Perché Ogni Carrello Deve Essere Dimensionato Considerando Due Forze Differenti
La progettazione di un sistema di movimentazione dei carrelli rappresenta una delle attività più delicate nella realizzazione di uno stampo a iniezione. Sebbene la scelta di un cilindro oleodinamico possa sembrare relativamente semplice, molti errori di progettazione derivano da una comprensione incompleta delle forze che agiscono sul carrello durante il ciclo di stampaggio.
Uno degli errori più frequenti consiste nel ritenere che il cilindro debba semplicemente sviluppare una forza sufficiente a muovere il carrello.
In realtà, un cilindro oleodinamico autobloccante deve essere progettato per contrastare due fenomeni fisici completamente differenti:
- la forza generata dalla pressione della plastica durante la fase di iniezione;
- la forza necessaria per estrarre il carrello dopo che il materiale si è solidificato.
Queste due forze agiscono sullo stesso componente, ma hanno origini completamente diverse e devono essere calcolate separatamente.
Un interessante caso affrontato dal Vega Technical Department dimostra perfettamente questo principio. Un costruttore di stampi ha chiesto assistenza nella scelta dei cilindri autobloccanti per tre differenti carrelli di uno stampo destinato alla lavorazione del polipropilene (PP). Invece di limitarsi a suggerire un modello di catalogo, Vega ha eseguito un vero dimensionamento ingegneristico calcolando separatamente la forza di spinta (thrust force) e la forza di trazione o estrazione (traction force) di ciascun carrello, arrivando così alla scelta dei cilindri più adatti.
Questo approccio rappresenta una delle regole fondamentali della progettazione degli stampi:
un cilindro oleodinamico non dovrebbe mai essere dimensionato considerando una sola condizione di carico.
Due Fasi del Ciclo, Due Carichi Completamente Diversi
Durante il ciclo di stampaggio a iniezione il carrello è sottoposto a carichi completamente differenti a seconda della fase di lavorazione.
Durante l’iniezione e il mantenimento della pressione, il materiale plastico fuso esercita una forza elevata su tutte le superfici della cavità.
Qualsiasi carrello che formi un sottosquadro o una geometria laterale viene quindi spinto verso l’esterno dalla pressione della plastica.
Quando il pezzo si raffredda, però, la situazione cambia completamente.
La pressione di iniezione scompare, ma compare una nuova forza.
Durante il raffreddamento il materiale plastico si ritira e aderisce alle superfici del carrello.
A questo punto il cilindro deve vincere:
- l’aderenza tra plastica e acciaio;
- l’attrito sviluppato durante l’estrazione;
- eventuali interferenze geometriche del pezzo stampato.
Il cilindro deve quindi svolgere due funzioni completamente diverse:
- mantenere il carrello perfettamente chiuso durante l’iniezione;
- estrarre il carrello dopo la solidificazione del pezzo.
Dal punto di vista progettuale si tratta di due problemi completamente differenti.
Perché un Cilindro Autobloccante è Diverso
Un normale cilindro oleodinamico mantiene il carrello in posizione esclusivamente grazie alla pressione dell’olio.
Se questa pressione dovesse diminuire accidentalmente, il carrello potrebbe spostarsi sotto l’azione della pressione della plastica.
Un cilindro autobloccante, invece, utilizza un sistema di bloccaggio meccanico interno che mantiene il pistone nella posizione di lavoro anche in assenza di pressione idraulica.
Per questo motivo viene spesso utilizzato negli stampi che presentano:
- elevate pressioni di iniezione;
- carrelli profondi;
- grandi sottosquadri;
- applicazioni dove la sicurezza è fondamentale;
- lunghi tempi di mantenimento della pressione.
È importante sottolineare, però, che il bloccaggio meccanico non elimina la necessità di eseguire i calcoli.
Il cilindro deve comunque sviluppare una forza sufficiente sia durante la fase di avanzamento sia durante quella di estrazione.
Il Primo Calcolo: la Forza di Spinta
Il primo dimensionamento riguarda la forza che tende ad aprire il carrello durante l’iniezione della plastica.
Questa forza dipende principalmente da due grandezze:
- la superficie del carrello esposta alla pressione della plastica;
- la pressione esercitata dal materiale fuso.
La relazione utilizzata è una delle più importanti nella progettazione degli stampi:
Formula (compatibile con l’Editor Equazioni di Microsoft Word)
F = P × Adove:
- F = forza di spinta;
- P = pressione della plastica;
- A = superficie proiettata investita dalla pressione.
