Un caso reale di dimensionamento basato su pressione di iniezione, superficie proiettata e adesione della plastica
La scelta del cilindro idraulico corretto per uno stampo a iniezione richiede qualcosa in più della semplice verifica dello spazio disponibile.
Quando un cilindro idraulico viene utilizzato per mantenere un’anima dello stampo nella posizione corretta durante l’iniezione, deve essere in grado di contrastare la forza generata dalla pressione della plastica fusa che agisce sulla superficie proiettata del componente.
Allo stesso tempo, il cilindro può dover generare una forza sufficiente per estrarre l’anima durante l’apertura dello stampo.
Per questo motivo, è importante valutare separatamente la forza di spinta e la forza di trazione prima di selezionare il cilindro idraulico.
Un caso reale analizzato dal Vega Team mostra in modo concreto questo metodo di dimensionamento.
Il Cliente aveva fornito un disegno dello stampo nel quale era rappresentata un’anima con il componente stampato posizionato sopra di essa e aveva richiesto a Vega di indicare quale cilindro idraulico fosse adatto a mantenere l’anima in posizione durante l’iniezione. Il materiale plastico indicato era nylon caricato con fibra di vetro.
L’analisi tecnica risultante costituisce un interessante esempio pratico di come pressione nella cavità, superficie frontale, adesione della plastica e forza di estrazione possano essere utilizzate per il dimensionamento di un cilindro idraulico.
1. Comprendere la funzione del cilindro idraulico
Prima di calcolare la forza necessaria, è fondamentale comprendere quale sia esattamente la funzione del cilindro.
In questa applicazione il cilindro idraulico può avere due funzioni differenti:
- mantenere l’anima in posizione durante l’iniezione;
- ritrarre l’anima dopo lo stampaggio.
Queste due funzioni comportano requisiti meccanici differenti.
La forza necessaria per mantenere l’anima durante l’iniezione dipende principalmente da:
- pressione della plastica nella cavità;
- superficie proiettata;
- direzione della forza;
- geometria del meccanismo.
La forza necessaria per estrarre l’anima dipende invece soprattutto da:
- superficie laterale di contatto;
- adesione della plastica;
- attrito;
- geometria dell’anima;
- condizioni di estrazione.
Di conseguenza, le due forze devono essere calcolate separatamente.
Questo è particolarmente importante negli stampi a iniezione perché un cilindro adeguato per l’estrazione dell’anima potrebbe non essere sufficiente per contrastare la pressione di iniezione.
Al contrario, un cilindro dimensionato esclusivamente sulla pressione di iniezione potrebbe risultare sovradimensionato se lo stampo dispone di un sistema meccanico capace di trasferire direttamente il carico alla struttura dello stampo.
2. Calcolare la forza di spinta
Il primo calcolo effettuato dal Vega Team riguarda la forza di spinta.
La relazione fondamentale è:
F = P × A
dove:
- F = forza di spinta;
- P = pressione della plastica nella cavità;
- A = superficie frontale proiettata.
Nel caso analizzato, la superficie frontale dell’anima era di circa:
9,2 cm²
La pressione stimata della plastica nella cavità era:
500 bar
La forza di spinta risultante era quindi di circa:
4.600 kgf
Il calcolo può essere espresso come:
9,2 cm² × 500 kgf/cm² = 4.600 kgf
Questo significa che, nelle condizioni considerate, il sistema deve contrastare una forza di circa 4,6 tonnellate-forza.
Il Vega Team prese inoltre in considerazione una seconda condizione, ipotizzando una pressione della plastica di:
700 bar
In questo caso la forza di spinta sarebbe aumentata a circa:
6.440 kgf.
3. Perché la pressione nella cavità è così importante
Le presse a iniezione possono lavorare con pressioni idrauliche molto elevate, ma per il dimensionamento dell’elemento dello stampo è fondamentale considerare la pressione della plastica che agisce effettivamente sulla superficie interessata.
La pressione idraulica della macchina e la pressione effettiva della plastica nella cavità non devono quindi essere automaticamente considerate equivalenti.
Per dimensionare correttamente il cilindro è necessario determinare la pressione che agisce realmente sul componente che deve essere mantenuto in posizione.
Una volta determinata la pressione, il secondo parametro fondamentale è la superficie proiettata.
