Processo di stampaggio a iniezione di bottiglie di plastica

Processo di stampaggio a iniezione: la tecnologia fondamentale dello stampaggio termoplastico

Lo stampaggio a iniezione è una tecnologia di stampaggio efficiente che trasforma i materiali termoplastici in vari prodotti attraverso stampi. Grazie ai vantaggi dell'elevata automazione, della rapida efficienza produttiva e dell'elevata precisione del prodotto, è diventato uno dei processi più utilizzati nella moderna lavorazione della plastica. Dalle stoviglie e custodie per telefoni in plastica di uso quotidiano ai componenti automobilistici di precisione e ai dispositivi medici, la tecnologia di stampaggio a iniezione, con la sua elevata adattabilità e flessibilità, supporta la produzione di prodotti in molti settori e occupa una posizione insostituibile nella scienza dei materiali e nella produzione industriale.

1. Principi di processo ed elementi fondamentali

Il principio fondamentale del processo di stampaggio a iniezione è il processo ciclico di fusione, flussoformatura e solidificazione: le particelle di plastica solida vengono riscaldate e fuse in un fuso dinamico, che viene iniettato in una cavità dello stampo chiusa sotto pressione. Dopo il raffreddamento e la solidificazione nella cavità, il fuso forma un prodotto che mantiene la forma della cavità dello stampo. Questo processo deve essere ottenuto attraverso l'effetto sinergico dei tre elementi principali: materie prime, attrezzature per lo stampaggio a iniezione e stampi.

Requisiti per le caratteristiche delle materie prime

Il processo di stampaggio a iniezione presenta requisiti specifici per le prestazioni delle materie prime (termoplastiche), che influiscono direttamente sulla qualità e l'efficienza dello stampaggio. Il Melt Flow Rate (MFR) è un indicatore chiave che riflette la fluidità della massa fusa. Un MFR eccessivo può portare a un ritiro eccessivo e a dimensioni instabili del prodotto; se è troppo basso, la fluidità sarà scarsa e potrebbero verificarsi problemi come la carenza di materiale e un riempimento insufficiente. È necessario scegliere la plastica MFR appropriata in base alla complessità del prodotto, ad esempio scegliendo PP e ABS ad alta fluidità per componenti di precisione e PC e PA ad alta resistenza per componenti strutturali.

La stabilità termica delle materie plastiche è altrettanto importante. Devono essere in grado di resistere alla temperatura di riscaldamento del contenitore del materiale (solitamente 150-350 °C) senza degradarsi, altrimenti si verificherà lo scolorimento e la diminuzione delle proprietà meccaniche del prodotto. Pertanto, prima della lavorazione, è necessario confermare la temperatura di decomposizione termica della plastica. Ad esempio, il PVC deve essere addizionato con uno stabilizzante termico per prevenirne la decomposizione. Inoltre, il tasso di ritiro della plastica (la percentuale di ritiro da raffreddamento dopo lo stampaggio) deve essere adattato al design dello stampo. Le diverse materie plastiche presentano differenze significative nei tassi di ritiro (ad esempio, il tasso di ritiro del PE è compreso tra l'1,5% e il 3%, quello del PC tra lo 0,5% e lo 0,7%) e lo stampo deve prevedere un margine di ritiro per garantire la precisione dimensionale del prodotto.

Le materie plastiche stampate a iniezione più comuni includono materie plastiche generiche (PP, PE, ABS, PS), materie plastiche tecniche (PC, PA, POM, PBT) e materie plastiche speciali (PEEK, PI), adatte a scenari con diversi requisiti di resistenza, resistenza alla temperatura e resistenza chimica.

Composizione dell'attrezzatura per stampaggio a iniezione

La macchina per stampaggio a iniezione è l'apparecchiatura principale del processo di stampaggio a iniezione, composta da quattro parti: sistema di iniezione, sistema di serraggio dello stampo, sistema di trasmissione idraulica e sistema di controllo elettrico. Il sistema di iniezione è responsabile della fusione e dell'iniezione della plastica e comprende tramoggia, cilindro, vite e ugello: la tramoggia contiene le particelle di plastica, che cadono nel cilindro per gravità; un anello riscaldante avvolge l'esterno del cilindro del materiale per riscaldare la plastica fino allo stato fuso; la vite completa il trasporto, la compattazione e la plastificazione (miscelazione del fuso) della plastica attraverso la rotazione e il movimento assiale, e il fuso plastificato viene iniettato nello stampo tramite un ugello.

