A cura di Jeremy Williams, consulente/formatore

Nel settore dello stampaggio a iniezione della plastica, lavoriamo con materie prime che sono sottoprodotti della raffinazione del petrolio e con stampi realizzati in metallo fuso. È quindi inevitabile che la terminologia che utilizziamo possa creare un po’ di confusione.

Tre termini che spesso possono essere confusi tra loro sono i cordoni di saldatura, di fusione e di giunzione. I cordoni di saldatura e di giunzione sono in realtà entrambi cordoni di saldatura, ma di tipo diverso. Esaminiamo ora più attentamente le cause dei difetti dei cordoni di fusione e di giunzione, quale impatto hanno sulla resistenza dei pezzi e qual è la differenza tra di essi.

Quali sono le cause di difetto dei cordoni di giunzione e di fusione?

Come molte delle contradizzioni tra le parti, queste caratteristiche indesiderate affondano le sue radici nella progettazione del prodotto. Il nostro materiale viene infatti iniettato attraverso un punto di iniezione, per poi fluire nella cavità e attorno a varie strutture, come fori o boccole (vedere Figura 1).

Se in un cordone di giunzione è presente in un raccordo filettato, probabilmente quest’ultimo si strapperà nel momento in cui una vite verrà avvitata al suo interno, determinando così la difettosità del componente.

Nel settore automobilistico, ciò si traduce in componenti che si urtano, cigolano o sbattono.

In campo elettronico, il raccordo filettato strappato non permetterà la corretta compressione della guarnizione, danneggiando così la preziosa scheda del circuito stampato (PCB) a causa della penetrazione di acqua.

Se questo difetto si verifica nella scanalatura di un O-ring all’interno di un circuito idraulico, il liquido potrà trasudare e quindi gocciolare lentamente.

Nel settore dei raccordi per tubi, se i difetti non vengono gestiti correttamente, i raccordi non supereranno la prova di scoppio o di deformazione, con conseguente anomalia del prodotto nell’uso da parte del cliente.

Figura 1: raccordo filettato

Figura 1: raccordo filettato

Tutto questo è simile all’acqua di un torrente che scorre e dal quale sporge una roccia in superficie. Una volta che l’acqua colpisce la roccia, il flusso del torrente deve dividersi, girare attorno alla roccia per poi ricongiungersi subito dopo.

Ciò su cui vogliamo concentrarci è il momento del ricongiungimento per stabilire se si tratta di un cordone di giunzione o di fusione.

Cordone di fusione

Un cordone di fusione è definito come l’incontro di due fronti di flusso dopo che il flusso di plastica è stato diviso da una struttura presente all’interno del disegno del pezzo. Immaginate di guidare sull’autostrada dopo una lunga giornata in ufficio – tutti guidano nella stessa direzione e devono capire come arrivarci senza danni. Nella Figura 2, possiamo vedere come il fronte di flusso si divide a causa del nucleo rettangolare sporgente per poi ricongiungersi di nuovo appena superato. Poiché all’interno della cavità dello stampo c’è più spazio, il fronte di flusso continua ad avanzare, creando un nuovo fronte di flusso.

Figura 2: il materiale scorre intorno e si ricongiunge dopo avere oltrepassato il nucleo rettangolare sporgente, continuando a scorrere e formando un cordone di fusione

Figura 2: il materiale scorre intorno e si ricongiunge dopo avere oltrepassato il nucleo rettangolare sporgente, continuando a scorrere e formando un cordone di fusione

Questo cordone non è così resistente come un flusso ininterrotto. Poiché il fronte di flusso può congiungersi e continuare a scorrere attraverso la cavità, c’è una maggiore possibilità di potere applicare pressione a quest’area per aumentarne la resistenza.

Cordone di giunzione

Un cordone di giunzione è quando due fronti di flusso si incontrano, ma, invece di fondersi, quello che succede è più simile a un scontro frontale a un incrocio con segnali di stop su tutti e quattro i lati. Questa non è una bella cosa e non potrà finire bene.

Figura 3: materiale che scorre attorno al nucleo in posizione verticale


Figura 3: materiale che scorre attorno al nucleo in posizione verticale

Quando questi due fronti di flusso si incontrano, la geometria della cavità non presenta più spazio in cui fluire, e pertanto risulta difficile applicare pressione a questa zona del pezzo.

Scelta del materiale

Alcune materie prime sono meno sensibili di altre in termini di resistenza. I materiali (HDPE, PP, POM) con struttura più aerodinamica (come mostrato in Figura 4) danno luogo in genere a una maggiore resistenza perché le catene di polimeri possono legarsi più facilmente. Le strutture casuali con gli anelli di benzene contenuti in altre materie prime (PC, PMMA, ABS) riducono la capacità delle catene polimeriche di congiungersi facilmente. Questi anelli di benzene aumentano anche la viscosità, riducono il tasso di ritiro e, ad eccezione dei cordoni di giunzione e/o di fusione, aumentano la resistenza.

