Calcolare le Reali Forze che Agiscono sulle Slitte dello Stampo
La scelta di un cilindro di bloccaggio per uno stampo a iniezione viene spesso considerata un’operazione relativamente semplice. Molti progettisti selezionano il cilindro in base allo spazio disponibile oppure facendo riferimento a soluzioni adottate in progetti precedenti.
In realtà, il dimensionamento di un cilindro di bloccaggio rappresenta un vero problema di ingegneria meccanica che richiede la comprensione delle forze generate dalla plastica fusa all’interno dello stampo.
Un cilindro sottodimensionato può consentire alla slitta di spostarsi durante la fase di iniezione, provocando bave sul pezzo stampato, errori dimensionali o addirittura danni allo stampo.
Al contrario, un cilindro eccessivamente sovradimensionato comporta costi maggiori, occupa spazio inutilmente e può trasmettere carichi meccanici elevati all’intero sistema di movimentazione della slitta.
La scelta corretta nasce quindi dai calcoli ingegneristici, non dall’intuizione.
Un caso reale affrontato dal Vega Engineering Team rappresenta perfettamente questo approccio.
Un Caso Pratico di Progettazione
Un cliente richiese assistenza nella scelta dei cilindri di bloccaggio per uno stampo a iniezione.
Prima ancora di proporre un modello di cilindro, il Vega Engineering Team analizzò attentamente il disegno dello stampo.
Durante questa verifica emerse subito un aspetto importante.
Il collegamento meccanico tra il cilindro e la slitta risultava particolarmente lungo.
Poiché ogni sistema meccanico subisce una deformazione elastica quando viene caricato, il team raccomandò di aumentare il precarico del sistema in funzione della massima compressione prevista del collegamento prima di procedere con la scelta del cilindro.
Questa osservazione potrebbe sembrare secondaria.
Dal punto di vista ingegneristico, invece, mette in evidenza un principio fondamentale:
Il cilindro oleodinamico è soltanto uno degli elementi del sistema. L’affidabilità del bloccaggio dipende dalla rigidezza dell’intero percorso delle forze.
Solo dopo aver valutato l’intero sistema meccanico, il Vega Engineering Team ha proceduto con il calcolo delle forze agenti sui due tasselli.
Perché il Calcolo delle Forze è Fondamentale
Durante lo stampaggio ad iniezione, il materiale plastico fuso si comporta come un fluido ad alta pressione.
Quando la cavità si riempie, la plastica esercita una forza su tutte le superfici con cui viene a contatto.
Alcune superfici tendono ad aprire le slitte.
Altre tendono a mantenerle chiuse.
Il cilindro di bloccaggio deve essere in grado di contrastare queste forze senza permettere alcun movimento.
Se la forza sviluppata dal cilindro risulta inferiore alla forza esercitata dalla plastica, anche uno spostamento di pochi centesimi di millimetro può provocare:
- formazione di bave;
- difetti dimensionali;
- usura precoce delle superfici di chiusura;
- deformazione delle slitte;
- nei casi peggiori, gravi danni allo stampo.
Per questo motivo un progettista esperto non sceglie mai un cilindro semplicemente osservandone le dimensioni.
Prima calcola le forze.
Da Dove Nascono le Forze Durante l’Iniezione
La pressione presente nella cavità dello stampo agisce perpendicolarmente ad ogni superficie che incontra.
La forza generata dipende esclusivamente da due grandezze:
- la pressione della plastica;
- la superficie proiettata soggetta alla pressione.
La relazione fondamentale è:
Formula (compatibile con l’Editor Equazioni di Word):
F=P×Adove:
- F = forza;
- P = pressione della plastica;
- A = superficie proiettata.
Sebbene questa formula sia estremamente semplice, costituisce la base di praticamente tutti i calcoli utilizzati per dimensionare un cilindro di bloccaggio.
La vera difficoltà non consiste nell’applicare la formula.
