Tesi Dottorato Bietresato 2

8/17/2019 Tesi Dottorato Bietresato 2

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UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI PADOVA

Sede Amministrativa: Università degli Studi di Padova

Dipartimento di Tecnica e Gestione dei Sistemi Industriali

SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA INDUSTRIALE

INDIRIZZO: INGEGNERIA DELLA PRODUZIONE INDUSTRIALE

CICLO XX

SVILUPPO DI UN AMBIENTE PER LA PROTOTIPAZIONE VIRTUALE

DEL PROCESSO DI STAMPAGGIO AD INIEZIONE DI MATERIE PLASTICHE

Direttore della Scuola: Ch.mo Prof. Paolo F. BARIANI

Supervisore: Ch.mo Prof. Guido A. BERTI

Dottorando: Marco BIETRESATO

31 luglio 2008


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Ai miei genitori.


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Sviluppo di un ambiente per la prototipazione virtuale del processo di stampaggio ad iniezione di materie plastiche

I

Indice

CAP. 1 SOMMARIO............... ........................................................... ........................................................... ............. 1

1.1 ABSTRACT........................................................................................................................................................3

CAP. 2 INTRODUZIONE ED OBIETTIVI..................................... ........................................................... ............. 5

2.1 INTRODUZIONE .................................................................................................................................................5

2.2 OBIETTIVI DEL LAVORO....................................................................................................................................6

2.3 ORGANIZZAZIONE DELLA TESI..........................................................................................................................7

CAP. 3 LA PROGETTAZIONE DI PRODOTTO E PROCESSO CON I COMPOSITI A MATRICETERMOPLASTICA ................................................... ........................................................... ....................... 9

3.1 I COMPOSITI TERMOPLASTICI RINFORZATI CON FIBRA CORTA ...........................................................................9

3.2 POTENZIALITÀ DEI COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA .................................................................................10

3.3 LA PRODUZIONE DEI COMPONENTI PLASTICI TRAMITE STAMPAGGIO AD INIEZIONE ........................................11

3.3.1 Panoramica sullo stampaggio ad iniezione..........................................................................................11

3.3.2 Le fasi dello stampaggio ad iniezione .......................................................... ........................................ 12

3.4 PROBLEMATICHE PRODUTTIVE E INGEGNERISTICHE DELLO STAMPAGGIO AD INIEZIONE ................................14

3.4.1 Orientamento delle fibre di rinforzo.....................................................................................................16 3.4.2 Ritiro e distorsione dei componenti stampati ........................................................ ............................... 16

3.4.3 Variabilità del processo........................................................................................................................22

3.5 IL ROBUST DESIGN O PROGETTAZIONE ROBUSTA ...........................................................................................23

3.5.1 Il controllo della variabilità dei prodotti...................................................... ........................................ 24

3.5.2 La qualità alla Taguchi ............................................................ ........................................................... . 25

3.5.3 Inquadramento del presente lavoro in un ambito di Robust Design ................................................... . 27

CAP. 4 ANALISI CRITICA DELLE SOLUZIONI ATTUALMENTE ADOTTATE PERL’OTTIMIZZAZIONE DELLE CARATTERISTICHE DEL PRODOTTO STAMPATO................ 29

4.1 DIFFICOLTÀ DI OTTIMIZZAZIONE DELLE CARATTERISTICHE DI UN PRODOTTO STAMPATO CON UN APPROCCIO

“TRIAL AND ERROR” ...................................................... ........................................................... ..................... 29

4.2 APPROCCI ATTUALI SEGUITI PER LA SPERIMENTAZIONE E L’OTTIMIZZAZIONE DEL PROCESSO DI STAMPAGGIO

......................................................................................................................................................................31

4.2.1 Approccio attuale fisico: utilizzo di metodologie di DoE per la sperimentazione e l’ottimizzazione di

processo ...................................................... ........................................................... ............................... 32

4.2.2 Approccio attuale virtuale: utilizzo di un software FEM .......................................................... ........... 33

4.2.3 Limitazioni delle soluzioni attuali ...................................................... .................................................. 36

4.3 SOLUZIONI ALTERNATIVE PROPOSTE DALLA LETTERATURA...........................................................................37

