Stampaggio Rotazionale

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Roy J. Crawford, Waikato University, New Zealand, e Susan Gibson, JSJ Productions, Inc.

Lo stampaggio rotazionale (o rotostampaggio) è una tecnologia per la fabbricazione di prodotti plastici cavi. Questa tecnologia è nota soprattutto per la fabbricazione di serbatoi, ma molti progettisti in tutto il mondo la usano per fare una grande varietà di tipi di componenti plastici. Trova applicazione nei settori medicale, beni di consumo, utensili per agricoltura e giardinaggio, componentistica per automotive e trasporti, giocattoli, imbarcazioni da diporto, attrezzatura sportiva, arredamento, articoli per la movimentazioni materiali, e prodotti ad alto contenuto estetico per i punti vendita.

L’industria dello stampaggio rotazionale offre interessanti opportunità sia ai progettisti che agli utenti finali. Nel corso degli ultimi decenni sono stati compiuti significanti progressi tecnici, e sono stati introdotti nuovi tipi di macchinari, stampi e materiali. Grazie al fatto che gli stampatori rotazionali sono in grado di offrire parti di alta qualità e alte prestazioni a prezzi competitivi, nuovi settori di mercato stanno emergendo di continuo. La tecnologia rotazionale può finalmente oggi prendere il posto che le spetta di diritto tra i vari metodi di fabbricazione che i progettisti hanno a loro disposizione, accanto agli altri processi di stampaggio più diffusi come soffiaggio, termoformatura doppia e stampaggio ad iniezione.

Il presente articolo vuole offrire una panoramica delle principali caratteristiche dello stampaggio rotazionale. Descrive la natura fondamentale del processo e fornisce al lettore un manualetto introduttivo su alcune delle caratteristiche che devono essere prese in considerazione nella fase di progettazione di parti plastiche che si intendono stampare con il metodo rotazionale. Alcune guide più dettagliate alla progettazione per lo stampaggio rotazionale sono citate alla fine dell’articolo.

Il Processo

Il principio alla base dello stampaggio rotazionale di materie plastiche è relativamente semplice. Ed è propria la semplicità del processo a costituire la chiave del suo successo, perché consente allo stampatore di mantenere uno stretto controllo sia sulle dimensioni che sulle proprietà delle parti stampate. Fondamentalmente, lo stampaggio rotazionale consiste nel caricare un quantitativo predeterminato di polimero in polvere, granuli o forma liquida, dentro uno stampo cavo a forma di guscio. Quindi lo stampo viene riscaldato e simultaneamente fatto ruotare attorno a due assi principali in modo che il polimero al suo interno fondendosi formi uno strato aderente alle pareti interne dello stampo. Sempre in rotazione, lo stampo viene poi raffreddato in modo che il polimero fuso si solidifichi nella forma desiderata. Quando la plastica è sufficientemente indurita, la rotazione viene sospesa per permettere l’estrazione del manufatto plastico dallo stampo. Ciò che distingue questo processo dalla tecnologia della colata centrifuga sono le relativamente basse velocità di rotazione, tipicamente 4-20 giri/minuto.

La figura 1 illustra le quattro fasi principali del processo: (a) caricamento dello stampo, (b) riscaldamento dello stampo, (c) raffreddamento dello stampo, e (d) estrazione del manufatto (sformatura). Il diagramma ha puramente scopo illustrativo. Nella realtà, ci sono molti tipi di macchine commerciali e macchine personalizzate per la fabbricazione di manufatti plastici basate sul principio dello stampaggio rotazionale. La maggior parte delle grosse macchine commerciali sono del tipo a carosello. In queste macchine, uno o più stampi sono montati su un braccio che fornisce agli stampi la necessaria rotazione biassiale e li trasporta attraverso le diverse stazioni di lavoro: riscaldamento, raffreddamento e sformatura/caricamento. Spesso vengono usati tre bracci in modo che le operazioni di riscaldamento, raffreddamento e sformatura/caricamento possono essere eseguite simultaneamente su tre diversi gruppi di stampi. In alcuni casi, i bracci sono montati ad un angolo fisso di 120˚ tra uno e l’altro. In modelli più recenti, i bracci possono invece muoversi in maniera indipendente tra loro in modo che, ad esempio, gli stampi in fase di riscaldamento possono essere rimossi subito dal forno quando lo strato fuso omogeneo si è formato sulle pareti dello stampo anche prima che sia stata completata la fase di raffreddamento sul braccio che precede.