Consiste nel determinare correttamente quale superficie sia realmente sottoposta alla pressione del materiale plastico.
Core 1 – Calcolo della Forza di Spinta
Per il primo tassello, il Vega Engineering Team determinò che la superficie frontale soggetta alla pressione della plastica era pari a:
40,12 cm²
La pressione stimata all’interno della cavità risultava:
500 bar
Applicando questi valori venne calcolata una forza di spinta di circa:
20.000 kgf
Sulla base di questo risultato, il team raccomandò:
- cilindro CF056 con precarico massimo di 0,05 mm;
- in alternativa un cilindro CF071.
È importante osservare che il cilindro non venne scelto semplicemente perché sembrava sufficientemente grande.
Fu selezionato perché la sua capacità di bloccaggio risultava superiore alla forza calcolata, tenendo conto anche del precarico e della rigidezza dell’intero sistema meccanico.
Perché il Precarico è Così Importante
Uno degli aspetti più interessanti di questo caso riguarda proprio la raccomandazione di aumentare il precarico.
Molti progettisti ritengono che il precarico serva esclusivamente ad eliminare il gioco meccanico.
In realtà la sua funzione è molto più importante.
Ogni collegamento meccanico si comporta come una molla.
Quando viene applicato un carico, il sistema si comprime elasticamente.
Se esiste del gioco iniziale, la slitta inizierà a muoversi prima ancora che il cilindro inizi realmente a contrastare la forza della plastica.
Applicando un corretto precarico questo movimento iniziale viene eliminato.
I vantaggi sono molteplici:
- maggiore precisione di posizionamento;
- minori urti durante il ciclo;
- migliore ripetibilità dimensionale;
- riduzione delle sollecitazioni a fatica;
- maggiore durata del sistema di bloccaggio.
Nel caso specifico, proprio perché il collegamento tra cilindro e slitta era relativamente lungo, la deformazione elastica risultava maggiore.
L’aumento del precarico permetteva quindi di compensare questa maggiore cedevolezza.
La Rigidezza dell’Intero Sistema
Molto spesso il cilindro non rappresenta il componente meno rigido del sistema.
L’intero percorso delle forze comprende infatti:
- corpo del cilindro;
- stelo;
- terminali;
- viti di collegamento;
- eventuali distanziali;
- corpo della slitta;
- guide della slitta.
Ogni elemento si deforma elasticamente quando viene applicata la forza.
Sebbene ciascuna deformazione sia molto piccola, la somma di tutte può diventare significativa.
Questo fenomeno prende il nome di cedevolezza del sistema (system compliance).
Maggiore è la lunghezza del collegamento meccanico, minore sarà la sua rigidezza.
Una minore rigidezza comporta una deformazione elastica maggiore.
Di conseguenza aumenta anche il precarico necessario per mantenere il sistema perfettamente bloccato.
Questo spiega perché un progettista esperto analizza sempre l’intero sistema meccanico e non il solo cilindro.
Core 2 – Una Situazione Completamente Diversa
Per il secondo tassello, le condizioni di carico risultavano molto differenti.
La superficie frontale esposta alla pressione era pari a:
7,35 cm²
Mantenendo la stessa pressione stimata di 500 bar, la forza di spinta risultava di circa:
3.675 kgf, quasi sei volte inferiore rispetto al Core 1.
A prima vista si potrebbe pensare che il problema sia risolto.
In realtà era necessario considerare anche un’altra forza:
la forza di estrazione.
Perché Esiste la Forza di Estrazione
Durante il raffreddamento il materiale plastico si ritira aderendo alle superfici del tassello.
Questa adesione genera un attrito tra la plastica e l’acciaio.
Quando la slitta deve rientrare, il cilindro deve vincere non solo la resistenza meccanica del sistema, ma anche la forza di adesione esercitata dal pezzo stampato.
A differenza della forza di spinta, che dipende principalmente dalla pressione della cavità, la forza di estrazione dipende da:
- superficie laterale di contatto;
- tipo di materiale plastico;
- ritiro del materiale;
- finitura superficiale;
- coefficiente di adesione.
