Co-design per stampaggio a iniezione

IL CO-DESIGN PER LO STAMPAGGIO A INIEZIONE: CHE COS’È

Il co-design (cooperative design) è il rapporto di collaborazione tra l’ideatore di un progetto e l‘azienda che si occupa di realizzarlo. Questa co-progettazione ha lo scopo di ottimizzare tutte le fasi produttive nonché le proprietà estetiche, fisiche, meccaniche e chimiche di un prodotto. Il co-design è molto importante non solo quando si realizza un nuovo articolo, ma anche per apportare modifiche migliorative ad oggetti esistenti. In questo articolo analizziamo cosa caratterizza il co-design per lo stampaggio a iniezione, focalizzandoci nello specifico sulla realizzazione di un nuovo prodotto.

PERCHÉ IL CO-DESIGN PER LO STAMPAGGIO A INIEZIONE È COSÌ IMPORTANTE

Il co-design è essenziale al fine di supportare il cliente nella realizzazione di un articolo termoplastico. Grazie ad una attenta analisi preventiva del componente, è infatti possibile produrre un manufatto ottimale a livello tecnico e che rispecchi le esigenze e le richieste del cliente e del suo mercato di riferimento. Si tratta di un supporto fornito nel corso di tutte le fasi di realizzazione del componente termoplastico. Il co-design per lo stampaggio a iniezione è infatti molto importante per garantire una completa e adeguata ingegnerizzazione del componente.

I passaggi fondamentali per giungere alla industrializzazione di un articolo finito che non necessita di ulteriori migliorie sono:

• lo studio di fattibilità;
• l’industrializzazione;
• l’analisi dei costi;
• l’ingegneria di processo;
• la verifica di caratteristiche funzionali ed esigenze qualitative;
• lo stampaggio di pre-serie;
• l’approvazione finale dei componenti.

Per mezzo di tutti questi passaggi, il co-design permette, nelle prime fasi di sviluppo di un progetto, di individuare eventuali criticità del pezzo. Lavorare su tutti questi aspetti prima di raggiungere la produzione di serie, garantisce alcuni importanti benefici:

1. per prima cosa, si riduce il tempo di lavorazione. Ciò accade in particolar modo perché vengono risolti “a monte” tutti i problemi che si potrebbero presentare durante la produzione seriale di un prodotto considerato finito ma che, di fatto, non lo è;
2. migliora inoltre la produttività. Non sarà infatti necessario fare interventi “straordinari” di correzione di design, strumentazione e processi “a valle” a causa di errori di progettazione, che potrebbero determinare un fermo produttivo;
3. infine, come naturale conseguenza dei due punti precedenti, i costi di lavorazione sono più contenuti. Va infatti considerato che un blocco di produzione è già di per sé un costo non indifferente a causa degli onerosi e talvolta nemmeno attuabili interventi migliorativi di attrezzatura e processi.

QUALI SONO GLI STEP NELL’IDEAZIONE DI UN NUOVO PRODOTTO IN CO-DESIGN

Per prima cosa, quando si realizza un nuovo prodotto, si parte dalla sua progettazione grafica. In genere, l’azienda che idea un nuovo articolo fornisce una bozza ideativa o elabora un disegno tecnico (in 2D oppure 3D). Sulle matematiche di quest’ultimo si andrà a lavorare al fine di individuare e risolvere i problemi e i limiti di fattibilità tecnici ed economici.

A tale scopo, e prima di procedere con la realizzazione di strumenti e attrezzature necessari per la produzione dei prototipi e del pezzo finale, la pratica ingegneristica nota come report DFM (Design for Manufacturing) ricopre un ruolo determinante. Si tratta di un passaggio molto importante, in quanto tale report permette di identificare e correggere eventuali errori di progettazione. Ne consegue che il processo produttivo sarà più semplice. Il report DFM permette infatti di individuare le migliori soluzioni di fattibilità e di ridurre a vari livelli costi e tempi di produzione del manufatto.

In seguito, una volta analizzati i vari aspetti tecnici e individuati e risolti “a disegno” gli eventuali problemi, è possibile procedere con gli altri step per lo sviluppo del prodotto.

LA RESA VISIVA E GLI STEP FINALI

Dopo l’analisi DFM, si ricorre ormai di norma alla prototipazione 3D, utile per avere una resa visiva e tangibile del pezzo e una ulteriore fonte di analisi di fattibilità. Poiché esistono diverse tecnologie di stampa 3D, è importante individuare quella migliore in base al tipo di manufatto. Lo sviluppo di un progetto in co-design permette infatti di valutare anche i vari tipi di additive manufacturing e di suggerire quello più adeguato.

