Particolari estetico-funzionali realizzati con stampi da tecnologia additiva

Durante la scorsa edizione di A&T 2019, si è tenuta la terza edizione del Premio Innovazione 4.0. Tra le memorie presentate, riportiamo quella che è risultata la prima classificata nella categoria “Aziende”. Un’interessante relazione sulla produzione di stampi in tecnologia additiva.

A cura del Team R&D – Prototype & Startup ABB Vittuone (MI)

ABB è un leader tecnologico all’avanguardia con un’offerta completa per le industrie digitali. Con una storia di innovazione lunga più di 130 anni, ABB è oggi leader nelle industrie digitali con quattro business leader a livello globale, orientati al cliente: Electrification, Industrial Automation, Motion e Robotics & Discrete Automation, supportate dalla piattaforma digitale ABB Ability™. ABB opera in oltre 100 paesi con circa 147.000 dipendenti.
In Italia ABB è presente con unità operative ripartite nel nord e nel centro del Paese e ha raccolto negli anni le esperienze e le competenze di molti dei più noti marchi del comparto elettromeccanico nazionale. Oggi il Gruppo è presente nel nostro Paese con 5.799 dipendenti (dato al 31.12.2017).
Nel 2017 le esportazioni sui ricavi hanno rappresentato il 62% delle vendite totali. ABB Italia investe il 3,2% del suo fatturato in attività di ricerca e sviluppo.
Nell’ambito del business Electrification, all’interno della Business line Smart Buildings, i Dipartimenti di R&D e Prototype & Startup cercano di attuare la filosofia aziendale valutando e sperimentando approcci innovativi alla realizzazione di prototipi estetico-funzionali affiancandoli a quelli più convenzionali e tradizionali. L’obiettivo è avere un ampio ventaglio di processi prototipali e produttivi per la realizzazione del miglior prodotto necessario in un dato momento – sia esso estetico, dimensionale, funzionale, materico, ecc. – ottenuto nel più breve tempo possibile.

Illustrazione del problema
Per ogni azienda che si occupa di progettazione e produzione di prodotti, siano essi nuovi o un restyling di prodotti esistenti sul mercato, la possibilità di passare da un’elaborazione virtuale ad un modello reale è oggi un’esigenza indispensabile e necessaria, per poter valutare in tempi rapidi le caratteristiche di un oggetto progettato a CAD. Le soluzioni offerte dalla fabbricazione additiva nelle sue diverse forme, siano esse con deposizione di polveri, liquidi o filamenti, offrono una potenzialità concreta e fattiva per passare in un tempo molto breve dal progetto all’oggetto, analizzare pregi e difetti, valutare caratteristiche di handling e di funzionamento con altri oggetti. Talvolta però, le caratteristiche di un particolare, pensato in tecnopolimero per stampaggio ad iniezione e prototipato in stampa 3D – SLA, STL o PolyJet -, non sono in grado di soddisfare i requisiti richiesti per via del differente grado di finitura estetica, della differente elasticità – soprattutto su particolari a scatto – o delle differenti caratteristiche di comportamento alle prove di laboratorio.
La possibilità di avere un particolare stampato in tecnopolimero, con un materiale identico a quello che sarà poi il materiale definitivo dell’oggetto immesso sul mercato, potrebbe essere un fattore vincente in ottica “time to market” dello sviluppo di un nuovo prodotto, nella misura in cui si ha a disposizione un prototipo funzionale (molto vicino a quello che sarà poi messo in produzione) con tempistiche e costi implementativi particolarmente sfidanti. La soluzione tradizionale comporta la realizzazione di uno stampo rapido – in alluminio o in acciaio – che consente la realizzazione di un pezzo molto simile al particolare definitivo, ma con un incremento dei costi e dei tempi per la realizzazione del prototipo, spesso non giustificabili e non conseguibili.
La peculiarità di avere un prototipo con potenzialmente il tecnopolimero di produzione è particolarmente vincolante in settori industriali in cui è necessario combinare l’accuratezza del prototipo e le caratteristiche intrinseche del materiale. Ad esempio, nel settore degli interruttori differenziali di bassa tensione, le proprietà gassificanti dei materiali sono indispensabili durante i test di corto circuito allo scopo di controllare la dinamica e l’estensione finale dell’arco elettrico che si crea all’interno dell’interruttore a seguito dell’apertura dei contatti elettrici ed il cui modo e durata dell’estinzione comportano l’effettiva funzionalità protettiva del dispositivo stesso. Non avere il materiale corretto, implica avere delle informazioni non analizzabili ai fini del corretto sviluppo del prodotto.

