ITTO20000059A1 - Stampo di materiale composito per stampaggio rotazionale di materie plastiche. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Stampo di materiale composito per stampaggio rotazionale di materie plastiche",

TESTO DELIA DESCRIZIONE SFONDO DELL'INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce agli stampi per stampaggio rotazionale di materie plastiche. Lo stampaggio rotazionale è un metodo dinamico e versatile per produrre parti di materia plastica in un unico pezzo con forme anche complesse. Le dimensioni e le forme variano ad esempio da quelle di una pallina da ping-pong a quelle di un serbatoio interrabile da diecimila litri, in entrambi i casi essendo possibile applicare tale processo con un costo relativamente basso. Diffuso per usi commerciali dalla metà degli anni M0, lo stampaggio rotazionale è stato per lungo tempo identificato come una tecnica adatta alla produzione di componenti relativamente grandi, cavi, senza giunzioni. Il processo si è evoluto nel tempo consentendo di combinare molte tecniche di stampaggio in un unico processo per produrre componenti più complessi, come parti rinforzate e composte di più strati di materiali normali o schiumati. Oggi, lo stampaggio rotazionale viene usato sempre più per produrre parti con geometrie complesse per mercati innovativi, come ad esempio quelli dei condotti per la reazione interna di aerei di linea.

Sebbene questo settore industriale stia crescendo ad un tasso superiore a quello di ogni altro settore delle materie plastiche, la conoscenza ancora relativamente scarsa di esso fra gli operatori non ha consentito lo sviluppo di nuovi materiali per lo stampaggio rotazionale. Molti produttori di resine sono stati riluttanti fino ad ora ad investire per la ricerca e lo sviluppo in questo campo. Attualmente, circa l'85% delle resine usate dagli stampatori del settore rotazionale è costituito da polietilene. Cloruro di polivinile (PVC), policarbonato e poliammide costituiscono la maggior parte del restante 15%, mentre composti a base di fluoro carburi, celluloidi, polistiroli, e poliuretani sono stati usati per impieghi particolari.

Limitato in origine a plastisol a base vinilica, lo stampaggio rotazionale iniziò ad acquisire nuovi mercati nei primi anni Sessanta, quando polietileni dotati di resistenza al calore ed alle aggressioni chimiche divennero disponibili in un'ampia gamma di formulazioni. Questi polietileni ad alta e bassa densità consentirono agli stampatori di produrre contenitori per l'industria e l'agricoltura, che venivano precedentemente costruiti in metallo. Mercati per grossi serbatoi per prodotti chimici e carburanti divennero disponibili per gli stampatori nei primi anni Settanta con l'introduzione di polietileni reticolari, che fornirono resistenza chimica e resistenza all'impatto a basse temperature. Queste proprietà furono quasi raggiunte dai polietileni lineari a bassa densità, che furono introdotti alla fine degli anni Settanta e diffusi più ampiamente negli anni Ottanta. Negli anni Ottanta si è verificata anche la crescita dell'utilizzo di poliammide, polipropilene, policarbonato ed altre resine non-poliolefiniche.

Il concetto fondamentale alla base del processo rotazionale, ossia quello di ruotare uno stampo per consentire l'omogenea distribuzione di un materiale fuso sulla superficie interna di una cavità, fu applicato per la prima volta nel XIX Secolo ed alcune delle macchine costruite per le prime applicazioni commerciali più di cinquanta anni fa sono ancora in funzione attualmente. Queste considerazioni hanno contribuito alla comune erronea concezione di questo processo come una tecnologia di basso livello e di facile impiego.

Lo stampaggio rotazionale consiste di tre fasi: caricamento della resina nello stampo, riscaldamento e fusione della resina, raffreddamento e scaricamento del componente stampato. Sono note macchine a torretta multibraccio, che possono montare parecchi stampi contemporaneamente. Esse sono le attrezzature più utilizzate nel settore e sono costituite da un forno di riscaldamento, una camera di raffreddamento separata ed una torretta per spostare i bracci e gli stampi attraverso le fasi del processo. Il processo inizia con l'introduzione della resina liquida od in polvere, in quantità predefinita nello stampo. Dopo la chiusura dello stampo la macchina porta lo stampo in forno dove la temperatura può raggiungere i 400°C e riscalda stampo e resina. Quando lo stampo è riscaldato, esso ruota su due assi. La macchina usa una serie di ingranaggi per ottenere la rotazione simultanea. La continua rotazione assicura che tutte le superfici dello stampo siano in contatto con la resina fusa, che si distribuisce omogeneamente sulla superficie interna dello stampo.