Anche una superficie relativamente piccola può generare una forza di diverse tonnellate quando viene sottoposta a una pressione di diverse centinaia di bar.
Il blog tecnico iCVEGA descrive proprio il concetto di superficie proiettata e il suo utilizzo per determinare la forza necessaria a contrastare la pressione della cavità.
4. L’effetto dell’aumento della pressione della plastica
Il caso analizzato permette di confrontare due diverse condizioni di pressione.
Con una pressione di:
500 bar
la forza di spinta è:
4.600 kgf
Con una pressione di:
700 bar
la forza diventa:
6.440 kgf
Un aumento della pressione di 200 bar comporta quindi un aumento della forza di:
1.840 kgf
Questo dimostra una caratteristica fondamentale del dimensionamento:
a parità di superficie, la forza aumenta proporzionalmente alla pressione.
Per questo motivo, una variazione apparentemente relativamente contenuta della pressione della plastica può modificare significativamente il carico che l’anima e il cilindro idraulico devono sopportare.
5. Calcolare la forza di trazione
La seconda parte dell’analisi riguarda l’estrazione dell’anima.
Quando lo stampo si apre, il cilindro può dover ritrarre l’anima dal componente stampato.
La resistenza all’estrazione dipende, tra gli altri fattori, dall’adesione tra la plastica e la superficie metallica dell’anima.
Nel caso analizzato, la superficie laterale era di circa:
10,9 cm²
Il coefficiente di adesione della plastica utilizzato nel calcolo era:
25 kg/cm²
La forza di trazione risultante era indicata in circa:
273,5 kgf.
La forza di trazione è quindi notevolmente inferiore alla forza di spinta generata dalla pressione di iniezione.
Questo è un elemento molto interessante dal punto di vista progettuale.
Significa che, in questa specifica applicazione, la principale esigenza del sistema non è la forza necessaria per estrarre l’anima, ma la capacità di contrastare la forza generata durante l’iniezione.
6. Forza di spinta e forza di trazione
I risultati del calcolo possono essere riassunti nel modo seguente:
| Parametro | Valore |
|---|---|
| Superficie frontale | 9,2 cm² |
| Pressione stimata nella cavità | 500 bar |
| Forza di spinta | 4.600 kgf |
| Pressione alternativa considerata | 700 bar |
| Forza di spinta a 700 bar | 6.440 kgf |
| Superficie laterale | 10,9 cm² |
| Coefficiente di adesione | 25 kg/cm² |
| Forza di trazione | circa 273,5 kgf |
La differenza tra le due forze è molto significativa.
Con una pressione di 500 bar, la forza di spinta è di circa 4.600 kgf, mentre la forza di trazione è di circa 273,5 kgf.
Questo dimostra perché non sia sufficiente calcolare soltanto la forza necessaria per muovere l’anima.
È necessario capire anche quale forza essa deve contrastare durante l’iniezione.
7. Perché il materiale plastico è importante
Il Cliente aveva indicato come materiale nylon caricato con fibra di vetro.
L’indicazione del materiale è importante perché il comportamento del pezzo stampato può influenzare la forza necessaria per l’estrazione.
I materiali caricati con fibra di vetro possono presentare caratteristiche meccaniche e dimensionali differenti rispetto ai polimeri non caricati.
Per questo motivo, il materiale utilizzato dovrebbe sempre essere indicato quando viene richiesto il dimensionamento di un cilindro per un’applicazione di core pulling.
È tuttavia importante non generalizzare il valore utilizzato nel caso analizzato.
Il documento originale non fornisce infatti un coefficiente universale di adesione per il nylon caricato con fibra di vetro: utilizza semplicemente, per quel calcolo specifico, un coefficiente di adesione di 25 kg/cm².
Pertanto, questo valore deve essere considerato come parametro dell’analisi specifica, non come valore applicabile indistintamente a qualsiasi stampo o materiale.
8. La scelta del cilindro idraulico
Dopo aver calcolato le forze, il Vega Team indicò come soluzione adatta un:
CF030
Nel documento originale viene precisato che il codice definitivo era ancora da definire al momento della valutazione tecnica.
Questo dettaglio evidenzia un principio importante del dimensionamento professionale.
Il calcolo deve precedere la scelta del prodotto.
