COMPONENTI STRUTTURALI TERMOPLASTICI E DESIGN: BINOMIO VINCENTE NELLE SOLUZIONI D'ARREDO

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1 COMPONENTI STRUTTURALI TERMOPLASTICI E DESIGN: BINOMIO VINCENTE NELLE SOLUZIONI D'ARREDO Una cerniera basculante nelle cucine d'alta gamma; la sostituzione di una lega metallica con termoplastici strutturali ad alta estetica salvaguardano oggi i costi di produzione e contengono il peso dell'oggetto. PRESENTAZIONE DEL PROBLEMA E da tempo che i tecnopolimeri rinforzati vengono presi in considerazione per la sostituzione del metallo negli uffici di progettazione di tutto il mondo. Non esiste infatti settore industriale che sia rimasto estraneo ad un intensa attività di sviluppo volta ad integrare importanti fasi di produzione sfruttando i vantaggi tipici dei compound strutturali stampabili mediante injection moulding. La distanza che separa i tecnopolimeri dai metalli va riducendosi man mano che crescono tanto le esigenze di chi è spinto verso materiali alternativi, quanto di chi come LATI ha fatto della libera interpretazione delle materie plastiche la propria professione. Il caso di EFFEGI Brevetti è particolarmente significativo perché esempio di come la volontà di introdurre innovazione in un settore tradizionalmente legato al metallo possa felicemente trovare successo quando supportata dall esperienza di chi alle materie plastiche ha dedicato oltre 60 anni di crescita continua. IL PROGETTO COMPLESSIVO Una cerniera dedicata a sollevare le ante basculanti dei pensili destinati a cucine domestiche di alto livello: un concetto semplice che presenta quello che, pur svolgendo un compito ben comprensibile, è in realtà un progetto decisamente raffinato e risultato ultimo di diversi studi e brevetti. Tutto il sistema è composto di diverse parti di seguito illustrate: una platina per il fissaggio al mobile dei leverismi di movimento un sistema di più leve il cui moto è reso fluido da un elemento smorzante viscoso costituito da un ammortizzatore a gas una seconda platina destinata a completare l alloggiamento del meccanismo un carter di copertura una farfalla per il fissaggio dello sportello IL PEZZO ANALIZZATO Il target fissato in EFFEGI durante il processo di revisione dell esistente e di introduzione di nuovi articoli è stato quello di eliminare la zamak dal particolare sistema di chiusura multicomponente per sportelli Fig. 1: la cerniera completa 1

2 risultato era piuttosto scadente, tanto per l estetica che per la stabilità dimensionale. Cause dei problemi indicati erano tanto la geometria del pezzo quanto la difficoltà nell applicazione della necessaria pressione di mantenimento durante la fase di impaccamento per via del rapido congelamento dei punti d alimentazione. impiegati nell arredamento di cucine domestiche di fascia alta. Il progetto nasce dall esigenza di rimpiazzare il metallo per una ragione di costi e di peso. Tutto il sistema basculante di chiusura era realizzato infatti in zamak stampata; la platina che supporta i leverismi, i carter, le leve stesse e le farfalle di fissaggio. Inutile dire che il prezzo del metallo, la densità molto elevata ed i costi di trasformazione rendevano appetibile una soluzione più vantaggiosa tanto dal punto di vista economico che industriale. Il primo pezzo su cui si è tentato l impiego di polimeri è stata la platina, ovvero quell elemento che vincola alla fiancata dell armadio tutte le parti mobili della cerniera. Fig. 2: la parte studiata tutte le strutture e le tecnologie di produzione esistenti. La platina era prodotta stampando la lega zamak iniettando il metallo con due diaframmi molto sottili lungo il fianco della geometria. Spessori, nervature e dimensionamenti erano pensati per un metallo e quindi non era stato svolto un lavoro di ottimizzazione sulla geometria. I primi manufatti in termoplastico sono stati realizzati operando sullo stampo per la zamak e di conseguenza il Inoltre i manufatti posti in opera cedevano durante le prove di apertura e chiusura della cerniera: i carichi applicati erano infatti sufficienti a provocare rotture anche su materiali dalle notevoli proprietà meccaniche. Il cedimento avveniva in una zona del pezzo dove erano palesi gli effetti negativi del cattivo orientamento della fibra di rinforzo e delle linee di giunzione: due problemi temuti dai trasformatori di tecnopolimeri ai quali è ben noto lo scadimento di prestazioni meccaniche, anche sui migliori prodotti, derivante da uno stampaggio non appropriato. APPROCCIO SULLA SINGOLA PLATINA: PROBLEMI ALLO STAMPAGGIO, ROTTURE, SCELTA DEL MATERIALE L approccio alle materie plastiche è stato basato sulla necessità di mantenere invariate Fig. 3: il sistema di alimentazione 2