A differenza delle fusioni centrifugate, che utilizzano la forza centrifuga per spingere la resina contro la superficie dello stampo, il processo di stampaggio rotazionale è caratterizzato da una velocità di rotazione molto bassa, indicativamente di circa quaranta rotazioni al minuto sull'asse minore e dodici rotazioni al minuto sull'asse maggiore. Per oggetti con forma simmetrica un rapporto di quattro a uno fra le rotazioni intorno ai due assi è usato normalmente per garantire una distribuzione uniforme della massa fusa. Lo stampaggio di oggetti di configurazione complessa richiede una vasta gamma di rapporti.

Mentre è all'interno del forno lo stampo continua a ruotare finché alle superfici interne della cavità abbia aderito tutto il materiale plastico fuso, che si addensa in uno strato uniforme. Mentre lo stampo continua a ruotare, la macchina sposta lo stampo fuori dal forno in una camera di raffreddamento, dove o l'aria o una mistura di aria ed acqua è spruzzata sullo stampo. Quando lo stampo è sufficientemente raffreddato da consentire la stabilizzazione della forma del pezzo stampato, la macchina sposta lo stampo alla stazione di apertura dove il pezzo è scaricato. Il componente può poi essere posto in una dima di formatura per controllarne il ritiro.

Il processo richiede materiali che siano disponibili sotto forma di liquido o di polvere talmente fine da scorrere come un liquido. Resine con caratteristiche di scorrevolezza sfavorevoli sono difficili da stampare e sono raramente utilizzate. Poiché il processo rotazionale è un processo a bassa pressione, a differenza dello stampaggio ad iniezione, non vi sono forze che compattino il materiale; quindi il materiale deve essere capace in sé di aderire alla superficie interna dello stampo e di compattarsi senza l'aiuto della pressione, e deve inoltre mantenere le proprie caratteristiche fisiche dopo essere stato esposto per periodi da venti a sessanta minuti a temperature variabili da 260°C a 400°C.

Lo stampaggio rotazionale è spesso usato per produrre parti piccole e grandi di forme inusuali che non possono essere prodotte in un pezzo solo con altri processi. L'uniformità di spessore, anche in parti di forma complessa, è considerata il maggior vantaggio del processo, anche rispetto allo stampaggio per soffiatura, che tende invece ad assottigliare gli spessore sugli spigoli ed alle estremità. Le basse pressioni di lavoro producono parti detensionate, una necessità in applicazioni grandi e sottoposte a carichi che richiedono quindi una resistenza alla rottura sotto stress. Lo stampaggio rotazionale può essere usato per stampare nello stesso lotto di produzione parti di colori diversi. Altre possibilità di:processo includono la capacità di stampare componenti pluristrato per migliorare la rigidità, aumentare secondo necessità lo spessore dei pezzi, ridurre gli scarti, integrare nei pezzi stampati elementi grafici che divengono parte integrante del componente.

Infine, essendo un processo a bassa pressione, lo stampaggio rotazionale richiede stampi non particolarmente robusti. Ciò favorisce l'uso di stampi poco costosi per produrre parti di grandi o complesse dimensioni. Il basso costo degli stampi rende inoltre il processo adatto per la produzione sia di prototipi, sia di piccole o grandi quantità di componenti di serie, oltre a consentire frequenti modifiche estetiche, che possono essere un vantaggio importante in mercati di nicchia.

Gli stampi di alluminio ottenuti da fusione sono di gran lunga il tipo di stampo più usato. La rapida trasmissione del calore ed il costo basso costituiscono i loro vantaggi principali. Tuttavia, gli stampi di alluminio ottenuti per fusione sono porosi e possono essere facilmente danneggiati nelle operazioni di estrazione del pezzo stampato. Sono anche utilizzati stampi di alluminio ottenuti per lavorazione meccanica, a partire da blocchi di alluminio. Tali blocchi sono usati in applicazioni che richiedono la massima precisione dimensionale e hanno anche il vantaggio di presentare superfici prive di porosità o bolle. Tuttavia essi presentano un costo elevato, che rende giustificato il loro impiego solo in casi particolari. Sono anche utilizzati stampi costituiti di lamiera di alluminio. Gli stampi di questo tipo sono impiegati nel caso di stampi a singola sede con grandi dimensioni. La maggior parte di questi stampi è costruita direttamente dagli stampatori, che saldano semplicemente insieme parti di stampo costruiti con lamiere di alluminio, o anche di acciaio. I loro vantaggi principali sono costituiti dal peso ridotto e dagli spessori di stampo uniformi. Sebbene meno comuni, gli stampi di nichel ottenuti per elettro erosione consentono un vantaggio che ·sarebbe difficile da raggiungere con altre tecniche, cioè la perfetta copiatura delle finiture superficiali che imitino il legno o il cuoio.