Non bisogna iniziare dalla domanda:
Quale cilindro entra nello spazio disponibile?
La domanda corretta è:
Quale forza deve generare il cilindro e quale forza deve essere in grado di contrastare?
Solo dopo aver risposto a queste domande è possibile scegliere il cilindro più appropriato.
9. Perché un cilindro compatto può essere la soluzione migliore
Gli stampi a iniezione presentano spesso forti limitazioni di spazio.
Il cilindro può dover essere installato tra:
- piastre dello stampo;
- anime;
- carrelli;
- sistemi di espulsione;
- circuiti di raffreddamento;
- collegamenti idraulici.
Per questo motivo, scegliere semplicemente un cilindro più grande non è necessariamente la soluzione migliore.
Un cilindro sovradimensionato può comportare:
- maggiore ingombro;
- maggiore consumo di olio;
- maggiori portate richieste;
- maggiori dimensioni dello stampo;
- maggiore costo;
- maggiore massa.
L’obiettivo deve quindi essere quello di individuare il cilindro più compatto che possa garantire le prestazioni richieste dall’applicazione.
La gamma attuale Vega comprende diverse famiglie di cilindri specificamente sviluppate per stampi a iniezione e pressofusione, organizzate in base alle diverse applicazioni.
10. Quando il bloccaggio meccanico cambia il dimensionamento
Esiste un’ulteriore considerazione importante quando l’anima deve rimanere perfettamente stabile durante l’iniezione.
Un cilindro idraulico tradizionale può dover mantenere la pressione per contrastare la forza generata dalla plastica.
Un cilindro con bloccaggio meccanico, invece, può trasferire il carico attraverso un sistema meccanico di bloccaggio.
Questo può cambiare radicalmente il modo in cui viene dimensionato il sistema.
La gamma Vega comprende il V270CG, un cilindro idraulico compatto autobloccante progettato proprio per applicazioni in cui è necessario movimentare e bloccare con precisione carrelli, punzoni o spine e sostenere direttamente la pressione di iniezione.
La tecnologia di auto-bloccaggio permette di separare, in determinate applicazioni, la funzione di movimentazione dalla funzione di mantenimento del carico.
Per questo motivo, quando l’applicazione richiede un bloccaggio particolarmente stabile durante l’iniezione, è opportuno valutare anche una soluzione con bloccaggio meccanico.
11. Non confondere forza di mantenimento e forza di estrazione
Una delle lezioni più importanti di questo tipo di analisi è che forza di mantenimento e forza di estrazione non sono la stessa cosa.
La forza necessaria per mantenere l’anima durante l’iniezione dipende principalmente da:
- pressione nella cavità;
- superficie proiettata;
- direzione della forza;
- geometria del sistema;
- eventuale sistema di bloccaggio.
La forza necessaria per estrarre l’anima dipende invece principalmente da:
- superficie laterale;
- adesione della plastica;
- attrito;
- geometria dell’anima;
- condizioni di estrazione.
Le due forze possono quindi essere molto diverse.
Nel caso analizzato, la forza di spinta calcolata a 500 bar era di circa 4.600 kgf, mentre la forza di trazione era di circa 273,5 kgf.
Questo è il motivo per cui entrambe devono essere considerate prima di scegliere il cilindro.
12. Un metodo pratico per il dimensionamento
Per un progettista di stampi, il seguente procedimento rappresenta un buon punto di partenza.
1. Identificare la funzione del cilindro
Stabilire se il cilindro deve:
- mantenere un’anima;
- movimentare un carrello;
- estrarre un’anima;
- bloccare un componente;
- sostenere la pressione di iniezione;
- svolgere più di una di queste funzioni.
2. Determinare la superficie proiettata
Calcolare la superficie esposta alla pressione della plastica nella direzione dello stelo.
3. Determinare la pressione nella cavità
Utilizzare la pressione prevista della plastica nella zona interessata.
4. Calcolare la forza di spinta
Utilizzare:
F = P × A
5. Determinare la superficie laterale
Calcolare la superficie sulla quale agisce l’adesione della plastica durante l’estrazione.
6. Stabilire il coefficiente di adesione
Utilizzare il valore appropriato per l’applicazione analizzata.
7. Calcolare la forza di trazione
Utilizzare il rapporto tra superficie laterale e coefficiente di adesione secondo il modello di calcolo adottato.
