Introduzione al processo
Stampaggio per estrusioneè un processo di produzione continuo in cui il materiale termoplastico viene fuso all'interno di un cilindro riscaldato da una vite rotante e quindi forzato attraverso una matrice sagomata per produrre un profilo con una sezione trasversale- costante. A differenza dello stampaggio a iniezione, che riempie una cavità chiusa dello stampo per creare parti discrete, lo stampaggio a estrusione fornisce una lunghezza ininterrotta di prodotto-tubi, tubi, canali, strisce, fogli-che viene dimensionato, raffreddato e tagliato a valle. Il processo è apprezzato per la sua elevata produttività, il basso costo al-metro e la capacità di gestire un'ampia gamma di polimeri, dal PVC di base al policarbonato-di grado tecnico.
Lo stampaggio per estrusione è un metodo di lavorazione dello stampaggio con molti cambiamenti, elevata produttività, forte adattabilità, ampia applicazione e la percentuale maggiore nel campo della lavorazione delle materie plastiche.
Lo stampaggio per estrusione consiste nel modellare in modo continuo il polimero fuso o il fluido viscoso attraverso una determinata matrice di forma sotto l'azione di estrusione della vite o dello stantuffo dell'estrusore. Le parti risultanti sono profili continui con forma di sezione costante.
Il processo di estrusione del polimero può essere suddiviso in una sequenza di fasi strettamente controllate, ciascuna delle quali influisce sulla qualità della parte finale. La resina grezza-pellet, granuli o polvere-viene caricata in una tramoggia alimentata per gravità-montata sopra il cilindro dell'estrusore. Da qui il materiale entra nella gola di alimentazione e viene convogliato in avanti da una coclea rotante. Mentre la resina viaggia lungo il cilindro, i riscaldatori a fascia esterni e l'attrito di taglio interno aumentano progressivamente la temperatura finché il materiale non raggiunge uno stato completamente fuso. Il design della vite-la sua profondità di volo, il rapporto di compressione e il rapporto L/D-influenzano direttamente l'uniformità con cui la fusione viene plastificata, motivo per cui il design dell'estrusore di plastica è spesso considerato il punto di partenza di qualsiasi revisione DFM per i progetti di estrusione.
Una volta che la massa fusa esce dal cilindro, viene spinta attraverso una piastra di separazione dotata di filtri che filtrano i contaminanti e ripristinano la-pressione per una migliore miscelazione. La massa fusa filtrata entra quindi nelprincipi di progettazione delle matrici di estrusione, dove la geometria del canale di flusso lo modella nella sezione trasversale-di destinazione. Dopo aver lasciato lo stampo, l'estruso ancora-morbido passa attraverso una stazione di dimensionamento e raffreddamento-tipicamente un serbatoio di calibrazione sotto vuoto per profili cavi o rulli refrigerati per lamiere piane-prima che un estrattore a valle lo trascini a una velocità controllata. Infine, una sega volante-o una taglierina rotante seziona il profilo continuo in lunghezza, completando le fasi del processo di estrusione dalla materia prima alla parte finita.
Un estrusore per plastica è la macchina principale di qualsiasi linea di estrusione. È costituito da una tramoggia per l'alimentazione del materiale, da un cilindro riscaldato e da una o più coclee che convogliano, comprimono e plastificano la resina. Gli estrusori monovite-sono la configurazione più comune per la produzione di profili e tubi; offrono un funzionamento semplice, una manutenzione ridotta e un rendimento costante per la maggior parte dei materiali termoplastici. Gli estrusori bivite-forniscono una miscelazione superiore e sono preferiti per il compounding, la dispersione di masterbatch colorati e la lavorazione di materiali sensibili al calore-come il PVC rigido. Il diametro della vite-che varia da 20 mm su unità in scala di laboratorio-a oltre 200 mm su tubazioni di grandi dimensioni-determina la produttività massima. Quando si valuta un estrusore di plastica per un nuovo progetto, le specifiche chiave da confrontare includono il rapporto L/D della vite, la coppia del motore, il numero di zone del cilindro e la pressione operativa massima.
Non tutti i materiali termoplastici possono essere lavorati mediante estrusione.
I materiali di base comuni includono materiali duri e materiali elastici.