Descrizione della soluzione
La soluzione proposta e attuata da ABB è la messa in atto di un processo intermedio che è un connubio tra lo stampaggio tradizionale e la stampa 3D. Ad essere realizzato in fabbricazione additiva non è pertanto l’oggetto ma bensì lo stampo per la realizzazione dell’oggetto stesso. Tale concept non è prerogativa di ABB, ma l’azienda ha spinto al massimo l’ibridazione delle due tecnologie, aggiungendo soluzioni tecnologiche proprietarie studiate sul campo, con l’intento di sfruttare al meglio le caratteristiche di entrambe le tecnologie. In questo modo è possibile da un lato superare il problema delle performance del materiale (resine o polveri) della prototipazione 3D e dall’altro ridurre tempi e costi di realizzazione di uno stampo prototipale in acciaio/alluminio che potrebbe subire variazioni e modifiche prima del dettaglio finale. Lo scopo ultimo è ottenere 20-30 prototipi nel materiale corretto, ovvero quello che si potrebbe avere successivamente in produzione.
Lo stampo è costituito dalle seguenti parti principali:
– portastampo in acciaio, adattabile e flessibile, sia all’ottenimento di oggetti di piccole e/o medie dimensioni, sia alla realizzazione di oggetti in una cavità che in multi cavità;
– inserti in alluminio, modulari e standardizzati, per adattare lo stampo all’oggetto che deve essere realizzato;
– inserto matrice, inserto punzone e tavolino di estrazione realizzati da stampa 3D con tecnologia PolyJet;
– estrattori e normalizzati da commercio.
La tecnologia additiva è quindi utilizzata per la costruzione delle due principali parti dello stampo, matrice e punzone, che daranno poi forma all’oggetto stampato. Essi sono altresì i due particolari più complessi nella costruzione di uno stampo per la realizzazione di un manufatto plastico. Pertanto, matrice e punzone dopo essere stati progettati al CAD vengono direttamente realizzati in tecnologia additiva, riducendo il tempo di costruzione di questi elementi al solo tempo di stampa, stabilizzazione del tool e ad una breve ripresa a banco. Con la stessa modalità viene realizzata la piastra del tavolino di estrazione che, ospitando gli estrattori, è direttamente collegata allo specifico oggetto creato. Parte di queste attività – stampa e stabilizzazione – possono essere fatte nelle ore notturne o comunque in assenza di operatore, saturando le risorse aziendali e ottimizzando i processi automatici.
Come descritto brevemente precedentemente, la tecnologia utilizzata per la realizzazione degli inserti matrice, punzone e tavolino è la tecnologia denominata PolyJet.
Durante il processo di stampaggio ad iniezione, il polimero viene iniettato nello stampo e lo stampo è mantenuto chiuso per un periodo di tempo sufficientemente grande da permettere la solidificazione del polimero liquido nell’impronta. Tale periodo di tempo però deve essere altresì sufficientemente basso da non rovinare, per shock termico, la superfice dello stampo realizzata in resina.
Successivamente lo stampo viene aperto ed il pezzo stampato viene staccato dallo stampo per mezzo di estrattori opportunamente posizionati in zone dello stampo che consentono l’espulsione non alterando le funzionalità e l’estetica del pezzo.
Lo stampo viene quindi raffreddato, mediante flusso di aria compressa, per un periodo che anche qui deve essere tale da permettere alla resina di riportarsi alle condizioni iniziali di funzionamento ed essere pronta per il successivo ciclo di stampaggio; tale periodo non può essere eccessivamente lungo per evitare che una prolungata permanenza ad alte temperature del polimero in tramoggia possa causare un deterioramento delle performance del polimero stesso.
Dopo una serie di cicli di iniezione – il numero di cicli varia a seconda del materiale utilizzato e dalla complessità del pezzo da realizzare – gli inserti matrice e punzone vanno sostituiti con dei nuovi.