3 - massima stabilità dimensionale, anche su geometrie problematiche come i piani senza nervature di irrobustimento cui si può assimilare la platina in questione Il prodotto LATIGLOSS 66 è inoltre basato su poliammide 66, quindi le condizioni di trasformazione sono ben più gestibili rispetto alle poliammidi aromatiche, non richiedendo presse equipaggiate per generare alte temperature negli stampi o nel cilindro di plastificazione. SCELTA DEL MATERIALE Massime prestazioni meccaniche ed eccellente estetica: due caratteristiche richieste tassativamente dal progetto ma che purtroppo difficilmente sono disponibili contemporaneamente a causa dei noti problemi di affioramento superficiale delle fibre di rinforzo che compromette l aspetto dei pezzi stampati. Dopo i primi tentativi con compound di poliammide aromatica rinforzata con fibra di vetro, la soluzione è stata trovata nel prodotto LATIGLOSS, una particolare formulazione che offre: - elevatissime caratteristiche meccaniche grazie al rinforzo, 50 e 60% fibra di vetro per impieghi strutturali - ottima estetica, ottenuta mediante una speciale formulazione della matrice, che rende lucida ed omogenea la superficie dei manufatti facendo risaltare la colorazione selezionata e annullando i tipici difetti estetici legati alla consistente percentuale di rinforzo fibroso contenuto. Fig. 4: l area di cedimento Anche questo aspetto, come gli stampatori sanno bene, contribuisce in modo sensibile alla gestione del costo finale del prodotto. 3

4 ANALISI STRUTTURALE, OTTIMIZZAZIONE DELLA GEOMETRIA Quando si deve progettare correttamente un manufatto in materiale polimerico, il primo passaggio da eseguire è sempre una verifica strutturale a conferma della soluzione adottata o per valutare eventuali modifiche e miglioramenti. Il calcolo è stato impostato dividendo sostanzialmente lo studio in due parti principali e verificando le condizioni di maggiore stress meccanico: 1 la fase di montaggio del pistone, momento in cui sulla platina comincia ad agire l azione esercitata dall ammortizzatore a gas deputato allo smorzamento delle fasi di apertura e chiusura dello sportello 2 l analisi dell aspettativa di vita utile del sistema, tenendo conto che l ammortizzatore esercita la sua spinta anche a sportello chiuso I manufatti realizzati con lo stampo per la zamak non superavano neppure la prima fase perché il pistone rompeva la platina praticamente subito a causa della flessione generata dagli oltre 80 kg imposti sui perni di fissaggio. Anche il calcolo FE ha confermato il cedimento, identificando correttamente tanto la zona più debole che l entità delle azioni interne fatali al manufatto e legate non tanto alla trazione imposta sul Fig. 5: il sistema cerniera completo pezzo quanto al momento flettente generato dalla posizione dell ammortizzatore. La seconda fase invece serviva per comprendere come si sarebbe comportata la cerniera per effetto del creep indotto dall azione interna costantemente esercitata dal pistone. Fig. 6: analisi strutturale, carico e vincoli 4

