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1 Seconda Università degli Studi di Napoli Facoltà di Ingegneria Laurea Specialistica in Ingegneria Meccanica Tesi di Laurea La simulazione del processo di termoformatura per materiali compositi fibrorinforzati a matrice termoplastica Relatori: Candidato Prof. Ing. Francesco Caputo Dario Chiummariello Matr. 839/101 Prof. Ing. Alessandro Soprano Correlatore: Ing. Pasquale Savino (FIAT s.p.a.) Anno Accademico 2010/2011

2 3 Termoformatura 3.1 Generalità La termoformatura è una tecnica di stampaggio a caldo, a partire da lastre o film, che avviene o sotto pressione o sotto vuoto. Questa tecnica è ampiamente usata in un campo molto vasto: dai contenitori di varia forma e utilizzo a parti per l arredamento interno dei veicoli e dei frigoriferi, alle vasche da bagno, ai bicchieri e piatti usa e getta, alle confezioni trasparenti. Si stima che la produzione mondiale ormai superi kg, ripartiti in campo mondiale secondo il grafico della figura 3.1. EUROPA 25% USA 42% ASIA 17% RESTO 8% SUDAMERIC A 8% Figura 3.1: Produzione mondiale di termoformati Generalmente ogni processo di termoformatura comprende almeno due fasi fondamentali: riscaldamento del semilavorato fino alla temperatura di rammollimento, e deformazione e stiramento dello stesso fino a fargli assumere la forma desiderata, solitamente per contatto forzato con un qualche tipo di stampo normalmente raffreddato. Di solito è presente anche una fase di taglio o tranciatura, anche se a rigore non partecipa alla termoformatura stessa. 34

3 Esistono fondamentalmente tre modi di trasmissione del calore: convenzione (uso di forni a convezione alimentati da bruciatori a gas), conduzione (riscaldamento per contatto con piastre metalliche in cui sono alloggiate resistenze), e irraggiamento (resistenze elettriche che lavorano a temperature di alcune centinaia di gradi emettono energia nelle frequenze dell infrarosso; più rapido senza problemi di contatto con superfici calde). La durata del ciclo di riscaldamento necessario per ammorbidire sufficientemente il foglio (raggiungimento della temperatura di rammollimento) dipende dal polimero, dallo spessore e dal colore che presenta. In questa fase preliminare è importante evitare che la lastra polimerica raggiunga una fluidità elevata, altrimenti non si riuscirebbe a impartire la forma desiderata a causa dell eccessiva deformabilità della lastra. Uno dei primi parametri di controllo è quindi sicuramente il corretto riscaldamento del pezzo, ossia la temperatura di rammollimento della termoplastica scelta. Quando si raggiunge questo stato termoelastico, la lastra viene tesa da forze pneumatiche (aria compressa o sottovuoto) o meccaniche, tali da farla aderire perfettamente allo stampo, il quale sarà a una temperatura pari a quell ambiente. Durante questo primo contatto con lo stampo, la termoplastica presenterà un graduale raffreddamento tale da rendere la forma più stabile conseguentemente a un aumento della rigidezza. La fase di stampaggio presenta sicuramente la maggiore complessità e varietà di soluzioni. In comparazione con gli altri processi di stampaggio, la termoformatura sotto alcuni aspetti si presenta molto competitiva rispetto alla formatura per soffiaggio e per iniezione, specialmente per quanto riguarda la realizzazione di manufatti in piccolo spessore. I vantaggi principali sono: 1) Bassi costi per unità di produzione e degli strumenti di stampaggio. Ciò è dovuto sostanzialmente al fatto che le temperature raggiunte non sono elevate (come del resto anche le pressioni utilizzate non lo sono). 2) Possibilità di realizzare componenti molto estesi in maniera semplice e rapida. 35

4 3) Ottimizzazione del numero di unità prodotte a ogni ciclo attraverso l utilizzo di una serie d impronte e di una famiglia di stampi. Mentre gli svantaggi più evidenti sono: 1) Range abbastanza limitati della forma del prodotto. 2) Distribuzione delle temperature uniformi in tutta la lastra ai fini di evitare deformazioni/contrazioni della lastra prima della formatura 3) Distribuzione non ottimale dello spessore in alcuni punti e un eccessivo livello di orientazione molecolare causata dallo stiramento. 4) Costi di produzione eccessivi, nel caso in cui il termoformato sia parte integrata di una linea di estrusione, tali da rendere più conveniente l acquisto del semilavorato anziché realizzarlo mediante questo processo. 3.2 Meccanismi di termoformatura Esistono differenti possibilità di realizzare un prodotto mediante la termoformatura. Le variazioni principali di questo processo dipendono dalla combinazione delle modalità di riscaldamento della lastra e dai meccanismi di stiramento (aria compressa, sottovuoto, meccanico). Le varianti più utilizzate sono: Termoformatura sotto vuoto Termoformatura ad azione meccanica Termoformatura sotto pressione 36

