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I vantaggi dello stampo in alluminio.
Elencati qui di seguito sono alcuni dei principali vantaggi ottenibili utilizzando le leghe di Alluminio per la costruzione di stampi; alcuni sono noti, altri forse meno:
 L'importanza della lavorabilità all'utensile
Elevatissima capacità di scambio termico: raffreddamento rapido del manufatto iniettato in termoplastica
Libertà nel disegno degli spessori del particolare stampato in termoplastica
Eliminazione di molte operazioni di elettroerosione
Sfruttamento reale dei regimi HSC e VHSC con le leghe Al
Eliminazione (o forte riduzione) dei tempi di aggiustaggio
Durabilità e buon mantenimento delle superfici lavorate a specchio
Forte riduzione dei pesi: facilità di movimentazione degli stampi Al e semplificazione degli investimenti nelle infrastrutture
Flessibilità nel re-design
L'importanza della lavorabilità all'utensile
La lavorabilità di talune famiglie di leghe Al è eccellente, sia per il ridotto sforzo di taglio, sia per l'autoraffreddamento, sia per la forma del truciolo a granulo di polvere metallica.
Le leghe che meglio si prestano ad essere lavorate all'utensile sono quelle più dure e con struttura di grano ottimizzata (leghe 7xxx di II Generazione).
Si può dire che in determinate condizioni, peraltro ancora poco sfruttate, le leghe di Al si comportano al taglio dell'utensile come i materiali a base di grafite o come le resine per i modelli.
La possibilità di lavorare a velocità di taglio decisamente superiore a quelle usuali (ad esempio migliaia di metri/min) cioè da 5 a 10 volte rispetto agli acciai, mantenendo buona qualità dei taglianti e degli utensili comporta:
- In generale da sensibili a notevolissime riduzioni nei tempi di macchina utensile
- Un nuovo tipo di gestione del sistema fresatrice (lunghi periodi a macchina non presidiata)
- La possibilità di tutta una serie di lavorazioni di fresa non eseguibili sugli acciai (cave lunghe e profonde per la nervatura della plastica, angoli di sformo esatti senza ricorrere all'aggiustaggio ecc.)
- La fattibilità di "cicli diretti": un solo piazzamento seguito da sgrossatura, prefinitura e finitura, senza aggiustaggio.
Elevatissima capacità di scambio termico: raffreddamento rapido del manufatto iniettato in termoplastica
Le leghe di Al hanno una conducibilità termica fino a 7/8 volte superiore rispetto alle comuni leghe per stampi tradizionali.
L'acciaio è un pessimo conduttore del calore e la costante aggiunta a tenori sempre crescenti di cromo peggiora le già critiche caratteristiche di conducibilità termica. La banale esperienza dell'esposizione al fuoco di una comune forchetta di acciaio al cromo fino al momento del raggiungimento del colore rosso sulle punte senza che l'operatore senta il minimo disturbo né si scotti, è alla portata di tutti.
La conducibilità termica dunque, da sempre ritenuta importante nei processi ad iniezione dei materiali termoplastici, ha acquistato un rilievo particolare negli ultimi anni sia a causa del crescente contenuto di cromo degli acciai per stampi, sia dello sviluppo delle presse veloci.
Il tempo di raffreddamento in pressa costituisce il 70 ÷ 75% del tempo di ciclo per lo stampaggio ad iniezione: ogni miglioramento del coefficiente di conducibilità della lega utilizzata per lo stampo si tramuta così in una riduzione del tempo di ciclo, se la pressa ad iniezione è intrinsecamente potente e - soprattutto - veloce.
Il contrario avviene se lo stampo è isolante - di acciaio: anche con presse sempre più veloci la cadenza di apertura / chiusura è pesantemente condizionata dal tempo di raffreddamento del manufatto stampato in una cavità di metallo isolante.
In conclusione, con l'adozione dello stampo Al si può dimezzare il tempo di ciclo se la pressa per lo stampaggio (la macchina ad iniezione) è sufficientemente veloce e dotata di adeguata potenza - idraulica od elettrica - installata.
Attualmente - consapevoli dei vantaggi che lo stampo ad alto raffreddamento può dare - si stanno studiando sistemi produttivi del tipo "1 pressa singola con stampo Al" invece di "2 presse con stampo tradizionale".