Materiali duri: PVC, PC, PETG, ABS, PP, fianchi, PMMA, LDPE, HDPE, POM, ASA, PA, as, EVA, PC + ABS, ecc.
Materiali elastici: PVC, TPU, TPE, Poe, TPR, TPV, TPEE, ecc
La scelta della resina giusta va oltre l'abbinamento dell'abbreviazione del materiale a una categoria di prodotto. Ogni polimero presenta il proprio comportamento di fusione, velocità di ritiro e stabilità dimensionale post-estrusione, tutti elementi che si riflettono nell'analisi DFM per la parte in plastica estrusa. Il PVC rigido, ad esempio, richiede un controllo preciso della temperatura e uno stampo completamente ottimizzato perché è altamente sensibile alla degradazione termica; un canale di flusso mal progettato può causare ristagni di materiale e macchie nere sulla superficie del profilo. ILguida completa al processo di estrusione del PVCrichiede inoltre geometrie specifiche delle viti-tipicamente un basso-rapporto di compressione-e una barriera-vite volante-per evitare il surriscaldamento della resina.
Al contrario, le poliolefine come HDPE e PP sono molto più tolleranti in termini di finestra di lavorazione, ma presentano un maggiore rigonfiamento dello stampo e un maggiore ritiro da cristallizzazione, quindi l'uniformità dello spessore delle pareti e la velocità di raffreddamento diventano le preoccupazioni di progettazione dominanti. Le resine tecniche come PC e PMMA offrono chiarezza ottica e resistenza agli urti per diffusori di illuminazione e coperture di display, sebbene la loro maggiore viscosità del fuso richieda sistemi di azionamento dell'estrusore più resistenti e acciaio temprato. Per applicazioni che richiedono rigidità e tenuta morbida in un unico profilo,Profili in PVC di co-estrusioneaccoppia un substrato strutturale (spesso PVC rigido o ABS) con un sovrastampaggio elastomerico (TPE o TPV) per creare una parte in plastica estrusa a doppio-durometro in un unico passaggio.
Progettazione di stampi e attrezzature
La matrice di estrusione traduce un disegno di profilo 2-D in un canale di flusso fisico che deve erogare il polimero fuso a una velocità uniforme attraverso l'intera sezione trasversale-. Raggiungere questo equilibrio è la sfida centrale della progettazione delle matrici per estrusione di plastica. Due parametri sono più importanti: la lunghezza del terreno e la profondità del canale-di flusso. Il terreno è la sezione parallela finale dell'apertura dello stampo; conferisce "memoria" al fuso, stabilizzando la forma dell'estruso in uscita. Una regola iniziale generale è un rapporto tra-lunghezza-e-spessore del muro di almeno 10:1, il che significa che un muro di 2 mm richiede circa 20 mm di terreno. Lunghezze di terreno più brevi rendono il processo più sensibile alle fluttuazioni di temperatura e velocità, mentre lunghezze di terreno eccessivamente lunghe possono generare un raffreddamento non uniforme e stress residuo.
Il bilanciamento del flusso viene dopo. Laddove un profilo presenta sia sezioni spesse che sottili, le aree più spesse si sposteranno naturalmente più velocemente attraverso la fustella. Gli ingegneri specializzati in attrezzature compensano allungando il terreno nelle regioni a flusso-veloce o inserendo limitatori di flusso a monte. Per le geometrie rotonde o anulari-come quelle presenti negli utensili per l'estrusione di tubi in plastica-i perni del mandrino vengono posizionati all'interno della matrice per formare il foro cavo, mentre le gambe della raggiera o i canali di distribuzione a spirale mantengono la fusione uniformemente distribuita attorno al perno. Mantenere la compressione completa su tutto lo stampo, sugli adattatori e sulle piastre di transizione è fondamentale; qualsiasi zona morta in cui il materiale può ristagnare finirà per degradarsi e contaminare l'estruso, un problema particolarmente serio quando si utilizza PVC rigido o policarbonato.
Come per la progettazione di parti stampate a iniezione e di parti estruse in alluminio, lo spessore uniforme delle pareti è molto importante.