5 La platina è stata vincolata alla fiancata del mobile, simulato a sua volta come una superficie infinitamente rigida. Il risultato mostrava che, quand anche la platina avesse resistito all applicazione del pistone, questo l avrebbe deformata in modo considerevole dopo 10 anni di tempo. Le modifiche alla geometria si rendevano quindi necessarie, a maggior ragione perché ottimizzabili mediante analisi numeriche prima di intervenire sugli stampi. Fig. 7: nervature di irrobustimento Sulla geometria 3D sono state allora aggiunte delle nervature opportunamente posizionate e dimensionate, rivedendo anche gli spessori di alcune pareti al fine di sfruttare appieno la resa meccanica delle fibre favorendo l orientamento del rinforzo lungo le direzioni utili Sul manufatto modificato le simulazioni hanno confermato: Fig. 8: geometria originaria: spostamenti e creep - la tenuta meccanica alla forza esercitata dal pistone, con una riduzione di oltre il 50% dello sforzo concentrato nella zona in precedenza sede di rottura, che è passato da 100 MPa a poco più di 40. Fig. 9: geometria originaria: sforzi Fig. 10: geometria modificata: sforzi 5

6 Fig. 11: geometria modificata: spostamenti a creep deformazioni a creep. - la riduzione delle deformazioni generate dalla forza applicata anche a distanza di 10 anni. In particolare, la stabilità dimensionale del pezzo è stata confermata anche nel tempo e le deformazioni al di fuori del piano di appoggio sono state quantificate in poco più di 0.2 mm dopo dieci anni di funzionamento. ANALISI MOLDFLOW, OTTIMIZZAZIONE DELLO STAMPAGGIO E SESSIONI A BORDO MACCHINA E evidente come un manufatto destinato a fungere da base di fissaggio di meccanismi in movimento debba necessariamente fornire tanto una grande performance meccanica quanto un ottima planarità. Per ottenere entrambe queste caratteristiche e per valutare la fattibilità del progetto impiegando l attrezzatura esistente, il team di codesign LATI ha eseguito anche uno screening completo del processo di stampaggio simulando, mediante analisi ad elementi finiti con il software Moldflow, tutte le fasi di iniezione e mantenimento sino ad una valutazione attenta delle deformazioni risultanti. Sempre seguendo la stessa metodologia sono poi state convalidate anche le modifiche strutturali apportate al fine di contenere gli stress imposti dall elemento ammortizzante e le I risultati dell analisi fluidodinamica hanno evidenziato come la processabilità del compound strutturale ad alta estetica LATIGLOSS fosse in definitiva riconducibile a quella di un ordinario PA66 rinforzato con fibra vetro al 50 o 60%. Le temperature di stampo (80 C) e del fuso (280 C), le pressioni necessarie al riempimento e la viscosità del fuso sono infatti lontane dalle ben più impegnative condizioni di processo tipiche delle poliammidi aromatiche, ovvero di quei prodotti concepiti per offrire elevate prestazioni strutturali, alta estetica e ottima stabilità dimensionale. Il calcolo ha poi messo in evidenza i fattori maggiormente Fig. 12: analisi fluidodinamica orientamento delle fibre responsabili delle deformazioni presenti nei manufatti stampati, legate soprattutto all orientamento delle fibre lungo le nervature di rinforzo. Fig. 13: deformazione a stampaggio stimata dal calcolatore 6