Nel caso analizzato, il Vega Technical Department ha utilizzato le superfici evidenziate nei disegni del cliente per determinare il carico esercitato dalla plastica sui diversi carrelli e verificare quale cilindro fosse in grado di contrastarlo con un adeguato margine di sicurezza.
Conta la Superficie Proiettata, Non la Dimensione del Pezzo
Uno degli errori più comuni consiste nel pensare che un pezzo stampato più grande richieda automaticamente un cilindro più grande.
In realtà non è così.
Il cilindro non deve contrastare la pressione esercitata sull’intero pezzo.
Deve contrastare esclusivamente la forza che agisce sulla superficie proiettata del carrello.
Si possono quindi verificare situazioni molto differenti.
Un componente automobilistico di grandi dimensioni potrebbe richiedere un cilindro relativamente piccolo se la superficie laterale investita dalla pressione è limitata.
Al contrario, un particolare molto più piccolo potrebbe richiedere un cilindro di dimensioni superiori qualora presenti una superficie proiettata particolarmente estesa.
Per questo motivo i progettisti esperti non dimensionano mai il cilindro osservando semplicemente il volume del pezzo.
Calcolano sempre la superficie realmente soggetta alla pressione della plastica.
Le superfici evidenziate in verde nei disegni del cliente rappresentano proprio le aree utilizzate per questi calcoli.
La Pressione della Plastica Non Coincide con la Pressione della Pressa
Un altro errore molto diffuso riguarda il valore della pressione da utilizzare nei calcoli.
Molte presse dichiarano pressioni di iniezione superiori a 2.000 bar.
Questo valore non deve essere utilizzato direttamente per dimensionare il cilindro.
La pressione realmente agente sul carrello dipende infatti da numerosi fattori, tra cui:
- posizione del punto di iniezione;
- percorso del flusso;
- spessore delle pareti;
- sequenza di riempimento della cavità;
- perdite di carico del materiale;
- pressione di mantenimento;
- viscosità del polimero.
Nel caso analizzato, il Vega Technical Department ha adottato una pressione di progetto pari a circa 500 bar, un valore ritenuto realistico per questa specifica applicazione in polipropilene e molto più rappresentativo della pressione effettivamente agente sul carrello rispetto alla pressione massima teorica della pressa.
Questa distinzione è fondamentale.
Confondere la pressione massima della macchina con la pressione realmente presente nello stampo porta quasi sempre a sovradimensionare il cilindro, aumentando inutilmente costi, ingombri e dimensioni dello stampo.
L’Ingegneria Richiede Verifica, Non Solo Calcoli
Uno degli aspetti più interessanti della risposta fornita da Vega riguarda il metodo di lavoro adottato.
Dopo aver eseguito tutti i calcoli, il Vega Technical Department non si è limitato a indicare i cilindri consigliati.
Ha invitato il cliente a verificare autonomamente i risultati sul proprio progetto prima di procedere con la realizzazione definitiva dello stampo.
Questo rappresenta un principio fondamentale dell’ingegneria.
Ogni calcolo si basa infatti su ipotesi riguardanti:
- distribuzione della pressione;
- caratteristiche del materiale plastico;
- superfici effettivamente interessate;
- condizioni reali di stampaggio.
Per questo motivo gli standard di progettazione degli stampi raccomandano sempre di affiancare ai calcoli teorici una verifica completa del progetto, della geometria del carrello e delle reali condizioni di funzionamento prima della produzione definitiva.
Oltre il Semplice Calcolo della Forza
A prima vista il dimensionamento di un cilindro autobloccante può sembrare un semplice esercizio matematico.
In realtà coinvolge numerose discipline:
- meccanica;
- comportamento dei polimeri;
- progettazione degli stampi;
- sicurezza;
- oleodinamica.
Un progettista esperto sa che scegliere il cilindro corretto non significa selezionare il modello con il diametro maggiore.
Significa trovare il miglior equilibrio tra:
- forza disponibile;
- sistema di bloccaggio;
- spazio disponibile nello stampo;
- geometria del carrello;
- affidabilità;
- sicurezza di funzionamento.
Solo dopo aver determinato correttamente la forza di spinta è possibile affrontare il secondo passaggio del dimensionamento, spesso ancora più complesso: il calcolo della forza di estrazione, necessaria per separare il carrello dal pezzo dopo il raffreddamento.