Tecnologia PolyJet e Digital ABS Plus
PolyJet è una tecnologia di prototipazione 3D che permette la realizzazione di prototipi contraddistinti da elevata qualità della finitura superficiale e precisione (20-85 µm per elementi di grandezza inferiore ai 50 mm).
Viene utilizzata per la realizzazione di prototipi ad alto dettaglio estetico dove è richiesta la presenza di superfici lisce; pezzi complessi nonché la produzione di tools e, come riportato in questo articolo, per la realizzazione di inserti matrice/punzone per uno stampo ad iniezione termoplastica.
La tecnologia PolyJet lavora similmente ad una stampante a getto di inchiostro. Le testine di stampa depongono speciali fotopolimeri a strati di 16 µm l’uno sull’altro che vengono polimerizzati da raggi UV subito dopo essere stati depositati. I prototipi per essere realizzati richiedono l’utilizzo di un materiale per la realizzazione della struttura del pezzo, detto modello, e di un materiale che serve per dare il supporto alla struttura stessa, detto appunto supporto. Il materiale di supporto viene poi rimosso una volta terminata la stampa mediante l’uso di un getto d’acqua (possibilmente ad alta pressione per ridurre i tempi di post-processamento).
Il materiale utilizzato per la realizzazione di uno stampo da tecnologia additiva è il materiale più performante dal punto di vista di resistenza allo shock termico presente in circolazione al momento per questa tecnologia: Digital ABS Plus.
Il Digital ABS Plus è una resina che come caratteristiche termico/meccaniche si avvicina molto all’ABS, tant’è che viene comunemente chiamato “Simil-ABS”. È contraddistinto da un’elevata robustezza e resistenza termica se confrontato con tutte le altre resine fotopolimeriche. Migliora notevolmente le prestazioni meccaniche e termiche di parti e prototipi. In Tabella 1 viene riportato un confronto di alcune proprietà termo/meccaniche tra il Digital ABS ed un corrispettivo ABS per iniezione termoplastica.
Dal punto di vista meccanico le caratteristiche tecniche sono pressoché paragonabili; si ha invece una perdita di efficienza dal punto di vista termico, motivo per cui, quando si utilizza questo materiale per la realizzazione di stampi da manifattura additiva, è molto importante porre particolare attenzione ai parametri di stampaggio e alle tempistiche dedicate al raffreddamento del Digital ABS stesso.

Risultati ottenuti
Ciò che nel tempo ABB ha ottenuto sono prototipi stampati in tecnopolimero, diversi sia per dimensione che per materiale. Tra gli esempi più significativi si possono citare:
– elica anti effrazione per presa 2P+T bivalente 10/16A, stampata in PC 15%GF, sottoposta a ciclo di prova normativo presso i laboratori IMQ;
– inserto caminetto per interruttore magnetotermico, stampato in 2 semi gusci assemblabili in PA6 30%GF, sottoposto a prove di corto circuito;
– placca per serie civile, stampata in ABS, sottoposta a verifiche estetico qualitative;
– tappo estetico a scatto per porte di centralini industriali in PP;
– involucro di un interruttore magnetotermico con protezione differenziale, stampato in PA66 25%.
Di seguito si andranno ad analizzare le ultime due attività. Nel primo caso l’innovazione è stata quella di realizzare uno stampo multi-impronta, nel secondo caso si tratta di un particolare molto complesso a livello geometrico.