5 3.2.1 Termoformatura sotto vuoto Nella termoformatura a vuoto (Figura 3.2), una volta riscaldata la lastra alla temperatura di rammollimento, si rimuove l aria presente tra lo stampo e la lastra creando tra essi il vuoto. Lastra e stampo vengono a contatto e la prima assume la forma del secondo, copiando tutte le sinuosità. Chiaramente lavorando sottovuoto le pressioni sono limitate a una singola atmosfera, raggiungendo tipicamente il valore di 0,1 MN/m 2. L oggetto formato è più sottile negli angoli e più spesso nei margini. Questo processo si presenta come rapido e affidabile soltanto per spessori non elevati ed è ristretto a forme abbastanza semplici. Figura 3.2: Formatura sotto vuoto con lo stampo femmina (a) e con lo stampo maschio (b) Termoformatura ad azione meccanica Nella termoformatura ad azione meccanica (Figura 3.3), lo stiramento della lastra polimerica rammollita avviene per mezzo di un punzone azionato in modo pneumatico. Durante l ascesa del punzone, l aria presente tra lo stampo e la lastra è risucchiata, creando così un sottovuoto che va a completare il processo di formatura. Rispetto alla classica termoformatura a vuoto, il livello dello spessore del pezzo può essere controllato in maniera molto più accurata. Questo è imputabile al fatto che l inizio del raffreddamento della lastra avviene durante il contatto con il punzone che è a una 37

6 temperatura più bassa. La temperatura del punzone può essere regolata mediante la velocità di discesa e tramite l attrito tra le superfici di contatto. Tutto ciò dà la possibilità di ottenere una produzione molto più flessibile, quindi adattabile alle singole necessità che si possono avere quando si lavora con diverse termoplastiche. D altro canto però i costi in questo caso sono sicuramente maggiori. Generalmente questa tipologia di processo è utilizzata per l ottimizzazione delle distribuzioni degli spessori dei manufatti. Figura 3.3: Termoformatura meccanica Termoformatura sotto pressione Nella termoformatura a pressione si hanno due fasi principali. Inizialmente la lastra preriscaldata è fatta espandere bi-assialmente mediante un soffiaggio d aria, generando quindi una pressione positiva. Successivamente nel caso in cui lo stampo sia 38

7 a forma positiva (maschio), attraverso un sistema pneumatico lo si fa risalire sino al contatto completo con la lastra soffiata. In questa circostanza, la forza generata dalla pressione d aria è concorde con la direzione di ascesa dello stampo. Invece se lo stampo è a forma negativa (femmina), come illustrato nella figura 3.4, la pressione dell aria tenderà a schiacciare la lastra sulle superfici dello stampo, che in questo caso sarà immobile. In entrambi i casi, una volta che la lastra viene a contatto con lo stampo, per completare il processo di formatura si crea un sottovuoto mediante una pompa a vuoto che espellerà tutta l aria presente tra lo stampo e il termoformato. Figura 3.4: Processo di formatura sotto pressione con il vuoto Con questa variante si ottiene un eccellente distribuzione dello spessore del materiale, in cui i costi di produzione sono più contenuti rispetto a una termoformatura ad azione meccanica. E usata solitamente per la realizzazione di pezzi che hanno una grande estensione. 39

8 3.3 Macchinari per la termoformatura Sulla base delle dimensioni dell area di lavoro e del tipo di produzione, esistono due modalità di lavoro delle macchine termoformatrici, distinguibili per tipologie di processo. Questo dipende principalmente dalle dimensioni e dallo spessore delle lastre con cui bisogna lavorare. Nel caso in cui si debba operare con spessori notevoli, la macchina lavorerà a foglio singolo (Figura 3.5). Figura 3.5: Macchina a foglio singolo. Il riscaldamento avviene mediante il contatto diretto della pressa termoformatrice. Non è possibile, infatti, avere una produzione continua, ma bisognerà lavorare singolarmente ciascuna lastra. Se invece le lastre hanno uno spessore sottile, si parlerà termoformatrici a rullo (Figura 3.6). Tale definizione è dovuta al fatto che è possibile realizzare un certo numero di termoformati direttamente su un unico foglio (poiché le dimensioni del manufatto sono ridotte), grazie ad un sistema rulli ne consente l avanzamento, ottenendo così una produzione a ciclo continuo. 40

9 Figura 3.6: Macchina termformatrice a rullo con forno preriscaldante e sistema interno di rifilatura In entrambi i casi, le attrezzature disponibili per i macchinari includono: dei dispositivi di gestione delle lastre e della loro movimentazione da una stazione a un altra (Figura 3.7); Figura 3.7: Catena dentata dalla quale è possibile prelevare il foglio polimerico avvolto sul disco 41

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