Il sistema di serraggio dello stampo realizza l'apertura, la chiusura e il bloccaggio dello stampo, ed è costituito da una dima fissa, una dima mobile, un'asta di trazione e un cilindro di serraggio. La forza di serraggio deve essere commisurata alla pressione di iniezione e all'area proiettata del prodotto per evitare che lo stampo si apra e si formino bave durante l'iniezione. La formula per calcolare la forza di serraggio è: forza di serraggio (kN) = area proiettata del prodotto (cm²) x pressione di iniezione (MPa) x fattore di sicurezza (1,2-1,5).

Il sistema di trasmissione idraulico fornisce potenza per l'iniezione e la chiusura dello stampo, controllando la velocità e la pressione di movimento di ciascun componente; il sistema di controllo elettrico (PLC + touch screen) controlla con precisione i parametri di processo (temperatura, pressione, tempo) per ottenere una produzione automatizzata. Le macchine per stampaggio a iniezione di fascia alta sono inoltre dotate di servomotori, con un risparmio energetico superiore al 30%.

Punti chiave della progettazione dello stampo

Lo stampo è la chiave per determinare la forma e la qualità del prodotto, ed è costituito da una cavità, un nucleo, un sistema di colata, un sistema di raffreddamento e un sistema di espulsione. Le superfici esterne e interne del prodotto formate dalla cavità e dal nucleo sono principalmente realizzate in acciaio per stampi (come P20, 718H), che deve essere temprato e lucidato per garantire la levigatezza superficiale e la resistenza all'usura.

Il sistema di colata introduce il materiale fuso dall'ugello nella cavità dello stampo, inclusi il canale principale, il canale di deviazione e il canale di colata: il canale principale collega l'ugello e il canale di deviazione e deve essere progettato con una conicità (2°-5°) per facilitare la sformatura; il canale di deviazione distribuisce il materiale fuso in più cavità; il canale di colata è il canale finale per l'ingresso del materiale fuso nella cavità dello stampo, con dimensioni ridotte (solitamente 0,5-2 mm), che è comodo per tagliare il materiale fuso e separare il prodotto. I tipi comuni di canali di colata includono canali di colata laterali, canali di colata a punta e canali di colata nascosti, che devono essere selezionati in base alla forma del prodotto.

Il sistema di raffreddamento dissipa il calore del materiale fuso attraverso la circolazione dell'acqua, accelerando la solidificazione del prodotto. Il canale dell'acqua di raffreddamento deve essere vicino alla superficie della cavità dello stampo (15-25 mm di distanza) per garantire un raffreddamento uniforme. Il tempo di raffreddamento rappresenta il 50%-70% del ciclo di stampaggio, influendo direttamente sull'efficienza produttiva. Il sistema di espulsione (perno di espulsione, piastra superiore, tubo di espulsione) spinge il prodotto fuori dallo stampo dopo il raffreddamento per evitare deformazioni o graffi.

2、 Flusso del processo e parametri chiave

Il processo di stampaggio a iniezione è un ciclo continuo e il controllo dei parametri di ogni elemento influisce direttamente sulla qualità del prodotto. Il processo completo comprende tre fasi: preparazione delle materie prime, stampaggio a iniezione e post-lavorazione.

Fase di preparazione della materia prima

Le materie prime devono essere sottoposte a pretrattamento ed essiccazione: il pretrattamento include la vagliatura (rimozione delle impurità) e la miscelazione (aggiunta di masterbatch colorante e additivi in proporzione) per garantire l'uniformità delle materie prime; l'essiccazione è rivolta alle plastiche igroscopiche (come PA, PC, PBT), che tendono ad assorbire umidità dall'aria e possono produrre difetti come bolle e fili d'argento durante la fusione. È necessario utilizzare un essiccatore (essiccazione ad aria calda o essiccazione a deumidificazione) per ridurre il contenuto di umidità a meno dello 0,02% -0,05%. I parametri di essiccazione variano a seconda del tipo di plastica (ad esempio, temperatura di essiccazione del PC di 120 °C per 4-6 ore; temperatura di essiccazione del PA6 di 80-90 °C per 4 ore).

Fase di stampaggio a iniezione

Questo è il cuore del processo, che si compone di cinque fasi: plastificazione, iniezione, mantenimento della pressione, raffreddamento, apertura ed espulsione dello stampo. Plastificazione: la rotazione della vite trasporta le particelle di plastica in avanti e le fonde sotto il riscaldamento del cilindro e la tranciatura della vite, formando un fuso uniforme. La qualità della plastificazione dipende dalla temperatura del cilindro, dalla velocità della vite e dalla contropressione (contropressione durante la rotazione della vite). Se la contropressione è troppo elevata, prolungherà il tempo di plastificazione, mentre se è troppo bassa, si tradurrà in una plastificazione non uniforme.

