Come Calcolare la Forza Necessaria per Svitare Tappi Plastici negli Stampi Multicavità

Comprendere la Forza di Svitamento

I tappi in plastica con filettatura interna rappresentano uno dei prodotti più diffusi nello stampaggio a iniezione. Chiusure per bevande, cosmetici, prodotti farmaceutici e contenitori industriali sono solo alcuni esempi di componenti che devono essere svitati dal nocciolo dello stampo senza subire deformazioni o danneggiamenti.

A seconda della progettazione dello stampo, questa operazione può essere eseguita mediante noccioli rotanti azionati da cilindri idraulici, sistemi a cremagliera e pignone, motori idraulici oppure servomotori elettrici.

Tra tutte queste soluzioni, i cilindri idraulici rappresentano ancora oggi una delle tecnologie più affidabili, robuste ed economiche per generare la forza necessaria ad azionare i meccanismi di svitamento negli stampi multicavità.

Scegliere il cilindro corretto, tuttavia, è tutt’altro che semplice.

Molti progettisti selezionano il diametro del cilindro basandosi sull’esperienza maturata in progetti precedenti oppure aumentano il diametro “per sicurezza”. Entrambi gli approcci possono portare a cilindri sovradimensionati, maggiori costi di costruzione, consumi energetici superiori e ingombri inutili.

L’approccio corretto è completamente diverso.

La forza necessaria deve essere calcolata partendo dalle reali resistenze che il cilindro dovrà vincere durante lo svitamento del tappo.

Un interessante caso reale affrontato dal Reparto Tecnico Vega dimostra perfettamente questo principio.

Un costruttore di stampi richiese assistenza tecnica per scegliere il cilindro idraulico più adatto ad uno stampo da 24 cavità destinato alla produzione di tappi plastici, installato su una pressa Ferromatik con una pressione massima disponibile sul circuito di estrazione pari a 175 bar. La domanda era semplice: un cilindro da 80 mm di alesaggio è sufficiente oppure è necessario un 100 mm?

Invece di consigliare un cilindro basandosi sull’esperienza, il Reparto Tecnico Vega eseguì un’analisi ingegneristica completa, sviluppando due differenti metodi di calcolo.

Questo rappresenta uno dei principi fondamentali della progettazione oleodinamica.

Perché Calcolare la Forza di Svitamento è Più Complesso di Quanto Sembra

A prima vista potrebbe sembrare che lo svitamento di un tappo sia un’operazione relativamente semplice.

Una volta raffreddato il materiale plastico, il nocciolo ruota e il tappo si svita.

In realtà ciò che accade all’interno dello stampo è molto più complesso.

Durante il raffreddamento, il materiale plastico si ritira aderendo alle superfici metalliche del nocciolo filettato.

Il sistema di svitamento deve quindi vincere contemporaneamente diverse resistenze meccaniche.

Tra le principali troviamo:

  • adesione della plastica sui fianchi della filettatura;
  • attrito generato durante la rotazione;
  • ritiro radiale del materiale attorno al nocciolo;
  • adesione sulle superfici cilindriche interne;
  • deformazione elastica del tappo durante l’estrazione.

Ognuna di queste contribuisce alla forza complessiva richiesta al cilindro idraulico.

Trascurarne anche soltanto una può portare ad un grave sottodimensionamento del sistema.

La Prima Valutazione Ingegneristica

Nel primo studio, il Reparto Tecnico Vega prese in considerazione esclusivamente la forza necessaria a vincere l’adesione presente sulla superficie filettata del tappo.

L’analisi utilizzò i seguenti dati:

  • superficie laterale della filettatura: circa 13,9 cm²;
  • coefficiente di adesione della plastica: 20 kgf/cm².

Applicando questi valori fu calcolata una forza di circa:

278 kgf per ogni tappo.

Poiché lo stampo produceva contemporaneamente 24 tappi, la forza complessiva risultò pari a:

6.672 kgf.

Sulla base di questo primo calcolo, il Reparto Tecnico Vega individuò come soluzione adeguata un cilindro CR100045D6GEAN600 + REA, con una pressione minima di esercizio di 100 bar.

A prima vista il calcolo sembrava completo.

Tuttavia, un progettista esperto sa che la realtà è spesso più complessa.

La Seconda Valutazione Ingegneristica

Anziché fermarsi al primo risultato, il Reparto Tecnico Vega si pose una domanda fondamentale:

Sono state considerate tutte le superfici che realmente contribuiscono alla forza di estrazione?

Per rispondere, venne sviluppata una seconda analisi.

Questa volta, oltre alla superficie della filettatura, fu considerata anche la forza di adesione esercitata sulle superfici cilindriche interne del tappo.

I nuovi dati di progetto divennero:

  • superficie laterale della filettatura: 13,9 cm²;
  • superficie cilindrica interna: 32,76 cm²;
  • coefficiente di adesione: 15–20 kgf/cm².