Se lo spessore della parete della parte di plastica estrusa non è uniforme, alcune parti sono spesse e altre sottili, il che rende irregolare la velocità del flusso della plastica estrusa nello stampo, con conseguenti velocità di raffreddamento diverse e infine deformazione della parte.
Se è necessario controllare la deformazione, è necessario aggiungere ulteriori processi di raffreddamento per ridurre l’efficienza della linea di produzione e aumentare i costi di produzione.
Poiché l'estrusione plastica è un processo continuo, la resistenza della parte estrusa è bassa quando viene appena estrusa e deve essere supportata dalla pressione dell'aria e dal mandrino per mantenere la sua forma ed evitare deformazioni, mentre la parte cava non può fornire supporto e la complessa struttura cava può essere realizzata solo aprendo la sezione.
Utensili per tubi, tubazioni e tubi corrugati
Utensili per l'estrusione di tubi in plasticae i tubi rappresentano una delle-applicazioni di volume più elevato dell'estrusione e i loro requisiti di attrezzatura differiscono significativamente da quelli dei profili solidi o aperti. Una linea guida per la progettazione di attrezzature per l'estrusione di tubi in plastica inizia in genere con il gruppo matrice anulare e mandrino. Il mandrino crea il foro interno mentre un anello esterno concentrico definisce il diametro esterno; lo spazio tra loro determina lo spessore della parete. Dopo che la massa fusa lascia lo stampo, il tubo ancora-morbido entra in un manicotto di dimensionamento sotto vuoto che mantiene il diametro esterno secondo le specifiche mentre una leggera pressione dell'aria interna impedisce al tubo di collassare.
Per-tubi a pareti lisce-linee medicali, tubi pneumatici, condotti per cavi-la concentricità delle pareti è il parametro di qualità principale, quindi il mandrino deve essere centrato entro micron e la distribuzione della fusione deve essere a spirale o a gancio-per evitare linee di saldatura. Il tubo di plastica ondulato aggiunge un ulteriore livello di complessità: una serie di blocchi di stampo mobili (o ondulatore) a valle dello stampo si apre e si chiude attorno all'estruso in sequenza, formando picchi e avvallamenti alternati che conferiscono al tubo la sua flessibilità assiale e resistenza allo schiacciamento. Le linee guida di progettazione per le attrezzature per l'estrusione di ondulati devono tenere conto del passo del blocco dello stampo-, dei tempi del vuoto su ciascuna ondulazione e della capacità della resina di allungarsi nella cavità dello stampo senza assottigliarsi eccessivamente. Sia il condotto corrugato a parete singola-che il tubo di scarico corrugato a parete doppia-si basano su questo concetto di attrezzatura, sebbene il design della struttura della parete-e la scelta della resina (tipicamente HDPE o PP) differiscano tra i due.
L'estrusione di tubi in plastica di piccolo-diametro-ad esempio inferiore a 10 mm di diametro esterno-richiede tolleranze più strette sulla distanza dello stampo e un raffreddamento più reattivo, poiché qualsiasi fluttuazione di temperatura o pressione rappresenta una percentuale maggiore della sezione trasversale-della parete. Quando si specificano gli utensili per queste applicazioni, vale la pena consultare il manuale delle linee guida di progettazione del fornitore di estrusioni per confermare la loro capacità standard in termini di eccentricità della parete, ovalità e precisione della lunghezza di taglio-prima di impegnarsi nella produzione.
L'angolo acuto dell'estrusione diventerà un punto debole dell'estrusione a causa della concentrazione delle sollecitazioni, che è soggetto a fessurazioni o guasti, e ridurrà la resistenza all'impatto dell'estrusione.
Nelle parti estruse, gli spigoli vivi dovrebbero essere evitati il più possibile e dovrebbero essere aggiunti angoli arrotondati in corrispondenza degli spigoli vivi. Il raggio del raccordo è uguale allo spessore della parete del prodotto, il che aiuta il materiale a fluire più agevolmente nel processo di estrusione e riduce lo stress sugli angoli del contorno.
L'angolo acuto dell'estrusione diventerà un punto debole dell'estrusione a causa della concentrazione delle sollecitazioni, che è soggetto a fessurazioni o guasti, e ridurrà la resistenza all'impatto dell'estrusione.