Libertà nel disegno degli spessori del particolare stampato in termoplastica
La scarsissima capacità di raffreddamento e la difficile eliminazione del calore di fusione da parte degli utensili di acciaio causano delle limitazioni importanti nel disegno del particolare in termoplastica. Tali sono:
- le difficoltà di realizzare per iniezione pareti più spesse di 3 m/m
(la difficoltà o la pratica impossibilità per spessori > 5 mm)
- l'impossibilità di costruire elementi solidi (a sezione piena, come è tipico delle tecnologie delle sedie)
- le difficoltà ingenti nello stampaggio di particolari con forti variazioni di spessore
esempio 5mm —> 12,5 m/m —> 5 mm
- l'insorgere di deformazioni a causa delle forti differenze di raffreddamento: mantenimento di temperature diseguali dovute all'effetto isolante dell'acciaio
- l'obbligo di posizionare con cura nei punti critici i canali di raffreddamento del circuito dell'acqua
- la facilità raffreddamento veloce superficiale per l'ottenimento di superfici lucide, continue e compatte sovrapposte al "cuore" di plastica e "diverse" per porosità, oppure costituite da altre resine, altri fluidi.
E' proprio dalla spinta alla massima evoluzione tecnologica in relazione alle particolari performances delle leghe Al che si sono sviluppati alcuni processi speciali (propretary).
Eliminazione di molte operazioni di elettroerosione (salvo lavorazioni ristrette, locali su zone a raggio particolarmente contenuto / spigoli ecc.)
Questa particolarità dello stampo Al - veramente strategica - è una di quelle che sembra più naturale far rientrare nel cosiddetto "Uragano Tecnologico". Come noto questa definizione fu impiegata 18 mesi fa dalla rivista "Utensili ed Attrezzature" (Novembre 1999).
La quasi eliminazione dell'EDM - Electro Discharge Machining - e la conseguente riduzione di questa tecnologia a mini interventi locali ha cambiato e cambia sia il modo di concepire lo stampo, che quello di investire nell'area attrezzeria.
Ci sono molti lati per percepire la portata dell'uragano "eliminazione dell'EDM"; proviamo a descriverne alcuni.
"Non c'è processo più lento - nella costruzione dello stampo - delle varie fasi sia di lavorazione degli elettrodi, sia del successivo impiego nell'elettroerosione vera e propria" - secondo l'opinione di uno dei migliori stampisti Al dell'Italia del Nord.
Conseguenza logica, avendo a disposizione le tecnologie dello stampo Al (blocchi di leghe Al adatte, superfresatrici, ecc.): ridurre al minimo il ricorso all'EDM.
Un secondo aspetto è l'incidenza degli investimenti in macchine per elettroerosione nelle attrezzerie old fashioned. Nel passato, a causa della lentezza dei processi, bisognava moltiplicare le unità EDM: ad investimenti completati non era difficile concludere (purtroppo) che il 50%÷60% del capitale investito nell'attrezzeria risultava investito in un processo lento: l'EDM appunto.
Un aspetto tipico della lentezza connessa con l'impiego dell'EDM sull'acciaio è costituito dalla necessità di riprendere tutte le cave a sezione stretta per la formatura di nervature nel particolare termoplastico.
Questa è la conseguenza della pessima superficie lasciata dalle microbruciature locali - su tutte le superfici - dal processo EDM.
A parte le caratteristiche negative della tecnologie dell'EDM sull'acciaio a cui si ovvia con la fresatura delle leghe Al, l'aspetto di gran lunga più pesante è quello conseguente al turnover degli investimenti.
Un'attrezzeria tradizionale per stampi-acciaio con investimenti "a lungo ammortamento" costituita per il 60% da macchine / processi lenti tipici per l'acciaio, quali le batterie delle macchine per EDM, costituisce un blocco molto difficilmente aggiornabile. Nella realtà l'aggiornamento, nel senso del ricorso graduale alle leghe per stampi di 2a generazione è molto arduo "a cose fatte" (con investimenti del tutto già effettuati) : gli investimenti tradizionali condizioneranno fino a fine vita l'impostazione dell'attrezzeria stessa. Per captare nelle migliori condizioni il nuovo business -stampi veloci, presse ad alta cadenza - bisognerà pensare ad un'attrezzeria dotata di attrezzature in gran parte differenti.
