Un caso Cliente sulla forza di iniezione, sull’adesione della plastica e sull’effetto dell’angolo di sformo
La scelta del corretto cilindro idraulico per uno stampo a iniezione non può essere fatta semplicemente scegliendo un alesaggio sufficientemente grande.
Il cilindro è infatti parte di un sistema meccanico nel quale interagiscono:
- pressione della plastica nella cavità;
- superficie interessata dalla pressione;
- geometria della slitta;
- angolo di sformo;
- attrito;
- adesione della plastica;
- superficie laterale di contatto;
- forza di spinta;
- forza di trazione.
Un caso reale analizzato dal Vega Team mostra molto bene perché sia necessario calcolare separatamente forza di spinta e forza di trazione prima di scegliere il cilindro.
Il Cliente aveva richiesto al Vega Team di verificare il dimensionamento di un cilindro per una particolare applicazione di stampaggio a iniezione. Dall’analisi del disegno sono state ricavate una superficie frontale di 15,57 cm² e una superficie laterale complessiva di circa 102,6 cm².
Per il calcolo è stata considerata una pressione ipotetica della plastica nella cavità di 500 bar.
Il risultato iniziale è stato una forza teorica di spinta di circa 7.785 kgf. Tuttavia, la presenza di un angolo di sformo di 35° ha modificato significativamente la forza effettivamente trasmessa al cilindro, portandola a circa 3.900–4.400 kgf, in funzione del coefficiente di attrito.
Per l’estrazione, invece, il Vega Team ha considerato una superficie laterale di circa 102,6 cm² e un coefficiente di adesione della plastica di 25 kg/cm², ottenendo una forza teorica di trazione di circa 2.564 kgf. Considerando nuovamente l’angolo di 35° e l’attrito, la forza necessaria è stata stimata in circa 1.700–1.800 kgf.
Il caso porta quindi a una conclusione fondamentale:
Il cilindro non deve essere dimensionato sulla sola pressione della cavità, ma sulla forza realmente trasmessa dalla geometria dello stampo.
1. Il problema del Cliente
Il Cliente aveva chiesto al Vega Team di verificare il disegno e individuare una soluzione idraulica adeguata.
L’analisi è stata impostata considerando due condizioni di carico differenti:
spinta durante l’iniezione
e
trazione durante l’estrazione.
Questa distinzione è essenziale.
Durante l’iniezione, la plastica esercita una pressione sulle superfici dello stampo e può generare una forza che tende a spostare la slitta.
Durante l’apertura, invece, il problema può diventare l’estrazione del componente dalla plastica, che si è raffreddata e può aderire alla superficie metallica.
Il Vega Team ha quindi eseguito due calcoli distinti.
2. Il primo dato: la superficie frontale
Il primo parametro individuato nel disegno era la:
superficie frontale = 15,57 cm².
Questa è la superficie sulla quale viene considerata la pressione della plastica.
La relazione fondamentale è:
F = P × A
dove:
- F = forza;
- P = pressione;
- A = superficie.
È una relazione semplice, ma nella progettazione degli stampi la difficoltà consiste soprattutto nel determinare quale superficie debba essere realmente considerata.
3. La pressione della plastica
Per la verifica del Cliente è stata considerata una pressione ipotetica nella cavità di:
500 bar.
È importante chiarire che questo valore rappresenta la pressione della plastica nella cavità, non la pressione idraulica di funzionamento del cilindro.
Sono due grandezze completamente diverse.
La pressione della plastica genera una forza sul componente dello stampo.
La geometria dello stampo trasforma poi questa forza nella componente effettivamente trasmessa al cilindro.
4. La forza teorica di spinta
Con:
A = 15,57 cm²
e:
P = 500 bar
il Vega Team ha calcolato una forza totale teorica di:
7.785 kgf.
Il valore è molto elevato.
A questo punto sarebbe però sbagliato concludere automaticamente che il cilindro debba generare 7.785 kgf.
Manca ancora un elemento fondamentale:
la geometria della slitta.