Per questo caso il Vega Engineering Team calcolò:
- superficie laterale: 9,14 cm²;
- coefficiente di adesione: 20 kg/cm²;
- forza di estrazione: circa 183 kgf.
Questa forza è molto inferiore rispetto alla forza di spinta durante l’iniezione.
Tuttavia deve essere presa in considerazione perché il cilindro deve funzionare correttamente sia nella fase di bloccaggio sia durante l’apertura dello stampo.
Perché la Pressione di Iniezione Non Basta
Molti progettisti ritengono che sia sufficiente conoscere la pressione massima di iniezione per scegliere un cilindro.
In realtà la pressione rappresenta soltanto uno dei parametri da considerare.
Un corretto dimensionamento richiede infatti anche la valutazione di:
- superficie proiettata;
- superficie laterale di contatto;
- forza di adesione della plastica;
- geometria della slitta;
- precarico;
- deformazioni elastiche del sistema;
- fattore di sicurezza;
- carichi dinamici.
Trascurare anche uno solo di questi elementi può portare alla scelta di un cilindro sottodimensionato oppure inutilmente sovradimensionato.
È proprio per questo motivo che un ufficio tecnico esperto parte sempre dai calcoli prima di proporre un determinato modello di cilindro.
Fattori di Sicurezza, Rigidezza del Sistema e Scelta del Cilindro Corretto
Nella prima parte abbiamo visto come il Vega Engineering Team abbia calcolato le forze di spinta e di estrazione agenti sui due tasselli dello stampo prima di scegliere il cilindro di bloccaggio.
I calcoli hanno evidenziato che il Core 1 era soggetto ad una forza di spinta di circa 20.000 kgf, mentre il Core 2 sviluppava una forza di circa 3.675 kgf. Per quest’ultimo è stata inoltre valutata una forza di estrazione di circa 183 kgf dovuta all’adesione della plastica.
Questi valori rappresentano il punto di partenza del progetto.
Non determinano automaticamente quale cilindro installare.
Prima della scelta definitiva il progettista deve infatti rispondere ad alcune domande fondamentali:
- la forza calcolata è sufficiente?
- quale fattore di sicurezza deve essere adottato?
- quale precarico è necessario?
- il collegamento meccanico si deformerà sotto carico?
- il sistema manterrà il bloccaggio dopo milioni di cicli di produzione?
È proprio qui che il semplice calcolo lascia spazio alla progettazione ingegneristica.
La Differenza tra Forza Calcolata e Forza Richiesta
Uno degli errori più frequenti consiste nello scegliere un cilindro la cui forza nominale coincide esattamente con la forza teorica calcolata.
Questa scelta lascia pochissimo margine di sicurezza.
Nella realtà industriale il cilindro deve essere in grado di compensare numerose variabili che non possono essere descritte con un solo numero.
Tra queste troviamo:
- variazioni della pressione nella cavità;
- differenze di viscosità del materiale plastico;
- picchi di pressione durante il riempimento;
- usura delle guide della slitta;
- tolleranze costruttive;
- deformazioni elastiche dell’intero sistema.
Per questo motivo i progettisti applicano normalmente un fattore di sicurezza.
La forza minima richiesta può essere stimata mediante:
Formula (compatibile con l’Editor Equazioni di Word):
F_richiesta=F_calcolata×SFdove:
- F_richiesta = forza minima del cilindro;
- F_calcolata = forza teorica ottenuta dai calcoli;
- SF = fattore di sicurezza.
Nelle applicazioni industriali vengono frequentemente utilizzati fattori di sicurezza compresi tra 1,2 e 2, mentre applicazioni particolarmente gravose possono richiedere valori ancora superiori.
L’obiettivo non è scegliere il cilindro più grande possibile.
L’obiettivo è garantire affidabilità per tutta la vita dello stampo.