Nella fase successiva si individuano i materiali, le attrezzature e le soluzioni di processo migliori per garantire l’ottimizzazione dei cicli produttivi del prodotto finale:

• il tool design, ovvero la progettazione e l’ottimizzazione morfologica dello stampo ad iniezione. Ad esempio, la scelta del materiale più adatto – in genere acciaio o alluminio – e il corretto numero di impronte, il tipo di iniezione – ad esempio sottomarina o lamellare -, l’analisi termica delle temperature di lavorazione e la progettazione dei circuiti di raffreddamento, lo studio della geometria del pezzo – forme, spessori – e relative rifiniture estetiche, quando necessarie;
• si individua il tonnellaggio di pressa più adeguato e il bilanciamento dell’iniezione;
• la scelta del materiale termoplastico più adatto, sia sulla base dell’esperienza di settore che su test e analisi oggettive del polimero stesso (vedi reologia dei materiali, ecc.).

LE CRITICITÀ DI UN PRODOTTO

Nel corso dell’articolo abbiamo accennato più volte alle “criticità” di prodotto che possono emergere dall’analisi di fattibilità. In realtà, questi problemi si possono riferire anche ad attrezzatura e processi. Grazie al co-design per lo stampaggio a iniezione, è possibile identificarle in maniera “previsionale”.

Ma quali sono queste criticità? Di seguito ne elenchiamo alcune, in modo sintetico, relative sia al componente che ai processi:

• l’inidoneità del design dell’articolo, che talvolta non possiede caratteristiche conformi allo stampaggio a iniezione termoplastica;
• i limiti e le criticità del processo di stampaggio, come impostazioni errate di parametri tecnici, temperatura di lavorazione e velocità d’iniezione;
• I difetti visibili sul pezzo, ad esempio depressioni o deformazioni, bave o residui, effetto vortice, aloni, impronte di tiratura o altre imperfezioni di superficie;
• i problemi dello stampo, come temperature non corrette di lavorazione, raffreddamento non adeguato, acciai o allumini errati, finiture mal eseguite, criticità su impronte o estrattori, ecc.;
• l’inidoneità della materia prima impiegata, come una tipologia errata di polimero, di additivi o di cariche non adeguate.

SIMULAZIONI E ANALISI: GLI STRUMENTI E I SOFTWARE IMPIEGATI

Per individuare i problemi nella prima fase di “verifica di fattibilità” esistono strumenti e software che permettono di effettuare un’analisi che evidenzi problemi di design a partire dalle matematiche del pezzo.

Vediamo tool e software in genere impiegati per valutare la fattibilità del progetto ed evidenziare eventuali problemi progettuali, sia a livello di prodotto che di processi:

• la modellazione 3D di pezzo e stampo per mezzo di software come, ad esempio, CATIA, NX e RHINOCEROS;
• il report DFM, del quale abbiamo parlato in precedenza;
• l’analisi FEM (Finite Element Method), ovvero una resa virtuale del componente che identifica eventuali tensioni, deformazioni o punti critici del pezzo. Evita costose modifiche nelle fasi successive di produzione;
• l’analisi CAE (Computer Aided Engineering), altro programma utile al fine di rilevare gli errori di ingegneria e di design dell’articolo;
• il mouldflow – analisi di riempimento – che, attraverso delle simulazioni, consente di verificare il comportamento del materiale termoplastico nello stampo. In questo modo si può individuare un problema di flusso della materia prima al fine di ottimizzare lo stampaggio;
• la prototipazione rapida 3D per ottenere i prototipi fisici e la pre costruzione dello stampo;
• la scansione 3D dei pezzi di pre-serie per verificare in modo diretto se sul componente “reale” ci sono deviazioni dimensionali rispetto al modello progettato;
• gli eventuali stampi pilota, gli stampi prototipali e i prodotti di pre-serie con essi realizzati;
• il reverse engineering digitale di stampo e manufatto nel caso di prodotti già esistenti che necessitano di migliorie.

CONCLUSIONI

In conclusione, il co-design è un processo molto complesso ma essenziale per garantire la produzione in serie di un prodotto ottimale. Bemar Plast è in grado di offrire questo servizio grazie all’esperienza maturata e consolidata in 25 anni di attività nello stampaggio a iniezione e nello sviluppo di nuovi progetti.