5. L’angolo di sformo cambia completamente il calcolo
Nel meccanismo analizzato era presente un angolo di sformo del cuneo di:
35°.
Questo angolo modifica la direzione della forza.
Il cilindro non deve quindi necessariamente contrastare l’intera forza generata dalla pressione della plastica.
Il meccanismo inclinato trasforma la forza.
Il Vega Team ha stimato che la forza effettivamente trasmessa al cilindro potesse ridursi a circa:
3.900–4.400 kgf
a seconda del coefficiente di attrito.
Questa è una delle lezioni più importanti del caso.
La pressione nella cavità determina la forza iniziale, ma è la geometria dello stampo a determinare quale parte di quella forza arriva realmente al cilindro.
6. Perché l’attrito produce un intervallo
Il Vega Team non ha indicato un unico valore, ma un intervallo:
3.900–4.400 kgf.
La ragione è il coefficiente di attrito del meccanismo.
In una situazione ideale e completamente priva di attrito, il calcolo sarebbe più semplice.
In uno stampo reale, invece, possono influire:
- lubrificazione;
- rugosità delle superfici;
- materiali a contatto;
- pressione di contatto;
- usura;
- allineamento;
- condizioni di montaggio.
Per questo è spesso più corretto lavorare con un intervallo realistico piuttosto che con un singolo valore teorico.
7. La forza di trazione è un problema diverso
La seconda parte dell’analisi riguarda l’estrazione.
Durante il raffreddamento, la plastica può aderire alla superficie del componente metallico.
Il cilindro deve quindi generare una forza sufficiente per estrarre il componente.
In questo caso il Vega Team ha determinato una superficie laterale complessiva di:
102,6 cm².
Questa superficie è molto diversa dalla superficie frontale utilizzata nel calcolo della spinta.
8. Il coefficiente di adesione della plastica
Per il calcolo della trazione è stato utilizzato un coefficiente di adesione della plastica pari a:
25 kg/cm².
La relazione utilizzata può essere rappresentata come:
Ftrazione = Acontatto × Kadesione
Quindi:
102,6 cm² × 25 kg/cm² ≈ 2.565 kgf
Il valore riportato dal Vega Team è circa:
2.564 kgf.
9. Perché la superficie laterale è così importante
Uno degli errori più comuni nel dimensionamento dei cilindri per stampi consiste nel considerare soltanto la superficie frontale.
Ma la superficie frontale e quella laterale hanno funzioni completamente differenti.
Superficie frontale
Determina la forza generata dalla pressione della plastica.
Superficie laterale
Determina, insieme all’adesione, la forza necessaria per estrarre il componente.
In altre parole:
spinta ≠ trazione
e le due condizioni devono essere verificate separatamente.
10. L’effetto dell’angolo di 35° sulla trazione
Anche il calcolo della trazione viene modificato dall’angolo del cuneo.
La forza teorica era:
2.564 kgf
ma, considerando il meccanismo con angolo di 35° e il coefficiente di attrito, il Vega Team ha stimato una forza effettiva di circa:
1.700–1.800 kgf.
Anche in questo caso la geometria del meccanismo riduce la forza richiesta al cilindro.
11. Riassunto del calcolo del Cliente
| Parametro | Valore |
|---|---|
| Superficie frontale | 15,57 cm² |
| Pressione ipotetica nella cavità | 500 bar |
| Forza teorica di spinta | 7.785 kgf |
| Angolo del cuneo | 35° |
| Forza effettiva di spinta | 3.900–4.400 kgf |
| Superficie laterale | 102,6 cm² |
| Coefficiente di adesione | 25 kg/cm² |
| Forza teorica di trazione | 2.564 kgf |
| Forza effettiva di trazione | 1.700–1.800 kgf |
I valori riportati nella tabella derivano dal calcolo tecnico del Vega Team.
12. Il cilindro deve essere dimensionato sulla condizione più gravosa
Una volta calcolate spinta e trazione, il progettista deve confrontarle con le capacità del cilindro.