Il risultato cambiò radicalmente.

La forza necessaria per svitare ciascun tappo salì a circa:

769,4 kgf.

Per uno stampo da 24 cavità, la forza totale raggiunse:

18.465 kgf.

Un valore quasi tre volte superiore rispetto alla prima valutazione.

Di fronte a questa differenza così significativa, il Reparto Tecnico Vega non suggerì immediatamente un cilindro più grande.

Al contrario, richiese una verifica delle superfici considerate nel calcolo per accertarsi che rappresentassero fedelmente la geometria reale dello stampo.

Questa decisione evidenzia uno dei principi più importanti della progettazione meccanica:

Un calcolo è affidabile solo quanto lo sono le ipotesi da cui parte.

Perché il Modello 3D è Fondamentale

Molti calcoli iniziano da semplici disegni bidimensionali.

Sebbene questi riportino le quote principali, raramente descrivono tutte le superfici realmente coinvolte durante l’estrazione del pezzo.

Per questo motivo il Reparto Tecnico Vega richiese il modello 3D completo dello stampo prima di confermare definitivamente la scelta del cilindro.

Il modello tridimensionale consente infatti di:

  • determinare le reali superfici di contatto;
  • individuare superfici cilindriche non immediatamente visibili;
  • misurare con precisione l’impegno della filettatura;
  • stimare con maggiore accuratezza il ritiro della plastica;
  • valutare correttamente le forze che agiscono durante lo svitamento.

Senza una geometria completa, anche un calcolo apparentemente corretto può produrre risultati fuorvianti.

Dal Calcolo della Forza alla Scelta del Cilindro Idraulico

Calcolare la forza necessaria per svitare un tappo rappresenta soltanto il primo passo nella progettazione di un sistema di svitamento affidabile.

Una volta determinata la forza che si oppone all’estrazione del pezzo, il progettista deve verificare se il cilindro idraulico scelto sia realmente in grado di svilupparla in tutte le condizioni di funzionamento.

Per arrivare alla scelta corretta non basta confrontare un semplice valore di forza.

Occorre considerare contemporaneamente:

  • la pressione idraulica disponibile sulla pressa;
  • il rendimento del sistema;
  • i coefficienti di sicurezza;
  • le perdite di pressione;
  • il materiale plastico;
  • il numero di cavità;
  • l’usura che inevitabilmente si svilupperà durante la vita dello stampo.

Un cilindro apparentemente corretto sulla carta può rivelarsi insufficiente dopo pochi mesi di produzione se questi fattori non vengono considerati.

Fase 1 – Determinare la Forza Reale di Estrazione

Come mostrato nella Parte A, due differenti ipotesi di calcolo hanno prodotto risultati completamente diversi.

Nel primo caso furono considerate soltanto le superfici filettate:

  • 278 kgf per tappo
  • 6.672 kgf complessivi per 24 cavità

Nel secondo caso furono considerate anche le superfici cilindriche interne:

  • 769,4 kgf per tappo
  • 18.465 kgf complessivi per 24 cavità

Questo dimostra come l’identificazione delle superfici realmente interessate dall’adesione rappresenti il passaggio più importante dell’intero dimensionamento.

Fase 2 – Comprendere il Ruolo dell’Adesione della Plastica

Uno degli errori più frequenti consiste nel sottovalutare la forza di adesione tra plastica e acciaio.

Durante il raffreddamento il materiale plastico si ritira stringendo il nocciolo filettato.

Questo fenomeno genera una pressione radiale che aumenta considerevolmente l’attrito durante lo svitamento.

L’entità dell’adesione dipende da numerosi fattori:

  • materiale plastico;
  • temperatura dello stampo;
  • tempo di raffreddamento;
  • finitura superficiale del nocciolo;
  • rugosità;
  • eventuali distaccanti;
  • ritiro del materiale;
  • geometria della filettatura.

Materiali diversi producono comportamenti completamente differenti.

Ad esempio:

  • il Polipropilene (PP) presenta generalmente una bassa adesione;
  • l’HDPE sviluppa ritiri maggiori;
  • il PET può richiedere forze di svitamento più elevate;
  • materiali tecnici come PA, POM o materiali caricati con fibra modificano ulteriormente il comportamento.

Per questo motivo ogni calcolo dovrebbe sempre essere verificato utilizzando il materiale realmente impiegato nella produzione.

Fase 3 – Considerare il Numero di Cavità

Molti progettisti calcolano correttamente la forza necessaria per un singolo tappo, dimenticando poi di moltiplicarla per il numero totale delle cavità.

In uno stampo multicavità ogni nocciolo contribuisce alla forza complessiva richiesta al cilindro.

Passare da:

  • 8 cavità;
  • 16 cavità;
  • 24 cavità;
  • 32 cavità;
  • 48 cavità;

non significa soltanto aumentare la produttività.