4.3.1 Ricerca di una configurazione geometrica ottima del pezzo e dello stampo e delle impostazioni

ottimali del processo.............................................................................................................................38


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Indice

II

4.3.2 Ricerca di impostazioni robuste per il processo produttivo, il monitoraggio del processo e la stima

degli interventi correttivi......................................................................................................................40

CAP. 5 IL NUOVO AMBIENTE DI PROTOTIPAZIONE VIRTUALE DEL PROCESSO DISTAMPAGGIO PER INIEZIONE ......................................................... .................................................. 45

5.1 NECESSITÀ DELL

’IMPIEGO DI PIÙ STRUMENTI IN MANIERA CONGIUNTA PER COGLIERE LA VARIABILITÀ DI

PROCESSO ......................................................................................................................................................45

5.1.1 Variabilità dei valori reali assunti da ogni fattore...............................................................................45

5.1.2 Punti di lavoro di un sistema produttivo e variabilità delle risposte generate.....................................46

5.2 PRESENTAZIONE DELL’AMBIENTE DI PROTOTIPAZIONE VIRTUALE ................................................................49

5.3 ARCHITETTURA DELL’AMBIENTE DI PROTOTIPAZIONE VIRTUALE PROPOSTO ..................................................50

5.3.1 Il metodo degli elementi finiti (FEM) nella simulazione del processo di stampaggio ad iniezione ..... 52

5.3.2 Il Design of Experiments (DoE) e il Response Surface Modelling (RSM).... ........................................ 53

5.3.3 La potenzialità del Metodo Monte Carlo nel cogliere la variabilità di processo ................................. 57

CAP. 6 PROPOSTA DI UNA PROCEDURA DI UTILIZZO PER IL NUOVO AMBIENTE DISIMULAZIONE VIRTUALE.................................... ........................................................... ..................... 61

6.1 PREPARAZIONE E CALIBRAZIONE DEL MODELLO FEM (STEP 1)....................................................................65

6.1.1 Impostazione ed esecuzione di una simulazione di stampaggio .......................................................... . 65

6.1.2 La preparazione del modello FEM di un componente stampato in materiale plastico ........................ 66

6.1.3 La calibrazione o messa a punto di un software FEM .................................................... ..................... 68

6.1.4 Il problema delle pressioni nella calibrazione dei software di simulazione dello stampaggio di

plastiche........................ ............................................................ ........................................................... . 72

6.1.5 Procedura proposta per la calibrazione del FEM: la geometria del sistema di alimentazione e il

materiale...............................................................................................................................................85

6.2 PROGETTAZIONE DEL PIANO DELLE SIMULAZIONI (STEP 2)...........................................................................92

6.2.1 Identificazione del problema, formulazione degli scopi dell’indagine, selezione delle variabili di

risposta ....................................................... ........................................................... ............................... 92

6.2.2 Scelta dei fattori, impostazione dei livelli e degli intervalli ...................................................... ........... 93

6.2.3 Scelta del tipo di piano delle simulazioni e generazione delle combinazioni di valori dei fattori in

corrispondenza ai diversi trattamenti.................................................................................................103

6.3 ESECUZIONE DELLE SIMULAZIONI PREVISTE DAL PIANO (STEP 3)................................................................103

6.4 DEFINIZIONE DEL MODELLO DI REGRESSIONE DELLA RISPOSTA DEL SISTEMA VIRTUALE DI STAMPAGGIO(STEP 4)......................................................................................................................................................105

6.5 GENERAZIONE DELLA DISTRIBUZIONE DI PROBABILITÀ DELLA RISPOSTA (STEP 5) .....................................106

6.5.1 Procedura applicativa generale della metodologia Monte Carlo ...................................................... 106

6.6 STUDIO DI EVENTUALI INTERVENTI CORRETTIVI SUI FATTORI (STEP 6).......................................................109

6.6.1 Strumenti dell’ambiente virtuale utili al perseguimento della qualità intesa secondo Taguchi: il

diagramma dei contributi alla varianza.............................................................................................110

6.6.2 Strumenti dell’ambiente virtuale utili al perseguimento della qualità intesa secondo Taguchi: il

grafico di distribuzione dei valori della risposta................................................................................112