Nel caso analizzato, la condizione di spinta risultava più gravosa:
3.900–4.400 kgf
contro:
1.700–1.800 kgf
di trazione.
Questo non significa che la trazione possa essere ignorata.
Significa che, per questa specifica applicazione, la selezione del cilindro doveva essere verificata innanzitutto rispetto alla condizione di carico più elevata.
13. Le tre alternative individuate dal Vega Team
Sulla base dei calcoli, il Vega Team ha indicato tre possibili configurazioni:
Prima soluzione
CF056
con pressione minima di lavoro:
160 bar
Seconda soluzione
CR063028
con pressione minima di lavoro:
160 bar
Terza soluzione
CR080036
con pressione minima di lavoro:
80 bar
I codici definitivi dovevano essere determinati in funzione della configurazione applicativa.
14. Perché possono esistere più cilindri adatti
Il fatto che siano state individuate tre possibili soluzioni non significa che il dimensionamento fosse incerto.
È una conseguenza del rapporto tra:
alesaggio del cilindro
e
pressione idraulica disponibile.
La forza teorica di un cilindro è:
F = P × A
e, per un pistone circolare:
A = πD² / 4
Di conseguenza, un cilindro di diametro maggiore può generare la stessa forza utilizzando una pressione inferiore.
15. Un cilindro più grande non è sempre la soluzione migliore
Aumentare l’alesaggio può sembrare la soluzione più semplice per aumentare la forza.
Ma un cilindro più grande comporta anche:
- maggiore ingombro;
- maggiore volume d’olio;
- maggiore portata richiesta per ottenere la stessa velocità;
- possibile aumento dei costi;
- maggiori dimensioni del circuito;
- eventuali problemi di installazione.
Per questo la scelta deve essere fatta considerando l’intero sistema.
Il Vega Team ha infatti proposto configurazioni differenti invece di limitarsi a sovradimensionare il cilindro.
16. Pressione della cavità e pressione idraulica non sono la stessa cosa
Questo punto merita particolare attenzione.
Nel caso Cliente:
500 bar
era la pressione ipotizzata della plastica nella cavità.
Le soluzioni cilindro considerate invece lavoravano con:
160 bar
oppure:
80 bar
come pressione minima di lavoro indicata nella valutazione.
Non c’è quindi alcuna contraddizione.
La pressione della cavità viene trasformata in una forza.
La geometria del cuneo modifica ulteriormente questa forza.
Il cilindro viene poi dimensionato sulla forza effettivamente necessaria.
17. Il percorso completo della forza
Il modo più semplice per comprendere il problema è seguire il percorso della forza:
Pressione della plastica
↓
Superficie frontale
↓
Forza generata nella cavità
↓
Geometria della slitta
↓
Angolo di 35°
↓
Attrito
↓
Forza effettivamente trasmessa
↓
Cilindro idraulico
Questo è il motivo per cui non è corretto scegliere un cilindro semplicemente partendo dalla pressione di iniezione.
18. Il percorso della forza durante l’estrazione
Durante l’apertura dello stampo il percorso cambia:
Raffreddamento della plastica
↓
Ritiro e adesione
↓
Superficie laterale di contatto
↓
Forza di estrazione
↓
Geometria del cuneo
↓
Attrito
↓
Forza di trazione del cilindro
Anche questa condizione deve essere verificata.
19. Il ruolo dell’angolo di sformo
L’angolo di sformo non è semplicemente un dettaglio geometrico.
Può influenzare in maniera importante la forza richiesta dal cilindro.
In generale, la geometria della slitta può trasformare la forza generata dalla pressione della cavità nella componente che effettivamente agisce lungo l’asse del cilindro.
Anche i contenuti tecnici pubblicati da Vega sottolineano che la scelta del cilindro deve partire dalla geometria reale dello stampo e dalla trasformazione delle forze attraverso la slitta.