Nelle parti estruse, gli spigoli vivi dovrebbero essere evitati il più possibile e dovrebbero essere aggiunti angoli arrotondati in corrispondenza degli spigoli vivi. Il raggio del raccordo è uguale allo spessore della parete del prodotto, il che aiuta il materiale a fluire più agevolmente nel processo di estrusione e riduce lo stress sugli angoli del contorno.
All'intersezione di più pareti, vengono solitamente generate aree con spessore di parete spesso, quindi è facile produrre restringimento e aspetto scadente sulla superficie esterna dell'estrusione, che è molto simile allo stampaggio a iniezione.
Se l'estrusione è una parte estetica, il ritiro può essere evitato o coperto dal progetto di ottimizzazione mostrato nella figura seguente.
Strategie DFM per ridurre i costi di estrusione
L'applicazione dei principi DFM nelle prime fasi del ciclo di progettazione è uno dei modi più efficaci per ridurre i costi di un profilo in plastica estrusa senza sacrificare le prestazioni. Alcune strategie pratiche vengono comunemente trascurate.
Innanzitutto, consolida le parti. Se un assemblaggio attualmente utilizza due o tre profili separati fissati insieme, valuta se un'unica sezione co-estrusa potrebbe sostituirli. Meno parti significano meno stampi, meno operazioni secondarie e riduzione della manodopera di assemblaggio-un vantaggio diretto dal punto di vista dell'ingegneria delle materie plastiche di DFM.
In secondo luogo, ridurre al minimo l'area chiusa delle sezioni cave. Ogni vuoto chiuso richiede un mandrino e complica il bilanciamento dello stampo. Laddove un canale completamente chiuso non sia strutturalmente necessario, valuta la possibilità di convertirlo in un canale C-con un tappo a scatto-; questo semplifica l'attrezzaggio e riduce i tempi di consegna dello stampo.
In terzo luogo, progettazione per apparecchiature a valle standard. Se la lunghezza di taglio desiderata può essere ottenuta con una sega volante standard anziché con una taglierina servoassistita di precisione, il costo unitario-diminuisce. Allo stesso modo, la progettazione di elementi a scatto e fori di montaggio che possono essere perforati in linea-piuttosto che lavorati con CNC-offline-mantiene il processo continuo e il contenuto di manodopera basso.
Infine, condividi le bozze con il tuo fornitore di estrusioni prima di congelare il progetto. Gli ingegneri esperti di attrezzature possono spesso suggerire piccole modifiche alla geometria-aggiungendo un angolo di sformo qui, spostando un raggio là-che migliorano notevolmente il bilanciamento dello stampo e la resa al primo-passaggio. Questo tipo di revisione DFM-in fase iniziale per le parti in plastica è ciò che distingue un profilo che funziona senza intoppi da uno che richiede l'intervento costante dell'operatore.
Ove possibile, si devono evitare per quanto possibile tolleranze rigorose nella direzione della lunghezza. I materiali termoplastici si restringono e si espandono con la temperatura e il taglio delle estrusioni di plastica a lunghezze critiche può aumentare inutilmente i costi.
In generale, la tolleranza è + / - 5 mm su estrusi lunghi 1000 mm. Naturalmente, la precisione della tolleranza è correlata alla lunghezza. Minore è la lunghezza, maggiore sarà la precisione ottenibile.
Ove possibile, si devono evitare per quanto possibile tolleranze rigorose nella direzione della lunghezza. I materiali termoplastici si restringono e si espandono con la temperatura e il taglio delle estrusioni di plastica a lunghezze critiche può aumentare inutilmente i costi.
In generale, la tolleranza è + / - 5 mm su estrusi lunghi 1000 mm. Naturalmente, la precisione della tolleranza è correlata alla lunghezza. Minore è la lunghezza, maggiore sarà la precisione ottenibile.
Difetti comuni nelle parti in plastica estrusa
Anche con uno stampo ben-ingegnerizzato e un processo di stampaggio per estrusione ottimizzato, possono emergere difetti se i parametri del processo variano. Comprendere le cause principali consente di risparmiare tempi di inattività e scarti.