6.6.3 Stima di un possibile intervento correttivo dedotto dal valore medio della risposta del FEM...........113 6.6.4 Ottimizzazione dei parametri di processo .................................................... ...................................... 115


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III

6.7 VANTAGGI DELLA PROCEDURA APPLICATIVA DELL’APV PROPOSTA............................................................116

6.8 POSSIBILITÀ DI ESTENSIONE DELLA PROCEDURA PROPOSTA .........................................................................117

CAP. 7 IL CASO “VASCA PER LAVATRICE WHIRLPOOL MOD. CP4”.................................................. 119

7.1 PRESENTAZIONE DEL CASO DI STUDIO ..........................................................................................................119

7.1.1 Criticità del componente in esame ..................................................... ................................................ 122 7.1.2 Verifica dimensionale.........................................................................................................................123

7.1.3 Obiettivi del caso in esame.................................................................................................................124

7.2 PREPARAZIONE E CALIBRAZIONE DEL MODELLO FEM (STEP 1)..................................................................124

7.2.1 Modellazione delle geometrie in MPI............................. ........................................................... ......... 125

7.2.2 Definizione del materiale plastico in MPI.................................................... ...................................... 129

7.2.3 Descrizione del materiale degli stampi ........................................................ ...................................... 131

7.2.4 Definizione della macchina di iniezione in MPI... ........................................................... ................... 132

7.2.5 Utilizzo dei dati di una prova stampi per la calibrazione del software..............................................133

7.3 PROGETTAZIONE DEL PIANO DELLE SIMULAZIONI TRAMITE METODOLOGIA DOE (STEP 2).........................142

7.3.1 Scelta dei fattori e dei rispettivi range di variazione, individuazione della variabile di risposta ...... 142

7.3.2 Individuazione dei campi di variabilità per i parametri di processo, Impostazione di distribuzioni di

frequenza per i fattori ..................................................... ........................................................... ......... 144

7.3.3 Scelta e stesura del piano delle simulazioni .......................................................... ............................. 146

7.4 ESECUZIONE DELLE SIMULAZIONI PREVISTE DAL PIANO TRAMITE SOFTWARE FEM (STEP 3)......................146

7.5 ELABORAZIONI STATISTICHE SUI DATI - APPLICAZIONE DELLA TECNICA RSM (STEP 4 E 5)........................147

7.6 STUDIO NUMERICO DELLA VARIABILITÀ DELLA RISPOSTA TRAMITE APPLICAZIONE DELLA TECNICA MONTE

CARLO (STEP 6)..........................................................................................................................................148 7.6.1 Generazione della distribuzione di frequenza della risposta e confronto con le specifiche di

produzione .................................................. ........................................................... ............................. 148

7.6.2 Individuazione di una nuova combinazione di valori per i fattori e generazione di una seconda

distribuzione di frequenza della risposta............................................................................................149

7.7 CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE .....................................................................................................................151

CAP. 8 IL CASO “FLANGIA MOTORE PER IDROPULITRICE DIZETA PLAST MOD. K3” ................ 153

8.1 PRESENTAZIONE DEL CASO DI STUDIO ..........................................................................................................153

8.1.1 Criticità del componente in esame ..................................................... ................................................ 156

8.1.2 Verifica dimensionale.........................................................................................................................157

8.1.3 Obiettivi del caso in esame.................................................................................................................158

8.2 PREPARAZIONE E CALIBRAZIONE DEL MODELLO FEM (STEP 1)..................................................................158

8.2.1 Esecuzione della prova di spurgo macchina ......................................................... ............................. 158

8.2.2 Modellazione in MPI della geometria della parte del sistema di alimentazione situata a monte

dell’ugello macchina (nozzle).............................................................................................................161

8.2.3 Definizione del materiale plastico in MPI.................................................... ...................................... 163

8.2.4 Definizione della macchina di iniezione in MPI... ........................................................... ................... 164

8.2.5 Esecuzione delle simulazioni della prova di spurgo...........................................................................165 8.2.6 Completamento del modello FEM della flangia motore.....................................................................167

8.2.7 Descrizione del materiale degli stampi ........................................................ ...................................... 170