7 La simulazione ha suggerito anche le soluzioni al problema, consistenti in modifiche agli spessori, alla geometria dei rinforzi, al posizionamento dei punti d iniezione e di Flow-leaders. Gli accorgimenti trovati sono stati implementati con successo sul progetto esistente grazie a sessioni di stampaggio mirate e supportate dai tecnici LATI, e verranno presi in considerazione anche in fase di rinnovo degli stampi. Il risultato finale della simulazione è stato quello di ridurre la deviazione dalla planarità della superficie d appoggio e di limitare lo spostamento relativo esistente fra le poppette di fissaggio, contenendo in tal modo le difficoltà presentate durante le fasi di assemblaggio. ESTENSIONE DEL METAL REPLACEMENT Una volta verificata la validità della sostituzione del metallo con il LATIGLOSS, l idea è stata rapidamente esportata anche ad altre parti dello stesso cinematismo sino ad arrivare ad una conversione quasi completa del progetto in favore del materiale polimerico. L ottima estetica del prodotto plastico ha permesso inoltre di esportare l intero manufatto anche su impianti a vista, destinati ad un consumo di alto livello, senza timore di scadere a livello di immagine o di appeal tecnico. La resistenza dei gradi LATIGLOSS alla temperatura ed all attacco chimico ne ha inoltre ulteriormente avvallato l impiego, grazie ad ulteriori margini di garanzia nel funzionamento. Fig. 14: da zamak a compound termoplastico 7

8 Fig. 15: il pezzo disegnato al computer EFFEGI BREVETTI Effegi Brevetti è stata fondata nel 1964 da Fiorello Giovannetti. Da allora ad oggi la nostra mission è quella di fornire all'industria del mobile soluzioni avanzate, in termini di concept e di design che possono differenziare, valorizzandola, la gamma dei prodotti delle singole aziende e rendere piacevole l'utilizzo di qualsiasi tipo di mobile. Progettiamo, sviluppiamo e produciamo soluzioni tecnologiche evolute ed eleganti in grado di risolvere le problematiche tecniche più complesse. Il team R&D, fortemente preparato, motivato e molto attento alle esigenze dei clienti, è in grado di individuare e proporre le soluzioni più funzionali. Ogni anno, in maniera continuativa, proponiamo al mercato nuovi prodotti. Ad oggi ne sono stati registrati e brevettati oltre 30 in tutto il mondo. Collaboriamo con alcuni dei più noti industrial designer italiani, perché riteniamo che un meccanismo o un elemento di fissaggio debbano coniugare funzionalità e stile e enfatizzare il mobile in cui sono inseriti. In questo contesto è stato immesso sul mercato nei primi mesi del 2007 il meccanismo EVO. EVO scaturisce da un concept semplice: realizzare un movimento di design, funzionale, con applicazioni più diffuse e rivolto ad un mercato più ampio attraverso anche un contenimento dei prezzi. Il meccanismo è destinato alle aperture di qualsiasi pensile da cucina ma anche mobili da giorno con movimenti delle ante a ribalta, pieghevoli a pacchetto, basculanti verticali e oblique. Per il montaggio del meccanismo all'interno del mobile è prevista un'unica foratura per quattro tipi di apertura possibili e una perfetta integrazione estetica anche con aperture differenti accostate. Queste aperture consentono un'ottima accessibilità al vano del mobile e grazie ad una cinematica studiata nei dettagli che garantisce anche uno sforzo minimo nelle fasi di apertura e di chiusura. La chiusura è resa soft da un ammortizzatore. Le prestazioni di EVO sono elevate anche in termini di capacità di sollevamento, e sono in grado di sollevare ante che arrivano fino a 17 kg. E proprio per mantenere queste prestazioni e contenere al contempo i costi che EFFEGI BREVETTI intraprende la ricerca di materiali innovativi e alternativi alla più utilizzata zama o ai tranciati che limitano molto le possibilità estetiche e di design. Coi materiali plastici che alle elevate prestazioni meccaniche uniscono anche tutti i vantaggi di una più varia e economica gestione delle gamme dei colori siamo riusciti a conferire al prodotto una valenza estetica e una unicità ampiamente utilizzabile dai designer per caratterizzare e impreziosire le differenti linee di mobili. Per questo prodotto la cura del design è stata affidata allo studio Paolo Nava Architetto. Nel presente proseguiamo con coerenza e decisione lo studio e sviluppo di nuove soluzioni applicative investendo molto nelle risorse umane e nella loro crescita unitamente ad una ricerca tecnologica sempre all avanguardia. 8