Frattura da fusioneappare come una trama ruvida, simile a pelle di squalo-sulla superficie del profilo. È causato da un'eccessiva sollecitazione di taglio sul labbro della filiera ed è più comune nelle resine ad alta-viscosità come HDPE e LLDPE lineare. Ridurre la velocità della linea, aumentare la temperatura dello stampo o ampliare lo spazio tra gli stampi può portare il taglio al di sotto della soglia critica. Le linee della fustella-striature sottili e continue che corrono nella direzione di estrusione-solitamente risalgono a graffi o accumuli sulla superficie della fustella; la lucidatura periodica dei labbri dello stampo è la soluzione standard.
La deformazione dopo il taglio è spesso il risultato di un raffreddamento asimmetrico. Se un lato del profilo vede più flusso d'aria o contatto con l'acqua rispetto all'altro, lo stress residuo si accumula in modo non uniforme e la parte si piega quando si rilassa. Il primo passo è controllare l'allineamento degli ugelli di spruzzo di raffreddamento e delle porte del vuoto del calibratore. Per profili complessi con pareti sia spesse che sottili, l'aggiunta di getti di raffreddamento localizzati sul lato più spesso può equalizzare il tasso di ritiro.
Vuoti e bolle all'interno della sezione della parete in genere indicano umidità nella resina o ventilazione inadeguata nel cilindro dell'estrusore. È essenziale pre-essiccazione dei materiali igroscopici (PA, PC, PETG) al contenuto di umidità consigliato-generalmente inferiore allo 0,02%-prima dell'alimentazione. Se le bolle persistono, la porta di sfiato della canna potrebbe essere ostruita oppure la velocità della vite potrebbe essere troppo elevata per consentire alla zona di decompressione della canna di degasare efficacemente.
Operazioni di post-estrusione e finitura
La linea di estrusione produce una lunghezza continua di sezione trasversale costante, ma la maggior parte delle applicazioni di utilizzo finale richiedono un'ulteriore elaborazione prima che il profilo sia pronto per l'assemblaggio. Le operazioni secondarie comuni includono il taglio di precisione su misura, la fresatura CNC di tacche e fessure, la perforazione o la punzonatura di fori di montaggio e la stampa a caldo o la tampografia per il marchio. Alcune parti estruse in plastica vengono anche sottoposte a piegatura-a freddo per curve delicate o a caldo per raggi stretti-per conformarsi alla geometria del prodotto finale.
Le opzioni di finitura superficiale dipendono dal polimero. L'ABS e il PVC rigido accettano bene l'incollaggio di vernici e adesivi, mentre le poliolefine necessitano in genere di un trattamento alla fiamma o corona per migliorare l'energia superficiale prima della stampa o dell'incollaggio. Per applicazioni di illuminazione e display,Coperchi diffusori luminosi in PC e PMMApuò ricevere una texture opaca tramite rulli di goffratura in linea anziché tramite sabbiatura post-processo, che mantiene l'operazione all'interno della linea di estrusione ed evita danni da manipolazione. Pianificare questi passaggi a valle durante la progettazione iniziale del profilo-lasciando spazio per i dispositivi di bloccaggio, aggiungendo riferimenti di posizionamento per le operazioni CNC-è una pratica DFM semplice che impedisce costose rilavorazioni successive.
Il processo di estrusione della plastica è un'operazione in cinque-fasi: (1) la resina grezza viene alimentata per gravità-da una tramoggia nel cilindro dell'estrusore; (2) la coclea rotante convoglia e fonde il materiale attraverso zone del cilindro progressivamente più calde; (3) il polimero fuso viene filtrato e forzato attraverso una filiera di precisione che definisce la forma del profilo; (4) l'estruso viene raffreddato e stabilizzato dimensionalmente in un serbatoio di calibrazione sotto vuoto o su rulli refrigerati; e (5) un estrattore trascina il profilo solidificato ad una velocità controllata prima che venga tagliato alla lunghezza richiesta. Le variabili di processo come il profilo della temperatura del cilindro, il numero di giri della vite, la pressione di fusione e la velocità di trasporto devono essere coordinate per garantire che l'estrusione finita soddisfi le tolleranze dimensionali e gli standard di qualità della superficie. Questo processo di estrusione di polimeri si applica ugualmente a semplici tubi tondi, complessi telai di finestre a più-cavità e coperture di diffusori di illuminazione-sottili per pareti.