In uno degli altri principali tipi di modello di macchina, gli stampi sono sottoposti and un moto “Rock and Roll” che consiste di una rotazione di 360˚ attorno ad un asse e moto oscillatorio attorno ad un asse perpendicolare.

In ambedue i tipi di macchina sono possibili molte permutazioni nella sequenza delle operazioni di riscaldamento, raffreddamento e sformatura/caricamento. Per il riscaldamento degli stampi sono usati i metodi di riscaldamento a conduzione, ad induzione e il riscaldamento dielettrico.

Caratteristiche Distintive Dello Stampaggio Rotazionale

Lo stampaggio rotazionale è un processo a pressione atmosferica che permette di produrre pezzi essenzialmente liberi da tensioni. Il fatto che il materiale fuso non sia soggetto a tensioni mentre assume la sua forma finale costituisce uno dei maggiori vantaggi dello stampaggio rotazionale rispetto ad altri metodi di fabbricazioni di pezzi plastici. Inoltre, non essendoci forze agenti sulla plastica fusa durante la formatura, gli stampi rotazionali possono avere pareti sottili ed essere fabbricati a costi relativamente contenuti. Per i pezzi più semplici, i tempi di consegna degli stampi variano da pochi giorni a alcune settimane. Le macchine più moderne, con configurazioni a più bracci, permettono di operare simultaneamente su più stampi di dimensione e forma differenti. Anche pezzi complessi, come i serbatoi a doppia parete, che sono difficili se non impossibili da stampare con qualsiasi altro metodo, possono essere invece stampati con il metodo rotazionale, sempre a condizione che lo stampo sia stato progettato in maniera adeguata.

Quando il processo è correttamente monitorato e gestito, la tecnica di stampaggio rotazionale, a differenza del metodo del soffiaggio e della termoformatura doppia, garantisce una discreta uniformità di spessore delle pareti dei pezzi stampati. Inoltre, sempre a differenza dei processi competitivi citati sopra, non ha linee di saldatura che richiedano lavorazioni di rifilatura o altre lavorazioni post-stampaggio.

Vantaggi principali dello stampaggio rotazionale:

  • Corpo cavo realizzato in un unico pezzo senza linee di saldatura o giunzioni
  • Pezzo essenzialmente libero da tensioni
  • Stampi a costi relativamente contenuti
  • Tempi di fabbricazione degli stampi relativamente brevi
  • Discreta uniformità di spessore delle pareti (rispetto ad altri metodi di stampaggio “free surface” , come il soffiaggio)
  • Possibilità di variare la distribuzione dello spessore delle pareti senza necessità di modificare lo stampo
  • Fattibilità economica della produzione di tirature ridotte
  • Assenza di sfrido in quanto l’intera carica di materiale viene normalmente consumata per produrre il pezzo
  • Possibilità di fabbricare pezzi multi-strato, inclusi pezzi in plastica espansa
  • Possibilità di stampare contemporaneamente su una stessa macchina prodotti di tipo differente
  • Relativa facilità di co-stampare inserti all’interno del pezzo
  • Possibilità di co-stampare grafica di alta qualità nel pezzo stampato

Limiti della tecnologia dello stampaggio rotazionale:

  • Tempo ciclo produzione elevato
  • Limiti, ancor oggi, nella scelta dei materiali da stampaggio
  • Costi relativamente elevati dei materiali connessi alla necessità di speciali additivi, e al fatto che il materiale deve essere macinato a granulometria fine
  • Difficoltà nello stampaggio di alcune geometrie (come le nervature)

Tabella 1: Confronto tra le caratteristiche dei differenti processi che possono essere usati per la fabbricazione di prodotti plastici cavi.

Settori di Applicazione

Pezzi rotostampati si possono oggi trovare praticamente in tutti i settori di mercato in cui ci sono articoli di plastica, inclusi settori di alta tecnologia quali l’industria aeronautica. Il processo è particolarmente adatto per la fabbricazione di parti cave a pezzo unico o di serbatoi aperti a parete doppia. Ma lavorazioni complementari, come la scissione del pezzo o il ritaglio di pannelli, consentono di ottenere qualsiasi tipo di prodotto o serbatoio aperto a parete singola. Le parti che devono essere rimosse possono essere schermate dal calore durante lo stampaggio in modo da minimizzare lo sfrido e gli scarti a seguito delle operazioni di taglio/sbavatura. La Tabella 2 riporta alcuni esempi tipici di articoli rotostampati. Come si può vedere, la varietà dei prodotti è impressionante, e, sebbene nella maggior parte dei casi la materia prima sia il polietilene, è possibile ottenere parti strutturali di alte prestazioni mediante l’uso strategico di strutture particolare come i “kiss-off” interni tra le doppie pareti di un pezzo cavo.