Iniezione: la vite avanza rapidamente per iniettare il fuso nella cavità dello stampo ad alta pressione e velocità. La pressione di iniezione è solitamente compresa tra 50 e 150 MPa e la velocità tra 30 e 150 mm/s. Deve essere regolata in base allo spessore e alla complessità del prodotto: i prodotti a pareti sottili richiedono alta pressione e alta velocità (per ridurre il raffreddamento del fuso), mentre i prodotti a pareti spesse richiedono bassa pressione e bassa velocità (per evitare traboccamenti).

Mantenimento della pressione: dopo che il materiale fuso ha riempito la cavità dello stampo, la vite mantiene una certa pressione per reintegrare il materiale nella cavità, compensando il ritiro di raffreddamento del fuso. Il mantenimento della pressione è solitamente pari al 60%-80% della pressione di iniezione e il tempo di mantenimento è determinato in base allo spessore del prodotto (i prodotti con pareti spesse richiedono un tempo di mantenimento più lungo). Un mantenimento insufficiente può causare intaccature e dimensioni ridotte del prodotto.

Raffreddamento: una volta completato il mantenimento della pressione, il sistema di raffreddamento dello stampo riduce la temperatura del prodotto al di sotto della temperatura di deformazione termica, consentendogli di solidificarsi e modellarsi. La formula per calcolare il tempo di raffreddamento è: tempo di raffreddamento (s) = (spessore massimo della parete del prodotto (mm)) ² × coefficiente del materiale, a seconda del coefficiente plastico (ad esempio, coefficiente PE 0,8, coefficiente PC 1,2).

Apertura ed espulsione dello stampo: una volta completato il raffreddamento, il sistema di chiusura dello stampo aziona la dima mobile per ritirarsi e aprire lo stampo. Il sistema di espulsione espelle il prodotto dallo stampo a una velocità lenta e uniforme per evitare deformazioni o sbiancamenti del prodotto.

Fase di post-elaborazione

Alcuni prodotti richiedono una post-elaborazione per migliorarne le prestazioni: rimozione del materiale in eccesso dal canale di colata e separazione della superficie mediante rimozione delle sbavature; il trattamento di ricottura (ad esempio mantenendo i prodotti in PC in un forno a 120 °C per 2 ore) elimina le sollecitazioni interne e previene la formazione di crepe nel prodotto; il trattamento superficiale (verniciatura a spruzzo, galvanica, serigrafia) ne migliora l'aspetto e la funzionalità; per i prodotti di qualità alimentare, sono necessarie la pulizia e la disinfezione per rimuovere macchie d'olio e impurità.

3. Controllo di qualità e problemi comuni

La qualità dei prodotti stampati a iniezione deve essere controllata sotto tre aspetti: aspetto, dimensioni e proprietà meccaniche. I difetti più comuni devono essere risolti ottimizzando i parametri in fase di produzione.

Indicatori di controllo qualità

I requisiti di qualità dell'aspetto includono l'assenza di difetti quali sbavature, materiali mancanti, bolle, fili d'argento, segni di restringimento, graffi, ecc., che possono essere ottenuti tramite ispezione visiva o automatizzata (con una precisione di 0,01 mm); la precisione dimensionale deve essere conforme alla tolleranza del disegno (ad esempio ± 0,1 mm) e le dimensioni chiave devono essere misurate utilizzando uno strumento di misura a coordinate o un calibro; le proprietà meccaniche (resistenza alla trazione, resistenza all'impatto) devono soddisfare i requisiti di utilizzo e gli standard prestazionali sono garantiti tramite campionamento e test delle materie prime e dei prodotti finiti.

Difetti comuni e soluzioni

I difetti di produzione sono spesso causati da problemi ai parametri o allo stampo e possono essere regolati di conseguenza: le sbavature (materiale in eccesso sul bordo del prodotto) devono essere aumentate o diminuite a causa di una forza di chiusura dello stampo insufficiente o di una pressione di iniezione elevata; materiale insufficiente (cavità non riempita) a causa di una scarsa fluidità del fuso o di un volume di iniezione insufficiente, è necessario aumentare la temperatura del cilindro del materiale, aumentare la pressione di iniezione o aumentare il tempo di mantenimento; le bolle devono essere asciugate di più o la velocità della vite deve essere ridotta (per ridurre l'intrappolamento di aria) a causa di un'essiccazione insufficiente delle materie prime o dell'inclusione di aria nel fuso; i segni di ritiro (depressioni superficiali) richiedono un aumento della pressione di mantenimento o l'ottimizzazione del canale dell'acqua di raffreddamento a causa di una pressione insufficiente o di un raffreddamento non uniforme; la deformazione da deformazione è causata da uno stress interno eccessivo ed è necessario ridurre il gradiente di temperatura dello stampo o regolare la posizione dell'ingresso per garantire un flusso uniforme del fuso.