Non esiste tuttavia attualmente un tipo di stampo che risulti ideale sia dal punto di vista della qualità dello stampaggio, sia dal punto di vista della leggerezza e della facilità di movimentazione, sia dal punto di vista del costo.

Lo scopo dell'invenzione

Lo scopo della presente invenzione è quello di realizzare uno stampo per stampaggio rotazionale di materie plastiche che sia in grado di soddisfare in modo efficiente tutte le esigenze sopra menzionate.

L'invenzione

In vista di raggiungere tale scopo l'invenzione ha per oggetto uno stampo per stampaggio rotazionale di materie plastiche, comprendente un corpo cavo definito da due o più elementi di stampo accoppiabili fra loro, caratterizzato dal fatto che almeno parte di detto corpo è costituito da un materiale composito comprendente una resina rinforzata con fibre. Preferibilmente, il corpo dello stampo è costituito da due semistampi costituiti da un materiale composito comprendente una resina epossidica rinforzata con un tessuto di fibre di carbonio.

Grazie alla suddetta caratteristica, lo stampo secondo l'invenzione presenta una resistenza meccanica più elevata rispetto agli stampi noti di alluminio. Lo spessore della parete dello stampo può essere conseguentemente più ridotto, il che dà origine ad uno stampo di peso notevolmente basso. Questo dà luogo a due vantaggi fondamentali. Innanzitutto, lo stampo secondo l'invenzione è in grado di smaltire calore ad una velocità molto più elevata rispetto agli stampi noti, il che permette l'esecuzione di cicli di stampaggio più veloci. In secondo luogo, il basso peso dello stampo rende estremamente facile la movimentazione dello stampo stesso, con conseguenti semplificazioni dei mezzi destinati a tale movimentazione.

Inoltre, lo stampo secondo l'invenzione non presenta l'inconveniente della porosità caratteristico degli stampi di alluminio e consente l'ottenimento di pezzi con superficie finita a specchio, senza la necessità di alcuna ulteriore lavorazione.

Contrariamente al caso di uno stampo di alluminio, lo stampo secondo l'invenzione si presta anche ad essere realizzato in un sòl pezzo integrato con il telaio di sopporto dello stampo (che costituisce invece un elemento separato nel caso di stampi di alluminio ottenuti da fusione).

Infine, un ulteriore vantaggio dello stampo secondo l'invenzione è costituito da una maggiore rapidità della fase di estrazione del componente stampato dallo stampo, grazie alla notevole differenza di ritiro che si verifica fra il materiale dello stampo e il pezzo stampato, essendo il ritiro del materiale composto piuttosto basso, mentre quello delle materie plastiche non fibro rinforzate essendo in generale superiore al 2%.

Naturalmente, lo stampo secondo l'invenzione si presta, analogamente agli stampi noti, a sopportare all'interno della cavità dello stampo eventuali inserti metallici destinati ad essere annegati nella parete del pezzo stampato. Nel caso dell'invenzione occorre tuttavia evitare qualsiasi problema dovuto al differente grado di ritiro della parete dello stampo e della parete del pezzo stampato al termine dell'operazione di stampaggio. Nel caso dell'invenzione, come pure nel caso degli stampi noti, l'inserto metallico è sopportato all'interno della cavità dello stampo da una vite montata attraverso la parete dello stampo. Nel caso della presente invenzione, tuttavia, la vite è montata con possibilità di un movimento assiale limitato rispetto alla parete dello stampo, per consentire il diverso ritiro del pezzo stampato rispetto allo stampo, a seguito del raffreddamento successivo all'operazione di stampaggio. In altre parole, quando al termine dell'operazione di stampaggio la parete del pezzo stampato si allontana dalla parete dello stampo a causa del suo diverso grado di ritiro, l'inserto metallico ormai inglobato nella parete del pezzo stampato si muove con quest'ultima, provocando quindi un movimento relativo della vite di sopporto, che al termine dello stampaggio è ancora impegnata entro l'inserto, e la parete dello stampo. Tale movimento può avvenire senza problemi, in vista del fatto che la vite è sopportata dallo stampo con il gioco assiale limitato sopra definito. Nello stesso tempo, la possibilità di tale gioco potrebbe dare origine a. movimenti indesiderati dell'inserto nel corso dell'operazione di stampaggio rotazionale. Per evitare tale inconveniente, nella forma preferita di attuazione dell'invenzione, la vite port-inserto è montata scorrevole attraverso una boccola incorporata nella parete dello stampo ed ha la sua porzione sporgente esternamente dalla boccola in contatto con materiale di attrito atto ad impedire oscillazioni assiali della vite durante operazioni di stampaggio. Preferibilmente, detto materiale di attrito è costituito da un gomitolo di rete di materiale metallico disposto entro un corpo metallico a bicchiere che è pure inglobato nella parete dello stampo, la suddetta boccola essendo disposta entro un'apertura centrale della parete di fondo di detto elemento a bicchiere.