Alcuni esempi di articoli rotostampati sono mostrati nelle figure 2 (a-i). Nella maggior parte dei casi, questi articoli si distinguono per finiture di alta qualità e tolleranze minime. Un aspetto chiave di questi articoli consiste nel fatto che sono tutte geometrie tridimensionali complesse, e sono tutte fatte in un unico pezzo. L’inserzione di espanso è molto comune nei pezzi rotostampati ed ha lo scopo di fornire isolamento termico o aumentare la rigidezza senza penalizzazione di peso.

Materiali

Quasi tutti i prodotti commerciali fabbricati mediante stampaggio rotazionale sono fatti di materiale termoplastico, ma sono usati anche materiali termoindurenti. A dominare il mercato degli articoli rotostampati sono le poliolefine (principalmente polietilene). Questa situazione è venuta a crearsi per una serie di ragioni. Una è che il materiale può essere facilmente convertito da granuli in polvere come richiesto dalla tecnica di stampaggio rotazionale. Un’altra è che il polietilene rimane più stabile della maggior parte degli altri polimeri durante la relativamente lunga fase di riscaldamento. Oggi, il polietilene, nelle sue molte forme, costituisce circa l’85% – 95% di tutti i polimeri usati per lo stampaggio rotazionale. Il materiale più largamente usato è il plastisol (sospensione di PVC), mentre la quota rimanente è costituita da policarbonati, nylon, polipropilene, poliesteri insaturi, ABS, acrilici, cellulosici, epossidici, fluorocarburi, fenolici, polibutileni, polistireni, poliuretani e siliconi.

In figura 3 sono riportate le quote di utilizzo di questi vari materiali. Materiali ad alte prestazioni quali nylon caricato fibra e PEEK (Polietere etere chetone) hanno buone potenzialità per un loro utilizzo nella tecnologia dello stampaggio rotazionale, ma costituiscono ancora solo una piccola quota della produzione industriale.

Stampi

Gli stampi utilizzati nello stampaggio rotazionale sono strutture a forma di guscio. Sono generalmente costituti da due semigusci, ma pezzi di una certa complessità possono richiedere stampi costituiti da tre o più parti. Lungo la linea di accoppiamento delle parti, gli stampi vengono chiusi mediante morsetti. Lo stampo è sempre fornito di uno sfiato (“breather”) in modo da bilanciare la pressione all’interno del pezzo stampato con la pressione dell’ambiente esterno. Il posizionamento dello sfiato dipende dalla natura del pezzo plastico. Ad esempio, la bocca di riempimento di un serbatoio è un posto ideale dove posizionare lo sfiato.

Gli stampi vengono più comunemente realizzati in fusione di alluminio o in lamiera d’acciaio. Quest’ultimo è il materiale preferito per pezzi di grandi dimensioni quali i serbatoi, mentre la fusione d’alluminio viene usata per pezzi più piccoli che presentano dettagli più complessi, o nei casi in cui è richiesta la fabbricazione di una serie di stampi identici. Vengono anche usati, specialmente per i manufatti in PVC, stampi placcati in nichel mediante elettroformatura o formatura a vapore. Negli ultimi anni stanno prendendo sempre più piede gli stampi realizzati mediante fresatura CNC, con conseguente miglioramento della qualità dello stampo, specialmente lungo la linea di accoppiamento delle parti. Gli stampi sono sottoposti a tensioni termiche molto elevate durante i passaggi ciclici da temperatura ambiente a temperature che superano i 300˚C (600˚F). Un’analisi agli elementi finiti degli stampi CNC garantiscono che l’alto livello di prestazione iniziale può essere mantenuto anche per lunghi periodi di tempo. Inoltre, negli stampi progettati mediante CAD/CAM è più facile realizzare una proprietà che è molto desiderabile, cioè mantenere una leggera pressione positiva all’interno dello stampo. L’automatizzazione dell’apertura dello stampo e del caricamento dello stampo sta aiutando nel ridurre i tempi del ciclo ed a migliorare l’uniformità qualitativa dei pezzi rotostampati.

