Quando si progettano cilindri idraulici per stampi a iniezione, una delle prime domande che ci si pone è generalmente:

“Quanta pressione agisce sul carrello?”

A prima vista, la risposta sembra semplice.

Se la pressione in cavità è nota, la forza agente sul carrello può essere calcolata direttamente.

Tuttavia, nella progettazione degli stampi, la pressione in cavità raramente corrisponde alla forza realmente applicata al cilindro idraulico.

Tra la cavità e il cilindro esiste infatti un potente trasformatore meccanico:

l’angolo del carrello.

Recentemente il Reparto Tecnico Vega è stato incaricato di verificare il dimensionamento dei cilindri idraulici di uno stampo complesso dotato di cinque carrelli indipendenti. Il cliente aveva già eseguito un’analisi dettagliata e richiedeva la validazione delle dimensioni dei cilindri selezionati.

Piuttosto che limitarsi a selezionare i cilindri da catalogo, il Reparto Tecnico Vega ha analizzato l’intero modello di calcolo, verificato la metodologia utilizzata e confermato il dimensionamento sulla base della reale geometria dello stampo.

Questo progetto dimostra perché comprendere la trasformazione delle forze sia spesso molto più importante che conoscere semplicemente la pressione di iniezione.

Le Condizioni Iniziali

Lo stampo era destinato alla produzione di componenti in ABS con un ritiro stimato pari a:

0,5%

La pressione prevista all’interno della cavità era di:

550 bar

Lo stampo era dotato di cinque carrelli indipendenti, ciascuno caratterizzato da geometrie e angoli differenti.

A prima vista, una pressione di 550 bar sembra enorme.

E in effetti lo è.

Tuttavia, il cilindro idraulico non è mai soggetto direttamente a questa pressione.

Dalla Pressione alla Forza

Il primo passaggio consiste nel trasformare la pressione di cavità nella forza totale agente sulla superficie frontale del carrello.

La relazione fondamentale è:

F = P × A

dove:

• F = forza generata;
• P = pressione in cavità;
• A = superficie frontale proiettata.

Per esempio, il primo carrello presentava una superficie proiettata pari a:

163,58 cm²

Con una pressione di cavità di:

550 bar

la forza risultante diventava:

F = 89.951 kgf

A questo punto, molti progettisti potrebbero pensare che il cilindro debba resistere a quasi 90 tonnellate.

Fortunatamente non è così.

L’Angolo del Carrello Cambia Tutto

Il carrello era progettato con un angolo di:

22°

Questo angolo trasforma la forza generata dalla pressione in una componente che agisce lungo l’asse del cilindro.

La relazione può essere espressa come:

Fcilindro = Finiezione × tan(α)

dove:

• Fcilindro = forza agente sul cilindro;
• Finiezione = forza generata dalla pressione di cavità;
• α = angolo del carrello.

Nel caso del primo carrello:

tan(22°) ≈ 0,404

Pertanto:

Fcilindro = 89.951 × 0,404 ≈ 36.340 kgf

L’angolo del carrello ha quindi ridotto il carico effettivo sul cilindro di oltre il 50%.

Questo dimostra uno dei principi fondamentali della progettazione degli stampi:

non è la pressione a determinare il cilindro, ma la geometria.

Perché Ogni Carrello Si Comporta Diversamente

L’analisi ha evidenziato che ogni carrello generava un carico differente poiché ciascuno presentava:

• una diversa superficie frontale;
• un diverso angolo di sformo;
• differenti superfici laterali di contatto;
• differenti condizioni di estrazione.

Carrello 2

Superficie proiettata:

169,84 cm²

Forza di iniezione:

93.412 kgf

Angolo:

22°

Carico sul cilindro:

37.738 kgf

Carrello 3

Superficie proiettata:

160,41 cm²

Forza di iniezione:

88.226 kgf

Angolo:

22°

Carico sul cilindro:

35.643 kgf

Carrello 4

Superficie proiettata:

87,78 cm²

Forza di iniezione:

48.278 kgf

Angolo:

16°

Carico sul cilindro:

13.842 kgf

Carrello 5

Superficie proiettata:

44,85 cm²

Forza di iniezione:

24.667 kgf

Angolo:

25°

Carico sul cilindro:

11.502 kgf

Questi risultati dimostrano come piccole variazioni dell’angolo del carrello possano modificare in modo significativo il carico applicato al cilindro.