4. Campi di applicazione e tendenze di sviluppo

Il processo di stampaggio a iniezione, con i suoi vantaggi di elevata efficienza e precisione, è ampiamente utilizzato in vari settori e si sta evolvendo verso l'intelligenza e l'ecologia grazie al progresso tecnologico.

Principali aree di applicazione

L'industria del packaging è il mercato più grande per la tecnologia dello stampaggio a iniezione, producendo tappi per bottiglie, contenitori, scatole di ribaltamento, ecc. Ad esempio, i tappi per bottiglie di acqua minerale utilizzano lo stampaggio a iniezione di PP per garantire la tenuta tramite filettatura; l'industria automobilistica utilizza lo stampaggio a iniezione per produrre parti interne (cruscotto, pannelli delle portiere), parti esterne (paraurti) e parti funzionali (connettori) e materie plastiche tecniche (lega PC/ABS) per sostituire i metalli e alleggerire; l'industria degli elettrodomestici produce gusci (cassetti del frigorifero, camere d'aria delle lavatrici) e componenti strutturali (ingranaggi, staffe), con l'ABS che sta diventando il materiale principale grazie alla sua facile colorazione e alla resistenza moderata; l'industria medica utilizza lo stampaggio a iniezione di materie plastiche di grado medicale (PC, PP) per produrre siringhe, involucri per set di infusione e componenti di dispositivi medici, che richiedono stampi puliti e materie prime non tossiche; l'industria 3C produce parti di precisione come involucri per telefoni cellulari, tastiere, connettori, ecc., che richiedono una tolleranza dimensionale di ± 0,02 mm e macchine e stampi per stampaggio a iniezione ad alta precisione.

Tendenze di sviluppo tecnologico

L'intelligenza è la direzione principale e le macchine per stampaggio a iniezione sono dotate di sensori (pressione, temperatura, spostamento) e algoritmi di intelligenza artificiale per monitorare lo stato del fuso e la qualità del prodotto in tempo reale. Grazie al controllo adattivo, i parametri vengono regolati automaticamente per ridurre l'intervento manuale e il tasso di scarto viene ridotto al di sotto dello 0,5%. L'Internet industriale consente il collegamento in rete delle apparecchiature, il monitoraggio remoto dei dati di produzione e dei consumi energetici, migliorando l'efficienza gestionale.

L'ecologizzazione si concentra sul risparmio energetico, sulla riduzione dei consumi e sull'utilizzo circolare, con un tasso di penetrazione delle macchine per stampaggio a iniezione con servomotore superiore all'80% e una riduzione del 30% del consumo energetico; la tecnologia di stampaggio a iniezione per materie plastiche riciclate è matura e, tramite pulizia e modifica, PP e ABS riciclati possono essere utilizzati per prodotti non a contatto con gli alimenti; l'applicazione dello stampaggio a iniezione di materie plastiche di origine biologica (PLA, PBAT) è in espansione, riducendo la dipendenza dalle risorse fossili.

Innovazione nella tecnologia di stampaggio di precisione e speciale: lo stampaggio a microiniezione può produrre microprodotti che pesano meno di 0,1 g (come microparti mediche) con una precisione di ± 0,001 mm; lo stampaggio a iniezione assistito da gas utilizza l'iniezione di azoto per rendere cavi i prodotti con pareti spesse, riducendo i segni di restringimento e il peso; stampaggio a iniezione bicolore/multicolore per lo stampaggio una tantum di prodotti multi-materiale o multicolore, migliorando l'integrazione di aspetto e funzionalità.

In quanto tecnologia fondamentale nella lavorazione della plastica, lo stampaggio a iniezione riflette l'innovazione collaborativa di materiali, attrezzature e stampi nel suo processo di sviluppo. Dai beni di prima necessità ai componenti industriali di fascia alta, la tecnologia dello stampaggio a iniezione supporta lo sviluppo dell'industria manifatturiera moderna grazie alle sue caratteristiche di efficienza e flessibilità. Con l'avanzare delle tecnologie intelligenti ed ecosostenibili, lo stampaggio a iniezione svolgerà un ruolo sempre più importante nella produzione di precisione e nel risparmio delle risorse, promuovendo l'evoluzione dell'industria manifatturiera verso una direzione di alta qualità.