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Indice

IV

8.2.8 Individuazione del liquido di condizionamento degli stampi..................................................... ......... 171

8.3 PROGETTAZIONE DEL PIANO DELLE SIMULAZIONI TRAMITE METODOLOGIA DOE (STEP 2)..........................172

8.3.1 Scelta dei fattori e dei rispettivi range di variazione..........................................................................172

8.3.2 Individuazione delle variabili di risposta ..................................................... ...................................... 173

8.3.3

Individuazione dei campi di variabilità per i parametri di processo, Impostazione di distribuzioni di

frequenza per i fattori ..................................................... ........................................................... ......... 174

8.3.4 Scelta e stesura del piano delle simulazioni .......................................................... ............................. 175

8.4 ESECUZIONE DELLE SIMULAZIONI PREVISTE DAL PIANO TRAMITE SOFTWARE FEM (STEP 3)......................176

8.5 ELABORAZIONI STATISTICHE SUI DATI - APPLICAZIONE DELLA TECNICA RSM (STEP 4 E 5)........................177

8.6 STUDIO NUMERICO DELLA VARIABILITÀ DELLA RISPOSTA TRAMITE APPLICAZIONE DELLA TECNICA MONTE

CARLO (STEP 6)..........................................................................................................................................178

8.6.1 Generazione della prima distribuzione di frequenza della risposta e confronto con le specifiche di

produzione .................................................. ........................................................... ............................. 178

8.6.2 Individuazione di una nuova combinazione di valori per i fattori e generazione di una secondadistribuzione di frequenza della risposta............................................................................................179

8.7 VALIDAZIONE DEI RISULTATI NUMERICI .......................................................................................................180

8.8 CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE .....................................................................................................................183

CAP. 9 CONCLUSIONI............................................................................... .......................................................... 185

CAP. 10 BIBLIOGRAFIA ......................................................... ........................................................... ................... 187

10.1 ARTICOLI SCIENTIFICI...................................................................................................................................187

10.2 LIBRI ............................................................................................................................................................196

10.3 GUIDE DEI SOFTWARE UTILIZZATI ................................................................................................................197 10.4 TESI DI LAUREA SULL’ARGOMENTO PRESENTATO SEGUITE DALL’AUTORE IN QUALITÀ DI CORRELATORE ...197

CAP. 11 APPENDICE: PROBLEMATICHE SPECIFICHE NELL’APPLICAZIONE DEL METODOMONTE CARLO........................................................ ........................................................... ................... 199

11.1 ASSUNZIONI ALLA BASE DEL MODELLO ........................................................................................................199

11.2 ASSEGNAZIONE DELLE PROBABILITÀ ALLE VARIABILI DI INPUT ...................................................................199

11.3 ALGORITMI PER LA GENERAZIONE DI NUMERI CASUALI ................................................................................200

11.4 CORRELAZIONI TRA VARIABILI DI INPUT.......................................................................................................201

11.5 NUMERO DI ITERAZIONI NECESSARIE............................................................................................................201

CAP. 12 APPENDICE: LA SIMULAZIONE DEL PROCESSO DI STAMPAGGIO TRAMITE ILSOFTWARE MOLDFLOW PLASTIC INSIGHT................................................... ............................. 203

12.1 MODELLI DI CALCOLO DEI RITIRI ..................................................................................................................204


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1

CAP. 1 Sommario

In questa tesi si è sviluppato, e successivamente applicato con successo, un nuovo approccio per la

progettazione robusta del processo di stampaggio ad iniezione di materie plastiche. Questo

approccio utilizza più strumenti (simulazioni numeriche, metodi euristici e stocastici: FEM, DoE,

RSM, Monte Carlo) integrati in una sorta di ambiente, l’Ambiente per la Prototipazione Virtuale del

Processo di Stampaggio (APV), capace di superare i limiti del tradizionale approccio numerico,

basato invece su di un uso estensivo ma esclusivo di modelli ad Elementi Finiti.Sebbene la simulazione FEM presenti infatti come indubbio vantaggio la possibilità di effettuare le

attività di sperimentazione ed ottimizzazione a prescindere dalla realizzazione fisica degli stampi o

dall’utilizzo di una macchina di stampaggio, essa soffre però della presenza di pesanti limitazioni

dovute alla semplificazione della realtà fatta nella trasposizione virtuale di un sistema e alla natura

deterministica degli algoritmi di calcolo. Le conseguenze di queste limitazioni sono rispettivamente:

• la necessità di procedere all’aggiustamento di alcuni parametri del modello, al fine di

allineare le predizioni con la sperimentazione, e• l’impossibilità di tenere in considerazione le eventuali fluttuazioni dei valori dei parametri di

processo.