Per questo motivo, modificare l’angolo di una slitta dopo aver dimensionato il cilindro può richiedere una nuova verifica.
20. Il ruolo della plastica
La forza di estrazione dipende anche dal materiale stampato.
Nel caso analizzato, il Vega Team ha utilizzato un coefficiente di adesione di:
25 kg/cm².
Questo valore entra direttamente nel calcolo della trazione.
La forza di estrazione reale può tuttavia essere influenzata da vari fattori applicativi, tra cui:
- materiale;
- ritiro;
- temperatura;
- superficie del componente;
- finitura dello stampo;
- lubrificazione;
- geometria;
- angolo di sformo.
Per questo il coefficiente di adesione deve essere scelto in relazione alla specifica applicazione.
21. Perché la temperatura può modificare l’estrazione
La plastica non presenta necessariamente la stessa condizione durante tutto il ciclo.
Durante il raffreddamento:
- il materiale si contrae;
- il contatto con l’anima può aumentare;
- la forza di estrazione può crescere;
- successivamente, con l’evoluzione della temperatura e del processo di apertura, la condizione può cambiare.
Per questo la forza di estrazione deve essere considerata come una condizione reale del ciclo di stampaggio e non semplicemente come un valore teorico indipendente dal processo.
22. Il modello dello stampo è fondamentale
Il caso Cliente dimostra anche quanto sia importante partire dal disegno reale dello stampo.
Il Vega Team ha eseguito i calcoli direttamente sulla geometria disponibile, determinando:
- superficie frontale;
- superficie laterale;
- angolo del cuneo;
- condizioni di forza.
Questo approccio è coerente con la metodologia tecnica Vega, che considera la geometria dello stampo il punto di partenza per il dimensionamento dei cilindri.
23. Non scegliere il cilindro dal catalogo come primo passo
Un approccio molto comune è:
“Quale cilindro posso installare in quello spazio?”
L’approccio corretto è invece:
“Quale forza deve realmente generare il cilindro?”
Solo dopo aver determinato la forza è possibile scegliere:
- alesaggio;
- pressione;
- corsa;
- configurazione;
- fissaggio;
- eventuali sensori.
La metodologia Vega pubblicata sul proprio blog italiano ribadisce proprio questo principio: il dimensionamento deve partire dal carico generato dal processo e dalla geometria dello stampo, non dal catalogo del cilindro.
24. Spinta, trazione e bloccaggio sono tre cose diverse
Nel caso di un cilindro idraulico tradizionale bisogna considerare principalmente:
forza di spinta
e
forza di trazione.
Nel caso di un cilindro autobloccante, può essere necessario considerare anche:
forza di bloccaggio meccanico.
Queste tre grandezze non devono essere confuse.
La documentazione tecnica Vega distingue esplicitamente la forza idraulica di spinta, quella di trazione e la capacità di bloccaggio dei cilindri autobloccanti.
25. Quando il cilindro deve anche bloccare la slitta
Se la slitta deve rimanere ferma durante l’iniezione, il progettista deve stabilire se il cilindro deve:
- semplicemente mantenere la posizione attraverso la pressione idraulica;
- oppure garantire anche un vero bloccaggio meccanico.
Nel secondo caso, un cilindro autobloccante può cambiare radicalmente il modo in cui viene progettato il sistema.
La tecnologia Vega V270CG, ad esempio, è progettata proprio per movimentare e bloccare componenti dello stampo e per sostenere direttamente la pressione di iniezione attraverso il sistema di bloccaggio meccanico.
26. Il precarico
In alcune applicazioni può essere necessario applicare un precarico.
Il precarico permette di:
- eliminare piccoli giochi;
- mantenere le superfici a contatto;
- ridurre piccoli movimenti;
- compensare determinate deformazioni elastiche;
- contribuire alla prevenzione della formazione di bave.
La metodologia tecnica Vega per i cilindri autobloccanti considera infatti il precarico come uno dei parametri da verificare insieme a forza di spinta, trazione e bloccaggio.
