo per poterlo aprire. Devo arrivare ad una temperatura sotto la Tg per gli amorfi così da avere il materiale nel plateau vetroso (caratteristiche tali da non essere deformato). La T può anche non essere T amb. 4. Apro lo stampo, estraggo il pezzo. Uso questa tecnologia per avere oggetti di volumetria importante cavi all'interno. Per velocizzare fase 1 e 2 è possibile inserire nello stampo un granulo preriscaldato. Nel caso di questa tecnologia, i tensionamenti interni sono limitati perché è la gravità che spinge il materiale a prendere la forma desiderata. Bisogna prestare attenzione al raffreddamento se il materiale viene scaldato vicino alla Tg perché poi si verificherà il recupero elastico. Se lascio tempo al materiale di rilassare gli sforzi ed ordinarsi posso lavorare a T più alte. Nella formulazione del polimero metto anche degli agenti distaccanti per aiutare l'estrazione del pezzo. Il raffreddamento avviene gradualmente, prima in aria e poi in acqua. Questa tecnologia ci consente anche di ottenere oggetti identici esternamente ma con spessore di pareti differenti. Ci può venire in contro nella prototipazione per vedere la resistenza meccanica. Nella foto si riconoscono tre stazioni. Il macchinario ruota su diversi assi e ogni stazione è slegata dalle precedenti (posso controllare separatamente raffreddamento, carica, ecc,). La rotazione serve a garantire anche omogeneità di raffreddamento. [MATERIALE DEGLI STAMPI: ] - Alluminio (8-10 mm): ▪ stampi di elevata qualità, leggeri e con ottima conducibilità termica ▪ manufatti complicati, presenza di inserti ▪ costo elevato Oggetti più piccoli con una produttività più elevata per rientrare nei costi. - Lamiera d'acciaio: ▪ stampi semplici e di grandi dimensioni ▪ costo limitato ▪ basso investimento nel parco stampi Gli stampi devono avere ottima conducibilità termica, buona finità superficiale [VANTAGGI del processo: ] ▪ basso costo degli stampi ▪ spessore parete costante su parti molto grandi ▪ niente linee di giunzione ▪ scarti limitati (oggetto realizzato è pronto per essere immesso nel mercato) ▪ buona complessità di forma ▪ elevata automazione del processo ▪ facilità su controllo di spessore (quantità di polimero che vado ad introdurre) ▪ Le tensioni interne sono pochi perché gli sforzi vengono rilassati già nel processo, il fuso si adagia sullo stampo, non viene costretto a riempire la forma (risposta meccanica omogenea). [Principali LIMITAZIONI: ] ▪ non adatto per spessori parete inferiori a 0.7-0.8 mm (perché rischio una distribuzione critica che porta a vuoti) ▪ non adatto per spigoli vivi (perché non abbiamo pressione, quindi non abbiamo possibilità di riempire degli spigoli vivi solo per gravità) Tipologie di sistemi di stampaggio? ----------------------------------- [Sistemi di stampaggio multibraccio (multiarms):] Sono degli impianti composti da tre o più bracci montati su carrelli indipendenti o su una giostra fissa con stampi posizionati singolarmente o a grappolo. È un sistema che si utilizza per ottenere rotazione degli stampi in due piani mutualmente perpendicolari. Ci consente di avere rotazione su 3-4 assi → ottima distribuzione di fluido e omogeneità riscaldamento-raffreddamento [Sistemi di stampaggio a carosello (carousel): ] ▪ giostra mobile su cui sono montati gli stampi (o gruppi di stampi) mossi da motori indipendenti; ▪ stazioni di riscaldamento (forno) e raffreddamento; I motori sono indipendenti per cui riesco a variare la velocità di rotazione dei singoli stampi in base alla necessità. il raffreddamento avviane in stazione separata, e può essere effettuato in camera aperta o in camera climatica con eventualmente getti d'acqua. [Sistemi di stampaggio a shuttle:] ▪ in genere per parti voluminose; ▪ stampi montati su un carrello messo in traslazione; Sistemi utilizzati per la produzione di pezzi grossi. È composto da due stampi che lavorano