Secondo un'ulteriore caratteristica preferita dell'invenzione/ i due seraistampi presentano bordi periferici accoppiabili testa a testa provvisti di rispettive guarnizioni destinate ad essere in reciproco contatto nella condizione chiusa dello stampo, dette guarnizioni essendo costituite di materiale anti-aderente, ad esempio PTFE, e presentando preferibilmente una sezione trasversale a doppio T. Ciascuna delle guarnizioni segue il bordo periferico del rispettivo semistampo e presenta porzioni che seguono le parti curve dello stampo aventi una sezione ridotta ad andamento ondulato che facilita la piegatura della guarnizione in corrispondenza di tali porzioni curve.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno dalla descrizione che segue con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:

- la Figura 1 è una vista in sezione di un esempio di stampo secondo 1'invenzione,

- la Figura 2 è una vista in sezione in scala ampliata di un particolare dello stampo della figura 1,

- la Figura 3 è un'ulteriore vista in sezione in scala ulteriormente ampliata di un ulteriore dello stampo della figura 1, e

- la Figura 4 è una vista in sezione secondo la linea IV-IV della figura 1, in scala ampliata.

Nella figura 1, il numero 1 indica nel suo insieme uno stampo per lo stampaggio rotazionale di un contenitore cavo di materia plastica. Lo stampo 1 è costituito da due semistampi 2, 3 aventi rispettive flange periferiche 4, 5 accoppiate testa a testa fra loro. Il semistampo 2 è realizzato in un sol pezzo con un corpo 6 portante viti 7 per il fissaggio dello stampo ai mezzi (non illustrati) destinati a movimentarlo durante l'operazione di stampaggio rotazionale.

Secondo l'invenzione/ i due semistampi 2, 3 sono entrambi costituiti in un materiale composito, comprendente una resina epossidica rinforzata con un tessuto di fibra di carbonio.

Naturalmente, l'invenzione non esclude l'impiego di materiali compositi diversi da quello qui citato a titolo di esempio. Come visibile anche in dettaglio nella figura 3, le due flange periferiche 4, 5 hanno annegate in esse due guarnizioni periferiche 7, 8 che sono in contatto testa a testa fra loro nella condizione chiusa dello stampo illustrata nei disegni. Le due guarnizioni 7, 8 sono realizzate in un materiale anti-aderente, tipicamente PTFE e sono costituite ciascuna da un profilato con sezione trasversale a doppio T, come visibile chiaramente nella figura 3. La funzione delle due guarnizioni 7, 8 è quella di impedire, nella condizione chiusa dello stampo, il trafilamento di materia plastica dalla cavità interna allo stampo verso: l'esterno, durante l'operazione di stampaggio, cosi da evitare la presenza di bave nel pezzo ottenuto a fine stampaggio. Ciascuna delle due guarnizioni 7, 8 si estende per tutta la periferia del rispettivo semistampo, seguendo le parti curve di quest'ultimo. In corrispondenza di tali parti curve, ciascuna delle guarnizioni 7, 8 presenta una sezione ridotta 9, con superfici opposte dentellate 10, 11 (vedere figura 4) al fine di favorire la piegatura della guarnizione.