Da ciò in molti casi la scelta di alcuni grandi gruppi di dotarsi di un reparto Al Tooling completamente separato, ex novo.
Sfruttamento reale dei regimi HSC e VHSC con le leghe Al
Nonostante le velocità di taglio per le leghe leggere siano notevolmente superiori (particolarmente con le superfresatrici) la durata degli utensili migliora per un fattore come minimo 10x fino a 50x rispetto agli acciai.
In molti casi è possibile utilizzare con costi sensibilmente minori utensili in acciaio super rapido (specialmente con elevati contenuti di Co).
La possibilità di lavorare a regimi di taglio praticamente impossibili sull'acciaio sta portando a due conclusioni : - che l'alta velocità (in continuo) viene raggiunta realmente, e sfruttata su larga scala e con continuità, solo fresando leghe leggere; - che i regimi di Very High Speed Cutting siano del tutto esclusi per gli acciai.
Nel caso degli acciai, particolarmente in sgrossatura, si può più propriamente parlare di lavorazione ad alta produttività HPM - High Productivity Machining - in luogo di fresatura ad alta velocità. La differenziazione fra i due regimi è recentissima, vedere diagrammi nel box dedicato alle superfresatrici.
Eliminazione (o forte riduzione) dei tempi di aggiustaggio
Qui parliamo ad esempio della ripresa degli angoli di sforno delle superfici, con particolare riguardo a zone raggiungibili solo con utensili aventi rapporto lunghezza/ Ø elevato.
Gli errori di taglio (generazione della superficie reale da parte dell'utensile) possono essere tanto più elevati rispetto al profilo teorico dalle matematiche - vedere linea continua nella figura quanto più l'utensile lavora in condizioni critiche tendendo a flettere sulle superfici di acciaio particolarmente in profondità. L'errore andrà corretto con un ciclo (lento e particolarmente oneroso) di aggiustaggio.
Durabilità e buon mantenimento delle superfici lavorate a specchio
L'Alluminio non arrugginisce! Questa tipica asserzione, che fa parte della vita di ogni giorno per coloro che lavorano le leghe leggere abitualmente, ha acquistato un rilievo notevole quando ci si è resi conto che lo stampo di acciaio invece arrugginisce abbastanza rapidamente, particolarmente in determinate condizioni climatiche.
Come è già stato detto, la soluzione per le leghe usuali per stampi di tipo tradizionale (gli acciai) risiede nell'incremento del tenore di cromo delle analisi specifiche per blocchi stampi.
Sfortunatamente questo tipo di soluzione (in parte già adottata) si scontra frontalmente con il già scarso livello di conducibilità termica degli acciai per stampi che originariamente erano "senza" o a "basso cromo". Elevando il contenuto di cromo decresce ulteriormente la già scarsa conducibilità termica. Aumenta ulteriormente la conflittualità con la conduzione veloce delle presse.
Forte riduzione dei pesi: facilità di movimentazione degli stampi Al e semplificazione degli investimenti nelle infrastrutture
L'effetto positivo dello stampo leggero sull'usura delle macchine ad iniezione, sulla loro dinamica (accelerazioni e frenate), come pure sulle potenze in gioco è ormai abbastanza noto.
Diverso e per certi aspetti nuovo è il caso dello studio di capannoni per i nuovi reparti dove l'aver posto il peso dello stampo col peso massimo a livello di 10 ton (stampi Al di 2a generazione) invece di 30 ton (acciaio) ha permesso di alleggerire non solo le vie di corsa ma anche le colonne e le fondazioni delle colonne stesse.
Flessibilità nel re-design
Il miglioramento dei tempi e dei costi, la semplificazione degli accorgimenti necessari per determinati profili in termoplastica, uniti a tutti i fenomeni tipici dello stampo Al visti in precedenza, permettono l'ottenimento di profili e di componenti anche molto complessi con stampi a minima difficoltà tecnologica ed in definitiva a minimo rischio e costo. La velocità di ottenimento del new design in funzione della fase conclusiva favorisce enormemente l'approntamento dei nuovi cataloghi. Un esempio che per certi aspetti è sensazionale è il caso del composter in polipropilene di figura.
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