indipendentemente. I due stampi vengono introdotti in modo alternato in forno per procedere al processo. Il raffreddamento avviene in aria. Una volta che stazione 1 è nel forno, stazione 2 è fuori in fase di raffreddamento. Finita la fase, apro estraggo pezzo, rintroduco granuli e sposto in forno. [Sistemi di stampaggio a conchiglia (clam shell): ] ▪ riscaldamento, raffreddamento e caricamento/estrazione nella stessa apparecchiatura; ▪ unico braccio; Succede tutto nello stesso luogo. È costituito da un unico braccio di rotazione. La rotazione può avvenire su asse longitudinale e possibile rotazione su asse longitudinale dello stampo stesso. Non occupa troppo spazio. [Sistemi di stampaggio basculante (rock and roll):]  ▪ impianti semplici per manufatti lunghi o alti → canoe, tavole da surf, serbatoi di grandi dimensioni; ▪ basculamento fino a \< 90°; Sistema utilizzato per oggetti molto più sviluppata in una direzione rispetto alle altre (es. Cayac). La rotazione avviene lungo l'asse longitudinale e il resto della distribuzione avviene con basculamento ad angoli variabili. Parametri di processo? ---------------------- ▪ distribuzione uniforme della polvere (o granuli) all'interno dello stampo durante la fase di rotazione. È preferibile lavorare con polvere. La dimensione della particella solida influenza il tempo del processo. La polvere facilita la reologia (distribuzione più omogenea nello stampo) e migliore scambio termico; ▪ velocità di rotazione/oscillazione (tutti i versi); ▪ trasferimento del calore dallo stampo alla polvere → conduzione, calore di fusione/cristallizzazione ▪ posizione dello stampo nel forno → uniformità della temperatura (la T del forno deve essere almeno un centinaio di gradi in più della Tg del materiale utilizzato). Il contributo termico deve essere volto a superare la Tg e rompere i cristalli in modo da avere una bassa viscosità. Profili di temperatura: Immagine che contiene testo, diagramma, linea, Diagramma Descrizione generata automaticamente 1. La temperatura del materiale sale per effetto dell'innalzamento della temperatura delle pareti dello stampo; 2. La temperatura continua a salire per far in modo che tutti i granuli fondano, così da avere un fuso omogeneo; 3. Si arriva al picco della temperatura perché spingo il vuoto; 4. La temperatura inizia a scendere perché lo stampo viene rimosso dal forno e inizia a raffreddarsi per convezione di aria; Termoformatura? =============== La termoformatura è una tecnologia che consiste nell'imbutitura (deformazione plastica con vuoto/pressione) a caldo su lastre polimeriche generalmente estruse. Adatto per realizzare forme relativamente semplici a partire da lastre piane (cavità aperte, contenitori aperti, \...) I principali vantaggi: \- costo delle attrezzature \- tempi di sviluppo prototipi \- costi di investimento per piccole serie Con questa tecnica è possibile lavorare film con spessori che vanno da qualche decina di micron a qualche millimetro perché il materiale deve essere stampato dall'esterno. Deve esserci un buon trasferimento di calore per garantire omogeneità. Il processo si effettua a temperatura di poco superiore a Tg (amorfi) o di poco inferiore a Tm (semicristallini) e può implicare l'azione contemporanea di pressione, vuoto e forza meccanica. Il materiale non deve arrivare a fusione ma deve essere sufficientemente malleabile per essere deformato plasticamente. Ne consegue che, con questa tecnologia, è possibile lavorare solo i materiali termoplastici. Le fasi principali del processo di termoformatura sono:  1. Lastra vincolata su telai e opportunamente dimensionata. Essa si ottiene da estrusione o calandra, per avere rispettivamente spessori più alti e più bassi. 2. La lastra viene scaldata e si deforma attraverso l'adagiamento della lastra stessa sulle pareti di uno stampo. 3. Raffreddo il materiale per effetto del contatto diretto con lo stampo dotato di canali di raffreddamento. 