Quando si dimensiona un cilindro idraulico, la prima domanda è quasi sempre la stessa:
Quanto peso deve movimentare il cilindro?
Sembra un punto di partenza logico.
Dopotutto, se conosciamo la massa delle parti in movimento, calcolare la forza necessaria dovrebbe essere relativamente semplice.
Ma nella progettazione degli stampi a iniezione, la forza più importante spesso non è il peso delle parti mobili.
È la forza che nessuno calcola.
Recentemente il Reparto Tecnico Vega è stato coinvolto nella verifica del dimensionamento dei cilindri idraulici destinati a un grande sistema di espulsione di uno stampo a iniezione.
Il cliente aveva già effettuato i propri calcoli e riteneva che la forza necessaria fosse relativamente contenuta.
A prima vista, i numeri sembravano ragionevoli.
Ma dopo aver analizzato il modello 3D, il Reparto Tecnico Vega è giunto a una conclusione completamente diversa.
Il Calcolo Iniziale
Il cliente aveva correttamente analizzato il peso delle piastre mobili.
L’analisi mostrava:
- Piastra A: circa 80 kg
- Piastra B: circa 49 kg
- Massa totale in movimento: circa 129 kg
Poiché il movimento era azionato da due cilindri idraulici, la forza di trazione risultava pari a circa:
64,5 kgf per cilindro
Sulla base di questa valutazione, il cliente riteneva sufficiente l’utilizzo di cilindri di dimensioni relativamente ridotte.
Dal punto di vista puramente meccanico il ragionamento era corretto.
Ma c’era un problema.
Il calcolo considerava soltanto il peso delle piastre.
Non considerava il pezzo stampato.
Guardare Oltre la Massa in Movimento
Quando uno stampo si apre, il sistema di espulsione non deve semplicemente spostare delle piastre in acciaio.
Deve anche separare il componente plastico dallo stampo.
A seconda della geometria del pezzo, questa operazione può richiedere forze enormemente superiori al peso dell’intero sistema di espulsione.
Per questo motivo il Reparto Tecnico Vega ha richiesto il modello 3D completo e ha analizzato la geometria reale del componente.
L’analisi ha evidenziato un aspetto fondamentale.
Nel calcolo iniziale non era stata considerata l’ampia superficie laterale interna del pezzo plastico che rimaneva in contatto con i perni di espulsione durante il movimento di estrazione.
Questo dettaglio ha cambiato completamente il risultato.
La Forza Nascosta
Quando un pezzo plastico si raffredda, tende a ritirarsi attorno alle superfici metalliche dello stampo.
Di conseguenza, il sistema di espulsione deve vincere non soltanto il peso e gli attriti meccanici, ma anche:
- Il ritiro del materiale plastico
- L’adesione tra plastica e acciaio
- L’attrito sulle superfici laterali
- Le resistenze geometriche generate dalla forma del pezzo
Queste forze vengono comunemente definite forze di estrazione o stripping force.
In molte applicazioni rappresentano il fattore dominante nel dimensionamento dei cilindri.
Ed è esattamente ciò che è accaduto in questo progetto.
Misurare la Superficie Reale di Contatto
Utilizzando il modello 3D, il Reparto Tecnico Vega ha misurato la superficie laterale interna coinvolta nel processo di estrazione.
Il risultato è stato sorprendente.
La superficie totale di contatto superava:
13.000 cm²
A questo punto il peso delle piastre mobili diventava quasi irrilevante.
La forza necessaria per estrarre il pezzo era chiaramente il carico predominante.
Per simulare condizioni realistiche, Vega ha applicato un coefficiente di adesione adeguato al materiale e ha considerato la temperatura del componente durante la fase di estrazione.
Il risultato finale è stato una forza di estrazione pari a circa:
6.570 kgf
Da 64,5 kgf a 6.570 kgf
È qui che il progetto è diventato particolarmente interessante.
Il calcolo iniziale del cliente indicava:
64,5 kgf per cilindro
L’analisi ingegneristica del Reparto Tecnico Vega ha invece evidenziato una forza di:
6.570 kgf
Oltre cento volte superiore.
Non c’era nulla di sbagliato nel calcolo del cliente.
Semplicemente stava analizzando la forza sbagliata.
Il peso era stato calcolato correttamente.
Ma non era quella la forza che avrebbe determinato il successo o il fallimento dell’applicazione.
Perché la Forza di Estrazione Deve Essere Sempre Considerata
Molti calcoli di dimensionamento iniziano dalla massa in movimento.
In numerose applicazioni industriali questo approccio è corretto.
Gli stampi a iniezione, però, rappresentano un caso particolare.
Nella progettazione degli stampi, la forza di estrazione è spesso molto più elevata del peso delle parti mobili.
Tra i fattori che la influenzano troviamo:
- Tipo di materiale plastico
- Percentuale di ritiro
- Geometria del componente
- Superficie di contatto
- Temperatura dello stampo
- Finitura superficiale
- Angoli di sformo
Ignorare questi elementi può portare a un grave sottodimensionamento dei cilindri.
E un cilindro sottodimensionato può causare:
- Espulsione incompleta
- Danneggiamento dei pezzi
- Instabilità del processo produttivo
- Usura accelerata
- Guasti prematuri
La Soluzione Raccomandata
Dopo aver completato l’analisi, il Reparto Tecnico Vega ha raccomandato:
Due cilindri idraulici CM063 alimentati a 140 bar.
La scelta non è stata fatta sulla base del peso delle piastre.
È stata fatta sulla base della reale forza di estrazione del componente stampato.
In altre parole, i cilindri sono stati dimensionati per il carico reale e non per quello apparentemente più evidente.
La Differenza Tra Calcolo e Ingegneria
Questo progetto evidenzia perfettamente la differenza tra eseguire un semplice calcolo e svolgere una vera analisi ingegneristica.
Il calcolo iniziale rispondeva alla domanda:
“Quanto pesano le piastre mobili?”
L’analisi del Reparto Tecnico Vega ha invece risposto a una domanda diversa:
“Quale forza devono realmente vincere i cilindri?”
E le due domande, molto spesso, non portano alla stessa risposta.
In questo caso la differenza superava i 6.500 kgf.
Lezioni Apprese
1. Il peso non è sempre il carico dominante
Negli stampi a iniezione le forze di estrazione possono essere enormemente superiori alla massa movimentata.
2. La geometria conta
Forma del pezzo e superfici di contatto influenzano direttamente il dimensionamento del sistema.
3. La forza di estrazione non può essere ignorata
Adesione e ritiro della plastica sono spesso i fattori più importanti.
4. L’analisi del modello 3D crea valore reale
I carichi più importanti non sempre emergono dai calcoli semplificati.
5. L’ingegneria inizia dove finiscono le ipotesi
Le migliori soluzioni nascono dalla comprensione completa dell’applicazione.
Conclusioni
A prima vista questo progetto sembrava molto semplice.
Una massa di 129 kg sembrava richiedere una forza di trazione modesta.
Ma un’analisi più approfondita ha rivelato una realtà completamente diversa.
Il carico dominante non era il peso del sistema di espulsione.
Era la forza necessaria per separare il componente plastico dallo stampo.
Grazie all’analisi del modello 3D e all’identificazione delle reali forze di estrazione, il Reparto Tecnico Vega ha evitato un potenziale errore di dimensionamento e ha garantito che il sistema idraulico potesse lavorare in modo affidabile fin dall’inizio della produzione.
Perché nella progettazione degli stampi, molto spesso, la forza più importante è proprio quella che nessuno aveva calcolato.