Tappo estetico a scatto
In questo paragrafo viene analizzata l’attività di stampaggio di un tappo estetico a scatto per porte di centralini industriali, stampato in polipropilene su stampo a 8 cavità, sottoposto alla validazione del prodotto da parte dei clienti.
L’obiettivo del progetto era realizzare 1.000 pezzi con il vincolo preciso di avere il colore corretto (grigio RAL 7035) e finitura superficiale liscia.
La realizzazione di uno stampo in prototipazione additiva è un’attività strettamente correlata alla prototipazione, che garantisce una buona qualità del pezzo fino ad un numero limitato di prototipi prodotti (10-20 pezzi). Superato questo quantitativo, la resina, con la quale sono realizzati i tasselli, può non rispondere più in maniera ottimale ai successivi cicli di stampaggio ad iniezione, non garantendo più un livello qualitativo accettabile per il prototipo stampato (ovviamente la durata di un tassello è in funzione del tipo di materiale da stampare, dalle cariche presenti nel materiale, dai parametri di stampaggio, ecc.).
La realizzazione di 1.000 pezzi con uno stampo da prototipazione additiva esula un po’ dalla natura stessa di questa tecnologia. Per cui optare per questa tecnologia in quest’attività, ha creato delle iniziali perplessità proprio in relazione al numero di pezzi da realizzare.
La scelta, vincente, in questa particolare applicazione pratica è stata quella di optare per una soluzione multi-impronta ad 8 cavità, con ogni impronta estraibile singolarmente mediante vite dedicata. In questo modo, oltre a ridurre il numero complessivo di cicli di stampa (125 in luogo dei 1.000 per una singola cavità), è stato possibile mantenere un buon livello qualitativo del pezzo da realizzare per tutta la durata del processo di stampa: quando un’impronta presentava un degrado delle prestazioni durante il ciclo di stampa, veniva sostituita con un nuovo tassello mantenendo lo stampo montato in pressa.

Analisi dimensionale
Il grado di finitura ottenuto è paragonabile ad una satinatura lieve e le tolleranze dei particolari rientrano al 90% in un range di ±0,2 mm di discostamento dal valore nominale. In Figura 4 viene riportata una scansione laser del tappo con chiusura scatto in cui si va a confrontare il pezzo stampato vs il modello nominale.
Tutte le impronte sono complessivamente comparabili e presentano delle depressioni sia sulla parte superiore del tappo, che nella zona che va ad ancorarsi al telaio. La giunzione stampo è visibile ma, apportando degli accorgimenti a livello di modellazione dei tasselli, è sicuramente possibile migliorare il risultato. Le zone di depressione sono riconducibili più alla geometria del pezzo che ad eventuali criticità nella realizzazione dello stampo prototipale 3D.
La depressione più significativa è in corrispondenza della “L”, una zona in cui la massa plastica aumenta parecchio e genera difettosità in fase di raffreddamento (risucchi) e maggiori difficoltà nello sfogo dei gas (piccoli mancati riempimenti). Equilibrare meglio le masse migliorerebbe la qualità del pezzo.
I materiali impiegati sono identici a quelli ingegnerizzati per la specifica soluzione così come identico è il comportamento del prototipo al potenziale oggetto definitivo.

Involucro interruttore differenziale
Prendiamo ora in esame l’involucro per interruttore differenziale con protezione magnetotermica per applicazioni in bassa tensione, stampato in PA66 caricato 25%GF.
In Figura 6 viene riportato il confronto della prova di montaggio dei componenti sciolti della meccanica e della catena conduttiva di neutro assemblati su un involucro realizzato con stampo da tecnologia additiva (sinistra) vs un involucro realizzato con tecnologia tradizionale. La prova di montaggio ha dato esito positivo, non evidenziando zone critiche che non consentono l’inserimento di un componente previsto dalla DIBA del prodotto preso in considerazione.
Inoltre, sempre dalla foto, si possono notare due zone (evidenziate con dei cerchi ed etichettate con 1 e 2) la cui geometria è stata semplificata al fine di aumentare la probabilità di successo nella stampa stessa.
Come descritto in precedenza, la semplificazione della geometria del pezzo ove possibile (cioè se non ha impatti a livello funzionale del prodotto) va sempre preferita con questo tipo di prototipazione.
Il prodotto è stato poi assemblato completamente e sono state effettuate manovre di rodaggio della meccanica e test del funzionamento (intervento magnetico, intervento termico, intervento differenziale e misura delle forze di sgancio della meccanica).