Negli ultimi modelli delle macchine “Leonardo” sviluppate in Italia, stampo e macchina si integrano in una singola unità. Questo permette un controllo molto accurato sia della rotazione dello stampo, che della temperatura e della pressione all’interno dello stampo.

Guida alla Progettazione

La natura stessa dello stampaggio rotazionale crea degli effetti speciali non presenti in altri processi di fabbricazioni di manufatti plastici. Gli angoli esterni di un pezzo rotostampato tendono ad avere uno spessore maggiore di quello della parete in generale perché la polvere polimerica tende a accumularsi negli angoli esterni dello stampo. Al contrario, gli angoli interni tendono ad avere uno spessore minore perché la polvere polimerica non si sofferma in queste zone dello stampo. I raggi di raccordo consigliati per angoli interni ed esterni sono illustrati in figura 4. Generalmente parlando, ampi raggi di raccordo degli angoli interni ed esterni servono a migliorare l’uniformità di spessore della parete.

Lo stampaggio rotazionale, come soffiaggio e termoformatura, è un metodo di stampaggio “free surface”. Nello stampaggio con il metodo rotazionale si possono avere variazioni di spessore della parete, ma lo stampatore può mantenere un accurato controllo di tale spessore variando le velocità di rotazione e i l rapporto tra le velocità di rotazione attorno all’asse maggiore e all’asse minore. Inoltre, è possibile schermare certe zone dello stampo allo scopo di ridurre l’accumulo di materiale, o convogliare extra calore verso le zone dove si richiede uno spessore maggiore. Il polietilene ha un elevato tasso di ritiro, tipicamente 3-4%, ma di questo si può tener conto e ottenere tolleranze normalmente dell’1-2%. Una tolleranza di planarità del 2-5% è il meglio che si possa raggiungere considerando che nello stampaggio rotazionale il raffreddamento avviene su un solo lato. Laddove possibile, nei pezzi stampati si dovrebbe evitare di avere zone piatte estese, mentre si raccomanda il ricorso a superfici curve per mascherare gli effetti di deformazione e svergolamento. Di recente, nell’industria dello stampaggio rotazionale si sta diffondendo sempre più il metodo di raffreddamento interno con il duplice scopo di eliminare le deformazioni e di ridurre i tempi di fabbricazione.

Con lo stampaggio rotazionale è possibile ottenere filettature, sia interne che esterne, ma i profili a passo grosso sono da preferire. Per facilitare il scorrimento del materiale sullo stampo si possono usare i “flow enhancers” [spray per migliorare il flusso], prodotti commerciali che vengono spruzzati direttamente dove serve nello stampo, quali i profili delle filettature, con conseguente notevole miglioramento della qualità della riproduzione dei dettagli dello stampo.

Gli inserti metallici sono un altro elemento comunemente presente nei pezzi rotostampati. Grazie al ritiro relativamente elevato del materiale in fase di raffreddamento, lo stampaggio rotazionale garantisce che gli inserti saranno saldamente fissati nella plastica durante il processo di stampaggio. Va tuttavia notato che il ritiro del materiale introduce una tensione residua. Come spesso accade con il polietilene, è necessario essere molto cauti nell’utilizzo di inserti in pezzi stampati che dovranno essere esposti a stress ambientale con possibile formazione di cricche di tensione.

Le nervature (costolature) convenzionali sono difficili da realizzare con lo stampaggio rotazionale perché il polimero in polvere non fluisce facilmente in profondità nelle rientranze necessarie per ottenere la nervatura. In alternativa, lo stesso tipo di irrigidimento si può ottenere mediante corrugamenti, come illustrato in figura 5. Per tali corrugamenti la profondità consigliata è di circa quattro volte lo spessore del materiale , mentre la larghezza dovrebbe essere circa 5 volte lo spessore del materiale. Questo per garantire che rigidezza assiale e rigidezza trasversale risultino ben bilanciate. Speciali rinforzi strutturali efficacemente usati nello stampaggio rotazionale per aumentare la rigidezza sono i “kiss-off” (vedere figura 6). Questi sono zone in cui una speciale struttura a forma conica praticata nello stampo avvicina le due pareti del pezzo fino a “saldarle” tra loro. Il pezzo rotostampato che ne risulta ha un’elevata rigidezza e, in alcuni casi, come i bancali, viene fatta un’inserzione di espanso per ottenere un rapporto ottimale rigidezza/peso.