La Forza di Iniezione È Solo Metà del Problema

La pressione di iniezione genera la forza di apertura.

Durante l’apertura dello stampo, tuttavia, il cilindro deve vincere anche un’altra forza molto importante:

la forza di adesione e di ritiro del materiale plastico.

La forza di estrazione può essere stimata mediante:

Festrazione = Acontatto × Kadesione

dove:

• Acontatto = superficie laterale di contatto;
• Kadesione = coefficiente di adesione del materiale.

Per l’ABS è stato adottato un coefficiente pari a:

15 kg/cm²

Ad esempio, il carrello 2 presentava una superficie laterale di:

74,336 cm²

ottenendo quindi:

Festrazione = 74,336 × 15 ≈ 1.115 kgf

Sebbene questa forza sia inferiore rispetto alla forza di iniezione, diventa fondamentale durante la fase di apertura.

Perché il Modello 3D È Stato Fondamentale

Uno degli aspetti più importanti di questo progetto è stato il fatto che il cliente abbia fornito il modello 3D completo dello stampo.

Questo ha permesso al Reparto Tecnico Vega di:

• misurare con precisione le superfici proiettate;
• calcolare le superfici laterali di contatto;
• determinare gli angoli reali dei carrelli;
• verificare i percorsi di trasmissione delle forze;
• validare completamente la metodologia di calcolo.

Senza la geometria completa dello stampo, nessuno di questi calcoli avrebbe potuto raggiungere un livello di affidabilità sufficiente.

La Selezione dei Cilindri Idraulici

Dopo aver validato i calcoli, il Reparto Tecnico Vega ha confermato la seguente selezione:

Carrello	Forza Calcolata	Cilindro Consigliato
Carrello 1	36.340 kgf	CG071
Carrello 2	37.738 kgf	CG071
Carrello 3	35.643 kgf	CG071
Carrello 4	13.842 kgf	CG045
Carrello 5	11.502 kgf	CG036

Tutti i cilindri sono stati dimensionati per operare a:

50 bar senza precarico.

La Differenza Tra Pressione e Forza

Questo progetto evidenzia uno dei principi più importanti della progettazione degli stampi.

Il cliente aveva inizialmente chiesto:

“Quale cilindro dobbiamo utilizzare?”

La vera domanda ingegneristica era invece:

“Come la geometria dello stampo trasforma la pressione in forza?”

La risposta dipendeva da:

• pressione di cavità;
• superficie proiettata;
• angolo del carrello;
• ritiro del materiale;
• superfici di contatto;
• geometria dello stampo.

Solo dopo aver compreso tutti questi fattori è stato possibile selezionare correttamente i cilindri.

Lezioni Apprese

1. La pressione di iniezione non coincide con la forza agente sul cilindro.

2. La geometria del carrello trasforma la pressione in carico meccanico.

3. Piccole variazioni dell’angolo generano grandi variazioni di forza.

4. L’adesione del materiale plastico deve sempre essere considerata.

5. Il modello 3D completo è indispensabile per eseguire calcoli accurati.

6. Nella progettazione degli stampi la geometria è spesso più importante della pressione.

Conclusioni

A prima vista questo progetto sembrava un semplice esercizio di selezione di cilindri idraulici.

In realtà ha richiesto un’analisi completa della pressione di cavità, delle superfici proiettate, degli angoli dei carrelli, delle forze di adesione del materiale plastico e della trasformazione delle forze.

Validando i calcoli del cliente e confermando l’intera metodologia di analisi, il Reparto Tecnico Vega ha dimostrato che il corretto dimensionamento di un cilindro idraulico non inizia dal cilindro stesso, ma dalla comprensione del modo in cui le forze si propagano all’interno dello stampo.

Perché nella progettazione degli stampi a iniezione:

550 bar non significano mai veramente 550 bar.