Perché la Pressione di Iniezione Non è Costante
Molti calcoli teorici assumono una pressione costante.
Nella realtà il ciclo di stampaggio è molto più complesso.
Durante ogni ciclo la pressione nella cavità:
- aumenta rapidamente durante il riempimento;
- raggiunge il valore massimo durante la fase di compattazione;
- diminuisce progressivamente durante il raffreddamento.
Il cilindro di bloccaggio non lavora quindi con un carico costante.
È sottoposto ad un carico continuamente variabile.
Inoltre la macchina può generare picchi di pressione superiori ai valori medi di processo.
Per questa ragione il dimensionamento viene sempre effettuato considerando la condizione più gravosa prevista.
I Carichi Dinamici
Le formule utilizzate nella prima parte descrivono il comportamento statico.
Le presse ad iniezione sono però sistemi dinamici.
Durante ogni ciclo:
- le slitte accelerano;
- decelerano;
- cambiano direzione;
- le valvole oleodinamiche si aprono e si chiudono;
- il sistema viene continuamente caricato e scaricato.
Ogni accelerazione genera forze d’inerzia che si sommano alle forze esercitate dalla plastica.
Di conseguenza il cilindro può essere sottoposto a carichi superiori rispetto a quelli ottenuti con un semplice calcolo statico.
Trascurare questi effetti può provocare:
- usura precoce;
- vibrazioni;
- riduzione della vita a fatica;
- perdita della precisione dello stampo.
La Rigidezza è Importante Quanto la Forza
Molti progettisti concentrano tutta l’attenzione sulla forza sviluppata dal cilindro.
In realtà la rigidezza del sistema è altrettanto importante.
Immaginiamo due cilindri capaci di sviluppare esattamente la stessa forza.
Il primo è collegato direttamente alla slitta mediante un sistema corto e molto rigido.
Il secondo utilizza un collegamento molto più lungo.
Sebbene la forza disponibile sia identica, il secondo sistema subirà una deformazione elastica maggiore.
Questa deformazione può permettere piccoli movimenti della slitta.
Anche spostamenti dell’ordine di pochi centesimi di millimetro possono provocare:
- bave;
- usura accelerata;
- perdita della precisione dimensionale;
- deterioramento delle superfici di chiusura.
È proprio per questo motivo che il Vega Engineering Team individuò immediatamente il collegamento troppo lungo e raccomandò un maggiore precarico.
L’obiettivo non era aumentare semplicemente la forza.
Era aumentare la rigidezza dell’intero sistema.
La Deformazione Elastica del Collegamento
Ogni componente meccanico si deforma elasticamente quando viene sottoposto ad un carico.
Nel campo elastico tale deformazione può essere descritta mediante la seguente relazione.
Formula (compatibile con Word):
δ=(F×L)/(A×E)dove:
- δ = deformazione elastica;
- F = forza applicata;
- L = lunghezza del componente;
- A = area resistente;
- E = Modulo di Young.
Questa formula permette di comprendere perché collegamenti più lunghi risultino meno rigidi.
All’aumentare della lunghezza aumenta infatti anche la deformazione elastica.
Viceversa, aumentando la sezione resistente oppure utilizzando materiali più rigidi, la deformazione diminuisce.
Sebbene il sistema reale di una slitta sia molto più complesso di una semplice barra sottoposta a trazione, il principio fisico rimane lo stesso.
Ridurre la deformazione significa aumentare la precisione del bloccaggio.
Perché Anche la Forza di Estrazione è Importante
Durante il riempimento dello stampo domina la forza di spinta.
Durante l’apertura dello stampo entra invece in gioco la forza di estrazione.
Quando il pezzo stampato si raffredda, il materiale plastico aderisce alle superfici del tassello.
Il cilindro deve quindi vincere questa adesione per consentire il corretto rientro della slitta.
L’entità della forza dipende da numerosi fattori:
- tipo di materiale plastico;
- ritiro;
- rugosità superficiale;
- angolo di sformo;
- lubrificazione;
- superficie laterale di contatto.