Perché la Forza di Estrazione è Spesso Più Difficile da Calcolare della Forza di Spinta
Nella prima parte abbiamo analizzato il primo passaggio del dimensionamento di un cilindro oleodinamico autobloccante: il calcolo della forza di spinta, cioè della forza necessaria per mantenere il carrello chiuso mentre il materiale plastico riempie la cavità dello stampo.
Questo calcolo rappresenta soltanto metà del problema.
Quando la fase di iniezione termina, la pressione del materiale fuso scompare completamente.
Da quel momento entra in gioco un fenomeno completamente diverso.
Il cilindro non deve più contrastare la pressione della plastica.
Deve estrarre il carrello dal pezzo ormai solidificato.
Per questo motivo occorre determinare una seconda forza, chiamata forza di trazione o forza di estrazione.
A differenza della forza di spinta, che dipende principalmente dalla pressione e dalla superficie proiettata, la forza di estrazione dipende dal comportamento del materiale plastico durante il raffreddamento e dal contatto tra il polimero e la superficie del carrello.
Per molti stampi questa seconda verifica è addirittura la più difficile.
Perché il Ritiro del Polimero Genera una Forza di Estrazione
Durante il raffreddamento il materiale plastico subisce un naturale ritiro volumetrico.
Questo fenomeno è indispensabile per consentire l’estrazione del pezzo dallo stampo.
Nel caso dei carrelli, però, il ritiro può produrre un effetto opposto.
Anziché facilitare il distacco, il materiale tende ad avvolgere e stringere il carrello, aumentando il contatto tra acciaio e plastica.
Il cilindro deve quindi vincere contemporaneamente:
- l’attrito tra il polimero e l’acciaio;
- l’aderenza superficiale del materiale;
- eventuali interferenze dovute alla geometria del pezzo;
- gli effetti del ritiro del polimero.
A differenza della pressione di iniezione, queste forze non possono essere misurate direttamente.
Devono essere stimate utilizzando coefficienti derivati dall’esperienza progettuale, dalle caratteristiche del materiale e da casi applicativi analoghi.
Per questo motivo il calcolo della forza di estrazione rappresenta spesso la parte più delicata del dimensionamento.
Come il Vega Technical Department ha Calcolato la Forza di Estrazione
Nel caso analizzato, il Vega Technical Department ha affrontato il problema in modo completamente diverso rispetto al calcolo della forza di spinta.
Anziché considerare la superficie frontale investita dalla pressione della plastica, ha utilizzato la superficie laterale di contatto tra il carrello e il pezzo stampato.
Per il polipropilene (PP) è stato adottato un coefficiente di aderenza pari a circa 20 kg/cm².
Moltiplicando questo coefficiente per la superficie laterale interessata dal contatto è stato possibile stimare la forza di trazione necessaria per estrarre ciascun carrello dopo il raffreddamento.
Questa differenza è fondamentale.
La superficie utilizzata per il calcolo della forza di spinta e quella impiegata per il calcolo della forza di estrazione non coincidono quasi mai.
Confondere le due grandezze può portare a scegliere un cilindro completamente inadatto.
Il Materiale Plastico Influenza Direttamente la Scelta del Cilindro
Uno degli aspetti più interessanti di questo caso è che il materiale stampato entra direttamente nel dimensionamento del cilindro.
Il particolare era realizzato in polipropilene (PP).
Il polipropilene presenta generalmente una forza di adesione relativamente contenuta rispetto ad altri tecnopolimeri, come ad esempio:
- Poliammide (PA);
- Policarbonato (PC);
- ABS;
- PC/ABS;
- POM.
Materiali differenti producono infatti forze di estrazione differenti perché cambiano:
- il ritiro durante il raffreddamento;
- il coefficiente di attrito;
- l’aderenza superficiale;
- il comportamento elastico dopo la solidificazione.
Di conseguenza, due stampi geometricamente identici possono richiedere cilindri completamente diversi semplicemente perché stampano materiali differenti.
Per questo motivo un progettista esperto considera sempre il materiale plastico come parte integrante del dimensionamento del cilindro.
Anche i più autorevoli manuali di progettazione degli stampi sottolineano come le caratteristiche del materiale, il ritiro e il comportamento durante il raffreddamento debbano essere considerati fin dalle prime fasi del progetto dei movimenti laterali.
La Scelta Finale del Cilindro
Una volta calcolate sia la forza di spinta sia la forza di trazione, il Vega Technical Department ha individuato il cilindro più adatto per ciascun carrello.