4. Rimozione oggetto dallo stampo. 5. Rifilatura (necessaria introduzione di pezzi aggiuntivi) e finitura del manufatto. Con questa tecnica si forma un'importante quantità di sfrido. [Vantaggi: ] ▪ Basse pressioni di lavoro ▪ Basse temperature rispetto all'estrusione → costo energetico dell'impianto più basso ▪ Limitato costo stampi → tecnologia economica ▪ Cicli di lavorazione veloci ▪ Grandi componenti prodotti (scala caratteristica è quella del metro ma posso ottenere anche oggetti molto piccoli) ▪ Componenti di piccolo spessore (mm con difficoltà di controllo dell'omogeneità dello spessore sul componente) [Svantaggi: ] ▪ Sfridi di lavorazione ▪ Ampia variabilità nello spessore del componente ▪ Difficoltà nell'ottenere sottosquadri (a meno che non sono minimi e risolvibili con azioni manuali sullo stampo) ▪ Elevato costo materiale (semilavorato di partenza), parto da lastre ottenute da altri processi ▪ Tensionamenti interni, orientamenti, distorsioni perché sto stirando il materiale. Posso rilassare gli sforzi a posteriori, aumentando la temperatura, ma aumentano i costi e i tempi, o posso tenermi gli sforzi. Per oggetti grandi, con sforzi termici importati, devo prevedere processi post-formatura per distendere gli sforzi ▪ Limitata finitura superficiale, ampie tolleranze Fase di riscaldamento? ---------------------- Durante la fase di riscaldamento, devo garantire che la lastra sia riscaldata in modo omogeneo. Cio avviene attraverso: - Conduzione: lastra posta a diretto contatto con il mezzo di riscaldamento (e.g., piastra calda), preferito per lastre con spessori contenuti per efficienza di processo; - Convezione: lastra riscaldata tramite aria calda spessori un po\' più elevati; - Irraggiamento: calore generato da radiazione infrarossa (e.g., fili metallici, piastre in ceramica, lampade riscaldanti) preferito per lastre con spessori contenuti. Devo preoccuparmi di caricare lastre che assorbono la radiazione. Devo introdurre carica nel formulato polimerico. Gli elementi riscaldanti sono: ▪ a filamento metallico ▪ a elementi ceramici ▪ a lampade riscaldanti (IR), ampiamente impiegate in manifattura perché hanno una efficienza molto elevata. Le principali problematiche legate alla fase di riscaldamento sono due: 1. gradiente di temperatura attraverso lo spessore della piastra. Questo gradiente è funzione di: ▪ distanza pannelli riscaldanti -- piastra ▪ potenza pannelli riscaldanti Q ∝ T 4 \[W/cm2\] 2. distribuzione delle temperature sulla superficie della lastra. Essa dipende da: ▪ variazione del flusso termico in uscita da ciascun elemento riscaldante (parzializzazione delle temperature) → maggior flessibilità (controllo in linea) ▪ ottimizzazione disposizione di elementi riscaldanti a flusso termico uniforme Di base la temperatura sulla superficie della lastra e dentro la lastra varia di molto in relazione allo spessore della lastra stessa. È importante ottimizzare la distribuzione di temperatura in base al punto in cui mi trovo sulla lastra per avere spessori uniformi. Dunque, è utile parzializzare l'energia termica in modo da inviare energia maggiore dove serve per equilibrare la distribuzione. Fase di formatura? ------------------ Nella fase di formatura giocano un ruolo importante gli stampi. Essi sono in alluminio, acciaio, legno, resine (GFRP, epossiliche), gesso. Anche nel caso di termoformatura posso lavorare con stampi meno nobili e resistenti meccanicamente rispetto all'acciaio. L'obiettivo di questa fase è avere: ▪ distribuzione degli spessori sul manufatto termoformato ▪ finitura → stampo maschio vs. stampo femmina, in base alla scelta dello stampo, la distribuzione degli spessori varia. Nel caso dello stampo maschio, la parte che viene a contatto prima con lo stampo stesso, sarà nel caso di un recipiente, il fondo. Viceversa, in uno stampo femmina, lo spessore