Figura 4: in alto, struttura aerodinamica HDPE in basso, PC con struttura casuale

Figura 4: in alto, struttura aerodinamica HDPE in basso, PC con struttura casuale

Materiali che hanno sostanze di riempimento fisiche come vetro, carbonio, scaglie di metallo, ecc. riducono la capacità di influenzare positivamente la resistenza di un cordone di giunzione o di fusione. Questo avviene per diversi motivi.

In primo luogo, le temperature a cui lavoriamo la maggior parte dei termoplastici (da 400 a 600o F) sono notevolmente inferiori al punto di fusione della maggior parte dei tipi di riempitivi (il punto di fusione del vetro è da 2552 a 2912o F) …se riescono a fondersi. In questa situazione, non solo abbiamo una struttura all’interno della cavità che ostacola il flusso di plastica, ma abbiamo un solido sospeso nel fronte di flusso, che crea ulteriore scompiglio. Pertanto, è necessario verificare l’orientamento delle fibre a monte di questa struttura e capire come queste differiscono a valle della struttura (vedere Figura 5).

Figura 5: orientamento delle fibre a monte e a valle della struttura sporgente

Figura 5: orientamento delle fibre a monte e a valle della struttura sporgente

La chiave per capire i cambiamenti di forza in un componente che è stato compromesso è capire la causa di rottura dei campioni di prova e come vengono raccolti i dati.

La prova d’urto Izod, mostrata sotto in Figura 6, utilizza un pendolo ponderato per urtare un campione. I valori forniti indicano la quantità di energia necessaria per rompere il campione, di solito in ft-lb/in2. Quanta più energia è necessaria per rompere il campione, tanto più resistente è il materiale.

Figura 6: apparecchiatura per prove d'urto Izod

Figura 6: apparecchiatura per prove d’urto Izod

Un’altra area che dobbiamo esaminare è quella dei dati ASTM dei campioni con intaglio e senza intaglio, mostrati qui sotto in Figura 7. Gli elementi che producono polimeri determinano la misura a cui la resistenza viene mantenuta grazie alla loro disposizione e ai loro legami. Un cordone di giunzione è simile a un intaglio nel campione ASTM.

Figura 7: campioni di prova ASTM

Figura 7: campioni di prova ASTM

Anche se un pezzo stampato con un cordone di giunzione non si comporterà esattamente come il provino, la scheda tecnica ci mostrerà fino a che punto la resistenza potrebbe andare perduta.

Per esempio, ci sono alcuni materiali che hanno una resistenza così alta che un provino non intagliato non può essere rotto nella prova ASTM, anche se il valore del provino intagliato è estremamente basso. Un esempio in tal senso è il PC utilizzato nel settore medico (vedi Tabella 1 in basso).

Tabella 1: Calibre™ MEGARAD™ 2081-15

Tabella 1: Calibre™ MEGARAD™ 2081-15

Altri materiali, come il PP indicato nella Tabella 2 in basso, possono rompersi con il metodo di prova ASTM sia quando sono intagliati sia quando non lo sono.

Tabella 2: Gapex® HP RPP20EU98HB

Tabella 2: Gapex® HP RPP20EU98HB

Nessuno di questi materiali è inadeguato, ma dobbiamo comprendere i loro limiti e sapere progettare correttamente per raggiungere l’obiettivo desiderato.

Quello a cui guardiamo per le indicazioni di forza è la caduta tra il campione non intagliato e quello intagliato. Questo può aiutarci a capire quanto debole possa essere un cordone di giunzione rispetto a un flusso ininterrotto di plastica.

Progettazione dello stampo

La posizione del punto di iniezione ha una forte influenza sulla posizione in cui il cordone di giunzione o di fusione si troverà all’interno della geometria di un pezzo. Attraverso l’uso di simulazioni di flusso, siamo in grado di prevedere dove queste possono verificarsi. Tuttavia, la scelta delle posizioni dei punti di iniezione può essere basata sulla funzionalità del pezzo, in modo da posizionare i cordoni di giunzione o di fusione in aree critiche per una corretta funzionalità.

Lavorazione

Migliorare la resistenza dei cordoni di giunzione o di fusione può essere estremamente difficile dal punto di vista della lavorazione perché un gran numero di fattori sono già fissati in modo definitivo, come la geometria del pezzo, la posizione del canale di colata, il percorso del flusso e la materia prima Il meglio in cui possiamo sperare è di applicare pressione al cordone di giunzione o di fusione attraverso una combinazione di temperatura di fusione, temperatura dello stampo, portata e pressione di mantenimento.

Conclusione

La differenza tra un cordone di giunzione e un cordone di fusione è significativa e ha un impatto notevole sull’integrità strutturale del pezzo. I cordoni di giunzione e di fusione fanno parte del processo di stampaggio ad iniezione della plastica. A causa dei requisiti del prodotto, la loro eliminazione è spesso difficile. Tuttavia, grazie alla stretta collaborazione tra progettista dei prodotti, attrezzista e stampatore a iniezione, è certamente possibile raggiungere ottimi successi.