L’analisi ha portato alla scelta di:
- CF045 per le applicazioni maggiormente sollecitate;
- CF030 per il carrello di dimensioni inferiori.
È interessante osservare che il reparto tecnico ha evidenziato anche un’altra possibilità.
Poiché i carichi risultavano relativamente contenuti, è stato suggerito che in alcune applicazioni avrebbe potuto essere utilizzato anche un cilindro standard CM040, evitando così il ricorso a un cilindro autobloccante quando non strettamente necessario.
Questa osservazione evidenzia un importante principio progettuale.
Un cilindro autobloccante non rappresenta automaticamente la scelta migliore.
La soluzione più corretta dipende sempre da:
- forza di spinta;
- forza di estrazione;
- pressione disponibile;
- coefficiente di sicurezza;
- geometria del carrello;
- affidabilità richiesta.
Una buona progettazione deve sempre trovare il miglior equilibrio tra prestazioni tecniche e costi.
La Pressione dell’Olio da Sola Non Basta
Un altro insegnamento molto importante riguarda la pressione idraulica.
Molti progettisti si concentrano esclusivamente sulla pressione disponibile nell’impianto.
In realtà questo dato, da solo, non permette di scegliere correttamente un cilindro.
Due cilindri alimentati alla stessa pressione possono infatti sviluppare forze molto differenti a seconda del loro diametro.
Per questo motivo il dimensionamento deve sempre considerare contemporaneamente:
- diametro del pistone;
- superficie utile del pistone;
- diametro dello stelo;
- pressione disponibile;
- forza in spinta;
- forza in trazione.
Soltanto analizzando tutti questi parametri è possibile verificare che il cilindro sia realmente adeguato.
La Verifica Fa Parte del Progetto
Uno degli aspetti che più colpiscono nella risposta del Vega Technical Department è il metodo utilizzato.
I calcoli non vengono presentati come valori assoluti.
Al contrario, Vega invita il cliente a verificare il dimensionamento confrontandolo con la geometria reale dello stampo prima della costruzione definitiva.
Questo approccio è perfettamente coerente con i principi della moderna progettazione degli stampi.
Le formule costituiscono il punto di partenza.
La scelta definitiva richiede sempre:
- verifica del modello CAD;
- controllo delle superfici proiettate;
- verifica delle superfici di contatto;
- conferma della pressione disponibile;
- collaudo dello stampo.
L’ingegneria non consiste nell’applicare meccanicamente una formula.
Consiste nel verificare che il modello teorico rappresenti correttamente il comportamento reale dello stampo.
L’Errore Più Comune nel Dimensionamento
L’insegnamento più importante di questo caso riguarda probabilmente uno degli errori più diffusi nella progettazione dei carrelli.
Molti progettisti confondono la forza di spinta con la forza di estrazione.
In realtà queste due forze hanno origini completamente differenti.
La forza di spinta dipende dalla pressione della plastica durante l’iniezione.
La forza di estrazione dipende invece dall’aderenza e dal ritiro del materiale durante il raffreddamento.
Dimensionare il cilindro considerando soltanto una delle due condizioni significa rischiare di ottenere un sistema perfettamente funzionante durante una fase del ciclo ma insufficiente durante l’altra.
Per questo motivo i progettisti più esperti eseguono sempre entrambe le verifiche prima di scegliere il cilindro definitivo.
Conclusioni
Questo caso reale dimostra che il dimensionamento di un cilindro oleodinamico autobloccante richiede molto più della semplice consultazione di un catalogo.
È necessario comprendere l’intero ciclo di stampaggio.
Durante l’iniezione il cilindro deve contrastare la pressione della plastica.
Durante l’estrazione deve invece vincere l’aderenza e l’attrito tra il pezzo e il carrello.
Solo calcolando separatamente forza di spinta e forza di estrazione è possibile scegliere il cilindro realmente più adatto.
Come dimostra questo caso affrontato dal Vega Technical Department, una buona progettazione non consiste nello scegliere il cilindro più grande disponibile.
Consiste nel comprendere quali forze agiranno sul carrello, in quale momento del ciclo di stampaggio agiranno e come varieranno durante il processo produttivo.
È questo approccio ingegneristico che permette di progettare stampi più compatti, più affidabili e più efficienti, evitando inutili sovradimensionamenti e garantendo un funzionamento sicuro per milioni di cicli.
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