27. La verifica finale deve considerare l’intero ciclo
Una progettazione corretta non dovrebbe chiedersi solamente:
“Il cilindro riesce a spingere?”
Le domande corrette sono:
- Riesce a spingere?
- Riesce a tirare?
- Riesce a raggiungere la posizione?
- La corsa è sufficiente?
- La velocità è adeguata?
- La pressione disponibile è sufficiente?
- L’attrito è stato considerato?
- La geometria della slitta è stata considerata?
- Il cilindro deve anche bloccare meccanicamente?
- È necessario il precarico?
La documentazione tecnica Vega evidenzia proprio la necessità di distinguere le diverse condizioni di funzionamento del cilindro durante il ciclo di stampaggio.
28. Cosa insegna il caso Cliente
Questo caso permette di ricavare alcune regole molto pratiche.
1. Non partire dal cilindro
Partire dalla geometria dello stampo.
2. Calcolare la superficie frontale
Serve per determinare la forza generata dalla pressione.
3. Calcolare la superficie laterale
Serve per valutare l’estrazione.
4. Considerare l’angolo della slitta
Può ridurre o trasformare significativamente la forza trasmessa.
5. Considerare l’attrito
È una delle ragioni per cui il risultato può essere espresso come intervallo.
6. Calcolare separatamente spinta e trazione
Non sono la stessa condizione.
7. Distinguere pressione della cavità e pressione idraulica
Sono grandezze differenti.
8. Verificare l’intero ciclo
Il cilindro deve essere adeguato alla condizione più gravosa.
29. La metodologia di dimensionamento
Possiamo sintetizzare l’intero processo in dieci passaggi:
1. Analizzare il disegno o il modello 3D dello stampo.
2. Determinare la superficie frontale esposta alla pressione.
3. Definire la pressione della plastica.
4. Calcolare la forza teorica di spinta.
5. Analizzare la geometria della slitta.
6. Considerare l’angolo di sformo e l’attrito.
7. Determinare la superficie laterale di contatto.
8. Calcolare la forza di trazione sulla base dell’adesione della plastica.
9. Confrontare spinta e trazione con le capacità del cilindro.
10. Verificare corsa, pressione, bloccaggio, precarico e condizioni reali di funzionamento.
Questo è molto più affidabile del semplice utilizzo di una regola empirica.
Conclusione
La scelta di un cilindro idraulico per uno stampo a iniezione deve partire dalla forza realmente richiesta dal meccanismo, non dalla sola pressione della plastica e nemmeno dall’esperienza maturata su stampi precedenti.
Nel caso analizzato dal Vega Team, una superficie frontale di 15,57 cm² e una pressione ipotetica della cavità di 500 bar hanno prodotto una forza teorica di spinta di circa 7.785 kgf.
La presenza di un angolo di 35° ha però trasformato significativamente la forza, portando il valore stimato per il cilindro a circa 3.900–4.400 kgf, in funzione dell’attrito.
Per l’estrazione, la superficie laterale di circa 102,6 cm², combinata con un coefficiente di adesione di 25 kg/cm², ha prodotto una forza teorica di circa 2.564 kgf, ridotta a circa 1.700–1.800 kgf considerando la geometria del cuneo e l’attrito.
Il Vega Team ha quindi individuato tre possibili soluzioni:
- CF056 a minimo 160 bar;
- CR063028 a minimo 160 bar;
- CR080036 a minimo 80 bar.
La lezione più importante è semplice:
La pressione della cavità non determina direttamente la dimensione del cilindro. È la geometria dello stampo a trasformare la pressione in una forza che il cilindro deve effettivamente gestire.
Per questo un corretto dimensionamento deve seguire il percorso:
pressione → superficie → forza → geometria → attrito → forza effettiva → cilindro.
E durante l’estrazione:
superficie laterale → adesione → forza di trazione → geometria → attrito → cilindro.
È questo approccio che permette di evitare sia cilindri sottodimensionati, sia cilindri inutilmente grandi e costosi.
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