L'uso del materiale composito per realizzare lo stampo 1 consente di ottenere tutti i vantaggi che sono stati già elencati in dettaglio nella precedente descrizione. Un possibile inconveniente dell'uso del materiale composito sarebbe connesso all'impiego nello stampo di viti destinate a sopportare all'interno della cavità dello stampo degli inserti metallici destinati ad essere inglobati nel pezzo stampato. Infatti, a causa del differente grado di ritiro del materiale composito costituente lo stampo rispetto al materiale plastico costituente il pezzo stampato, il raffreddamento che si verifica al termine dell'operazione di stampaggio comporta un distanziamento relativo della parete del pezzo stampato rispetto alla parete adiacente dello stampo. Poiché in generale gli inserti metallici sono portate da viti montate nella parete dello stampo, il suddetto distanziamento relativo porterebbe ad inconvenienti. Per questo motivo, l'invenzione prevede la possibilità di montare un inserto metallico nel modo illustrato nella figura 2 dei disegni annessi. In tale figura è illustrato, a puro titolo di esempio, un inserto metallico 12 in forma di boccola, che risulta inglobata nella parete 13 del pezzo stampato al termine dell'operazione di stampaggio. Prima dello stampaggio, la boccola 13 è sopportata all'interno della cavità 14 dello stampo da una vite 15 che è montata in una porzione 16 della parete dello stampo. Più precisamente, la vite 15 è avvitata in un foro filettato 17 della boccola 12 ed è montata scorrevole in una boccola 18 di materiale anti-aderente, tipicamente PTFE, annegata nella parete 16 dello stampo. La vite 15 presenta una porzione 15a sporgente all'esterno della boccola 18 che è disposta entro una cavità 19 di un elemento a bicchiere 20, di materiale metallico che è annegato anch'esso entro una porzione in rilievo 16a della parete 16 e che ha una parete di fondo 21 con un'apertura centrale entro cui è incorporata la boccola 18. A seguito del montaggio scorrevole della vite 15 nella boccola 18, la vite 15 è suscettibile di compiere un movimento assiale rispetto alla parete dello stampo 16. Tuttavia, tale movimento assiale è limitato in entrambe le direzioni. Più precisamente, il movimento è limitato in direzione della cavità interna 14 dello stampo dall'impegno di una superficie d'arresto 22 di una manopola 23 connessa all'estremità esterna della vite contro una piastra 24 che chiude la bocca dell'elemento a bicchiere 20 e che ha un'apertura centrale attraversata dalla vite 15. Il movimento assiale della vite 15 verso l'esterno è invece limitato dall'impegno di un anello spaccato 25 montato sopra la porzione 15a della vite contro la superficie inferiore della piastra di chiusura 24.

Come già sopra indicato, prima dell'esecuzione dell'operazione di stampaggio, ossia prima che la parete 13 illustrata nella figura 2 sia realizzata, la vite 15 viene montata entro la boccola 18 con la sua estremità avvitata nell'inserto 12 in modo da sopportare tale inserto all'interno della cavità 14, durante l'operazione di stampaggio. A stampaggio utilizzabile in luogo di quello illustrato a puro titolo di esempio.

Dalla descrizione che precede, risulta evidente che lo stampo secondo l'invenzione consente di ottenere una molteplicità di vantaggi sia dal punto di vista della qualità del pezzo stampato, sia dal punto di vista della semplificazione delle attrezzature di stampaggio derivante dal minor peso dello stampo, sia di ulteriori vantaggi che sono già stati descritti in dettaglio più sopra.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, i particolari di costruzione e le forme di attuazione potranno ampiamente variare rispetto a quanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

Claims (1)

1. 4. Stampo secondo la rivendicazione 3, *- caratterizzato dal fatto che detta vite porta inserto (15) è montata scorrevole attraverso una boccola (18) incorporata nella parete (16) dello stampo, ed ha la sua porzione sporgente esternamente dalla boccola (18) in contatto con materiale di attrito (26) atto ad impedire oscillazioni assiali della vite (15) durante l'operazione di stampaggio. 5. Stampo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto materiale di attrito è un gomitolo di rete di materiale metallico (26) disposto entro un elemento metallico a bicchiere (20) che pure è inglobato nella parete (16) dello stampo, la suddetta boccola (18) essendo * disposta entro un'apertura centrale della parete di fondo (21) di detto elemento a bicchiere (20). 6. Stampo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti semistampi (2, 3) presentano bordi periferici (4, 5) accoppiabili testa a testa, provvisti di rispettive guarnizioni (7, 8) destinate ad essere in reciproco contatto nella condizione chiusa dello stampo, dette guarnizioni (7, 8) essendo costituite di materiale anti-aderente. 7. Stampo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto materiale antiaderente è PTFE. 8. Stampo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che ciascuna guarnizione (7, 8) è costituita da un profilo continuo avente una sezione trasversale a doppio T. 9. Stampo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che ciascuna guarnizione (7, 8) presenta porzioni che seguono parti curve dello stampo, che presentano una sezione ristretta, con superficie dentellata su due facce opposte (10, 11) per facilitare la piegatura della guarnizione. Il tutto sostanzialmente come descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.