Benefici della tecnologia
Gli stampi realizzati da tecnologia additiva, in tutti i casi sopracitati, hanno permesso la realizzazione di prototipi estetico e/o funzionali, garantendo all’azienda il raggiungimento dei propri obiettivi, il tutto con costi e tempi ridotti ma con grandi benefici sul risultato finale. Tra i vantaggi di questa tecnologia è possibile annoverare:
– la possibilità di avere prototipi estetico/funzionali con il materiale di produzione;
– vantaggi in termini di tempo e costo se confrontati con tecnologia di prototipazione stampi in alluminio e/o acciaio;
– la possibilità di poter sperimentare diverse soluzioni al fine di decidere la miglior geometria del pezzo progettato. Piccole variazioni alla geometria del pezzo possono essere tranquillamente testate realizzando tanti tasselli in prototipazione 3D quante sono le varianti da provare.
In particolare, quest’ultimo punto è potenzialmente l’aspetto più interessante di questa tecnologia. La possibilità di testare con il minimo sforzo una serie di prototipi che variano l’uno dall’altro per delle piccole features, garantisce al progettista di prendersi il minor rischio possibile già dalla fase di sviluppo nuovo prodotto e di ridurre drasticamente i tempi di sviluppo in quanto si andranno a cancellare quelle delicate, quanto lunghe, modifiche stampo che consentono la messa a punto del pezzo stampato alle sue funzionalità.

Limitazioni della tecnologia
Dove possibile, e per mantenere la metodologia proposta competitiva a livello di accuratezza e tempistiche, la geometria del pezzo andrebbe rivista ed eventualmente semplificata, in tutte quelle features che non risultano essere funzionali per il test di prodotto (in primis eventuali sottosquadra che implicano l’utilizzo di carrelli nello stampo prototipale).
Nonostante questa limitazione possa sembrare severa (se vista in ottica di produzione di massa), in una fase di prototipazione una semplificazione della geometria, eliminando parti non strettamente necessarie a livello funzionale, consentirebbe una maggiore competitività a livello di qualità raggiungibile e di tempistiche di prototipazione dello stampo rispetto ad avere il pezzo finito potenzialmente identico al desiderata.
A livello di finitura superficiale, uno stampo da tecnologia additiva può garantire una finitura che è limitata a quella data dalla stampante 3D che realizza punzone e matrice (Ramax=0,4 µm). Se si vogliono dettagli di finitura maggiore (ad esempio, finitura a specchio Ra=0,08 µm) è necessario, ove possibile, un post processamento direttamente sul pezzo finale.

Potenziali aree applicative e di sviluppo
Uno stampo in tecnologia additiva favorisce un processo di innovazione e sviluppo in un qualsiasi settore (automotive, industriale, elettromeccanico, casalingo…) dove vengono impiegati tecnopolimeri.
Come già discusso precedentemente, questa tecnologia può essere sfruttata in diversi scenari della vita di un prodotto:
– sviluppo nuovo prodotto: il progettista può testare “contemporaneamente” differenti versioni di uno stesso particolare, in cui sono state modificate anche solo piccole zone ma che possono essere sensibili al raggiungimento delle prestazioni richieste dal mercato. Allo stesso modo possono essere testate diverse tipologie di materiali, permettendo così di scegliere il tecnopolimero più performante e riducendo i rischi progettuali già nella prima fase dello sviluppo prodotto;
– manutenzione di prodotti già immessi sul mercato: è possibile testare eventuali migliore/modifiche di un prodotto già rilasciato realizzando uno stampo da tecnologia additiva. In questo caso, da un lato si garantirebbe, non dovendo metter mano agli stampi definitivi, di non alterare la pianificazione della produzione; dall’altro consentirebbe di testare diverse tipologie di modifiche minimizzando il rischio di ricircoli, nell’eventualità in cui una modifica di prodotto non dia il risultato sperato.
I vantaggi maggiori si sono ottenuti, ad esempio, apportando modifiche ad oggetti esistenti per verificare la bontà della modifica prima di intervenire sui tool produttivi; eseguire prove funzionali e distruttive per valutare nuovi concept di prodotto prima di costruire tools definitivi; verificare il grado di appeal di un nuovo design funzionale in assenza di attrezzature produttive.