Materiali tecnici caricati con fibra di vetro o con elevate percentuali di cariche minerali possono generare forze di adesione sensibilmente superiori rispetto ai polimeri standard.
Per questo motivo il progettista considera normalmente anche le condizioni peggiori di funzionamento.
Il Cilindro è Solo una Parte dello Stampo
Uno degli insegnamenti più importanti di questo caso riguarda proprio il metodo di progettazione.
Il cilindro rappresenta soltanto uno dei componenti coinvolti.
L’analisi deve comprendere:
- pressione della cavità;
- superficie proiettata;
- forza di estrazione;
- precarico;
- usura delle guide;
- rigidezza della struttura;
- allineamento della slitta;
- tolleranze costruttive;
- perdite di pressione dell’impianto oleodinamico.
Un cilindro perfettamente dimensionato non può compensare una struttura meccanica poco rigida.
Allo stesso modo un cilindro più grande non risolve problemi causati da un progetto meccanico errato.
È sempre necessario analizzare l’intero percorso delle forze.
Le Decisioni Ingegneristiche si Basano sui Calcoli
Uno degli aspetti più interessanti di questo caso è il metodo seguito dal Vega Engineering Team.
Gli ingegneri non hanno semplicemente suggerito un cilindro.
Hanno seguito una procedura ben precisa:
- analisi del disegno dello stampo;
- valutazione del collegamento meccanico;
- individuazione della necessità di aumentare il precarico;
- calcolo delle superfici proiettate;
- stima della pressione della plastica;
- calcolo delle forze di spinta;
- calcolo delle forze di estrazione;
- scelta del cilindro più adatto per ciascun tassello.
Questo approccio riduce enormemente il rischio di errori progettuali e garantisce un funzionamento affidabile nel tempo.
Perché un Corretta Progettazione Riduce i Costi
A prima vista eseguire tutti questi calcoli può sembrare un lavoro lungo.
In realtà il tempo impiegato nella progettazione viene ampiamente recuperato durante la vita dello stampo.
Un corretto dimensionamento permette infatti di evitare:
- fermi macchina;
- riparazioni dello stampo;
- produzione di pezzi difettosi;
- formazione di bave;
- sostituzioni premature dei componenti;
- costi di garanzia;
- modifiche successive al progetto.
Nelle moderne linee automatiche poche ore di fermo produzione possono costare molto di più dell’intero cilindro.
Per questo motivo dedicare tempo ai calcoli rappresenta quasi sempre l’investimento economicamente più conveniente.
Conclusioni
Questo caso dimostra che il dimensionamento di un cilindro di bloccaggio non consiste semplicemente nello scegliere un componente da catalogo.
La scelta corretta nasce dalla comprensione delle forze generate dalla plastica durante il ciclo di stampaggio.
Calcolando la superficie proiettata, stimando la pressione della cavità, valutando la forza di estrazione e analizzando la rigidezza dell’intero sistema meccanico, il Vega Engineering Team ha potuto selezionare il cilindro più adatto sulla base di dati oggettivi e non di semplici ipotesi.
Allo stesso tempo, gli ingegneri hanno riconosciuto che il collegamento relativamente lungo tra cilindro e slitta richiedeva un precarico maggiore per compensare la deformazione elastica del sistema.
Questo caso evidenzia uno dei principi fondamentali della progettazione degli stampi:
L’affidabilità di un sistema di bloccaggio non dipende soltanto dalla forza sviluppata dal cilindro, ma dalla rigidezza e dal comportamento dell’intero percorso delle forze.
Il corretto dimensionamento di un cilindro di bloccaggio rappresenta quindi il risultato dell’integrazione tra meccanica strutturale, tecnologia delle materie plastiche, oleodinamica ed esperienza progettuale.
Solo considerando tutti questi aspetti è possibile realizzare stampi capaci di produrre componenti di qualità per milioni di cicli di lavoro.
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