Significa anche aumentare proporzionalmente la forza che il cilindro dovrà sviluppare.

Più cresce il numero delle cavità, più piccoli errori di calcolo possono trasformarsi in problemi molto costosi.

Fase 4 – Verificare la Pressione Idraulica Disponibile

La forza sviluppata da un cilindro dipende direttamente dalla pressione realmente disponibile.

Nel caso analizzato, il cliente indicò che la pressa Ferromatik era in grado di fornire una pressione massima sul circuito di svitamento pari a 175 bar.

Tuttavia, un progettista esperto non dimensiona mai un cilindro assumendo di poter lavorare costantemente alla pressione massima.

Occorre infatti considerare:

  • perdite di carico nelle tubazioni;
  • perdite sulle valvole;
  • raccordi;
  • strozzature;
  • oscillazioni della pressione;
  • condizioni reali di funzionamento della pressa.

Per questo motivo il dimensionamento viene normalmente eseguito utilizzando una pressione di progetto inferiore a quella massima disponibile.

Fase 5 – Applicare un Adeguato Coefficiente di Sicurezza

Nessun calcolo teorico può descrivere perfettamente una produzione industriale.

Nel tempo possono cambiare:

  • lotto del materiale plastico;
  • temperatura ambiente;
  • temperatura dello stampo;
  • usura dei noccioli;
  • contaminazione;
  • attriti;
  • lubrificazione.

Per questo motivo il progettista introduce sempre un coefficiente di sicurezza.

Esso consente di compensare:

  • variazioni produttive;
  • tolleranze costruttive;
  • fluttuazioni della pressione;
  • usura progressiva;
  • sovraccarichi occasionali.

Un coefficiente troppo basso aumenta il rischio che il cilindro non completi lo svitamento.

Un coefficiente eccessivo porta invece a cilindri inutilmente grandi, più costosi e con maggior consumo energetico.

Fase 6 – Scegliere il Cilindro Idraulico

Una volta determinati:

  • forza totale;
  • pressione disponibile;
  • coefficiente di sicurezza;

è possibile calcolare la superficie del pistone necessaria e quindi scegliere il diametro corretto del cilindro.

Nel caso reale, il Reparto Tecnico Vega individuò due possibili soluzioni progettuali:

  • CR100045D6GEAN600 + REA
  • CR160070D6GEAN600 + REA

La scelta definitiva dipendeva esclusivamente dalla conferma delle superfici realmente coinvolte nell’adesione del materiale plastico.

Questo dimostra un principio fondamentale:

prima si calcola la forza, poi si sceglie il cilindro, mai il contrario.

Errori Più Comuni nel Dimensionamento

Molti problemi derivano da ipotesi errate più che da errori matematici.

Gli errori più frequenti sono:

  • considerare soltanto la filettatura;
  • ignorare l’adesione sulle superfici cilindriche;
  • dimenticare di moltiplicare la forza per il numero di cavità;
  • utilizzare coefficienti di adesione non realistici;
  • trascurare le perdite di pressione;
  • non applicare alcun coefficiente di sicurezza;
  • scegliere il cilindro copiando applicazioni precedenti.

Evitarli permette di ottenere sistemi più affidabili e più efficienti.

Lezioni Apprese

Questo caso tecnico evidenzia alcuni principi fondamentali della progettazione degli stampi multicavità:

  • il dimensionamento del cilindro deve sempre partire dal calcolo della forza;
  • tutte le superfici di contatto contribuiscono alla resistenza allo svitamento;
  • il numero delle cavità modifica radicalmente la forza totale richiesta;
  • il modello 3D dello stampo è indispensabile per eseguire un calcolo accurato;
  • il coefficiente di sicurezza deve compensare le normali variazioni produttive e non errori di progettazione.

Conclusioni

La scelta del cilindro idraulico per uno stampo con svitamento non dovrebbe mai essere basata sull’esperienza o sulla semplice intuizione.

È necessario eseguire un’analisi completa della geometria del pezzo, dell’adesione del materiale plastico, della pressione disponibile, del numero di cavità e delle condizioni reali di esercizio.

Nel caso analizzato, il Reparto Tecnico Vega dimostrò come due differenti ipotesi di calcolo potessero portare a risultati molto diversi e, correttamente, richiese il modello 3D dello stampo prima di confermare la scelta definitiva del cilindro.

Questo approccio riduce il rischio di errori progettuali, evita il sovradimensionamento dei cilindri e garantisce una maggiore affidabilità degli stampi multicavità destinati alla produzione di tappi plastici.

Approfondimenti Tecnici

Per approfondire il calcolo e il dimensionamento dei cilindri idraulici negli stampi a iniezione, consigliamo anche questi articoli del blog tecnico Vega:

Categoria: Supporto
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