I progressi fatti nella progettazione degli stampi e nella qualità della polvere polimerica consentono oggi di creare tipi di costolatura di irrigidimento anche nei serbatoi rotostampati come illustrato nella figura 2(i). Queste solide nervature hanno una profondità di circa 70 mm e uno spessore di circa 10 mm.

Gli angoli di sformo (conicità) non sono di solito necessari nella femmina dello stampo perché la plastica si ritira allontanandosi dallo stampo stesso. Tuttavia, nel maschio dello stampo, dove la plastica, ritirandosi, si schiaccia sullo stampo, angoli di sformo di 1-2˚ sono di solito sufficienti (vedere figura 7). Nel caso di stampi con texture, si consiglia di aggiungere 1 grado all’angolo. I valori dell’angolo di sformo qui indicati si riferiscono al polietilene. Per materiali più rigidi, come propilene e nylon, l’angolo va incrementato un ancora di 1 grado. Materiali amorfi, come i policarbonati, richiedono in i tutti i casi un’ulteriore maggiorazione di 2 gradi.

I sottosquadra sono ammessi nello stampaggio rotazionale laddove il ritiro o la flessibilità del materiale permettono al materiale di ritirarsi allontanandosi dalle pareti dello stampo. Il progettista dovrà determinare l’entità del sottosquadra sulla base della sua conoscenza del ritiro del materiale. Sono da evitare angoli di sformo troppo ampi sui sottosquadra esterni perché il ritiro del materiale potrebbe impedire l’espulsione del manufatto. Questi effetti sono illustrati in figura 8. Si noti che i sottosquadra disegnati in figura hanno solo scopo illustrativo.

Eventuali fori nel manufatto non possono essere co-stampati usando il metodo dello stampaggio rotazionale; devono essere praticati mediante successiva lavorazione usando normali utensili da taglio. Durante lo stampaggio, è normale pratica quella di schermare le zone che dovranno successivamente essere ritagliate e questo al fine di evitare sprechi di materiale. Poiché il polietilene é difficile da verniciare, sono stati sviluppati sofisticati metodi specifici per decorare manufatti rotostampati. Ci sono varie tecniche. In una di esse, speciali decalcomanie vengono trasferite sul polietilene durante le normali operazioni di stampaggio. In altre, il trasferimento avviene dopo lo stampaggio. Ambedue i metodi sono estremamente efficaci nel garantire un’ottima grafica sui manufatti ottenuti mediante stampaggio rotazionale, come mostrato nelle figure 2(a) e 2(e).

Commenti Conclusivi

Lo stampaggio rotazionale è da sempre un metodo noto per la sua versatilità impiegato per la fabbricazione di articoli plastici. Nel corso dell’ultimo decennio, lo stampaggio rotazionale è maturato in termini di risposta alla necessità di produrre componenti rotostampati ad alte prestazioni per i settori di mercato più esigenti. Questo, tuttavia, senza che il processo perdesse i propri vantaggi: pezzi liberi da tensioni, tempi di consegna brevi ed economicità. L’industria dello stampaggio rotazionale è un settore dinamico, con stampatori e fornitori dell’industria sempre pronti a rispondere alle nuove sfide.

Bibliografia

I lettori interessati ad avere maggiori informazioni sullo stampaggio rotazionale di materie plastiche possono consultare i seguenti riferimenti bibliografici [1-8]:

1. Crawford, R.J and Kearns, M. P., Practical Guide to Rotational Moulding, 2nd edition, RAPRA Technology, Shawbury, Shrewsbury, UK (2012)
2. Nugent, P., Rotational Molding: A Practical Guide., www.paulnugent.com (2001)
3. Carvani, M., Mondini, F and Romboli, E., Rotational Moulding: Theory & Practice., Association of Rotational Moulders Australasia (2006)
4. Beall, G.L., Rotational Molding – Design, Materials, Tooling and Processing, 1998, Munich: Hanser. 245.
5. Beall, G., A Designer’s Guide to Rotationally Molding, SPE RETEC, 1999. Cleveland, Ohio, USA.
6. Dodge, P.T., Rotational Molding – The Basic Process, 1995, The Association of Rotational Molders: Chicago, Illinois. p. 14.
7. Crawford, R.J. and Throne, J.L., Rotational Molding Technology, William Andrew Publishing (now Elsevier) 2002
8. Crawford, R.J Rotational Moulding of Plastics, 2nd edition, Research Studies Press, UK (1996)