8. Analizzare il sistema meccanico
Verificare:
- eventuali cunei;
- sistemi di bloccaggio;
- attrito;
- allineamento;
- guide;
- spazio disponibile.
9. Selezionare il cilindro
Solo dopo aver completato i calcoli è opportuno scegliere:
- alesaggio;
- corsa;
- diametro dello stelo;
- fissaggio;
- pressione di esercizio;
- sensori.
10. Verificare l’intero sistema idraulico
Infine, occorre verificare:
- pressione disponibile;
- perdite di carico;
- portata;
- corsa;
- velocità;
- temperatura;
- frequenza dei cicli.
13. Cosa ci insegna questo caso di progettazione
La lezione più importante di questa applicazione è che il dimensionamento del cilindro idraulico deve partire dalla geometria dello stampo e dalle forze che agiscono sull’anima.
L’anima può essere relativamente piccola.
Anche il cilindro può essere fisicamente compatto.
Tuttavia, una superficie proiettata di soli 9,2 cm², sottoposta a una pressione di 500 bar, produce una forza di spinta di circa 4.600 kgf.
Se la pressione raggiunge 700 bar, la forza sale a circa 6.440 kgf.
Contemporaneamente, una superficie laterale di 10,9 cm², utilizzando un coefficiente di adesione di 25 kg/cm², porta a una forza di trazione di circa 273,5 kgf.
Questi valori dimostrano perché non sia sufficiente guardare soltanto alle dimensioni fisiche dell’anima.
Un’anima di piccole dimensioni può comunque essere sottoposta a una forza di iniezione molto elevata.
Conclusione
La scelta di un cilindro idraulico per mantenere un’anima dello stampo durante l’iniezione richiede una comprensione completa delle forze che agiscono durante l’intero ciclo di stampaggio.
Il caso analizzato dimostra una metodologia semplice ma fondamentale.
Per prima cosa si calcola la forza di spinta generata dalla pressione della plastica sulla superficie proiettata.
Successivamente si calcola la forza di trazione necessaria per estrarre l’anima, considerando la superficie laterale e l’adesione della plastica.
Nel caso esaminato, una superficie proiettata di 9,2 cm², combinata con una pressione della cavità di 500 bar, produceva una forza di spinta di circa 4.600 kgf. Considerando una pressione di 700 bar, la forza saliva a circa 6.440 kgf.
Il calcolo dell’estrazione, basato su una superficie laterale di 10,9 cm² e su un coefficiente di adesione della plastica di 25 kg/cm², portava invece a una forza di trazione di circa 273,5 kgf.
Sulla base di questi calcoli, il Vega Team indicò un CF030 come cilindro adatto, precisando che il codice definitivo era ancora da definire.
Il principio generale è quindi chiaro:
il cilindro idraulico corretto deve essere scelto in funzione delle forze generate dallo stampo, non semplicemente delle dimensioni dell’anima.
Analizzando pressione della cavità, superficie proiettata, adesione della plastica e forza di estrazione prima di selezionare l’attuatore, il progettista può evitare sia il sottodimensionamento sia un inutile sovradimensionamento.
Per applicazioni più complesse, inoltre, è importante valutare se il cilindro debba soltanto movimentare l’anima oppure anche sostenere direttamente la pressione di iniezione. In quest’ultimo caso, una soluzione con bloccaggio meccanico può rappresentare un’alternativa progettuale da prendere in considerazione.
URL utili e verificati
Questi sono i link italiani che ritengo più utili per l’articolo:
- Calcolo della forza di spinta dell’anima dello stampo — iCVEGA
Scegliere il cilindro giusto per il tassello dello stampo: forza di spinta - Cilindri idraulici per stampi — Vega Cylinders
Cilindri idraulici per stampi - Cilindri idraulici con bloccaggio meccanico — Vega Cylinders
Cilindri idraulici con bloccaggio meccanico - V270CG – cilindro idraulico compatto autobloccante
V270CG – Cilindro idraulico compatto autobloccante - Auto-bloccaggio dei cilindri idraulici — spiegazione tecnica Vega
Auto-bloccaggio dei cilindri idraulici - Catalogo cilindri idraulici Vega
Cataloghi cilindri idraulici