Al contrario, l’APV consente di operare una progettazione ottimale del prodotto e del processo

superando le limitazioni prima elencate: esso integra la progettazione concorrente (Concurrent

Engineering) con la progettazione robusta ( Robust Design) tenendo conto anche della variabilità

stocastica presente in tutti i processi manifatturieri.

Poiché un impiego efficace di questo ambiente presuppone l’utilizzo di un modello realistico del

processo, l’attività di calibrazione del modello stesso è fondamentale. La procedura di calibrazione

(tuning) presentata in questa sede riesce a limitare l’attività sperimentale a bordo macchina ad un

breve impiego della pressa senza gli stampi (test di spurgo macchina). La simulazione numerica

dell’espulsione del polimero fuso dalla camera di plastificazione attraverso l’ugello porta

all’individuazione dei coefficienti della correzione di Bagley. La prova di spurgo macchina viene

così a completare l’APV svincolandolo del tutto dalla necessità di disporre degli stampi per

l’identificazione di una combinazione ottima e robusta dei parametri di processo.


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Sommario

2

In questo lavoro si sono approfonditi i seguenti punti:

• il processo di iniezione di polimeri caricati, il sistema di iniezione e i suoi sottosistemi (unità

di plastificazione, sistema di alimentazione, stampo);

• la problematica della variabilità dei processi manifatturieri, con particolare riferimento al

processo di iniezione di materiali plastici (per quanto riguarda: valori reali dei parametri di

processo, risposte);

• gli approcci attualmente seguiti per la sperimentazione e l’ottimizzazione del processo di

stampaggio (approccio “ fisico” e “virtuale”) e le soluzioni proposte per la ricerca di

soluzioni robuste del processo produttivo.

La raccolta, lo studio e l’analisi critica (vantaggi, svantaggi) delle soluzioni delineate in Letteratura

hanno quindi portato a:

• individuare i possibili strumenti da affiancare al FEM, necessari per una trasposizione

virtuale del processo di iniezione che consenta di tenere in considerazione anche la sua

variabilità;

• definire l’architettura dell’APV del processo di iniezione nel quale si integrano i differenti

strumenti individuati per la sua realizzazione (FEM – Moldflow Plastic Insight 6.1, DoE,

RSM – Minitab 14 e Design Expert 7, Metodo Monte Carlo – Crystal Ball 7);

• mettere a punto di una procedura di calibrazione del modello numerico basata sull’uso dei

profili di pressione rilevati sulla macchina durante alcune prove di espulsione del polimero

senza stampi (prove di spurgo macchina).

Formalizzata una procedura applicativa di tale Ambiente Virtuale, articolata in sei step, si è

applicato e validato l’Ambiente proposto in due casi industriali, differenti per la complessità del

prodotto, per il materiale utilizzato, ma, soprattutto, per lo scopo dell’indagine:

• valutare la robustezza di una produzione impostata su determinati valori nominali,

individuando eventualmente una regolazione più robusta (pezzo in produzione: vasca per

lavatrice – PP caricato 20% fibra di vetro);

• esplorare diverse combinazioni di processo tramite un piano di simulazioni per la ricerca di

un ottimo di processo che sia anche robusto (pezzo nuovo da produrre in sostituzione di

componente in lega di alluminio: flangia motore – PA66 caricato 50% fibra di vetro).

L’APV ha dimostrato di riuscire ad adattarsi ad entrambe le situazioni presentate:

1. fornendo indicazioni in linea con quanto rilevato in ambito produttivo relativamente alle

percentuali di non conformità della produzione e al posizionamento della produzione stessarispetto ai limiti di accettabilità,


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3

2. consentendo quindi di individuare sulla base delle previsioni delle distribuzioni delle

risposte delle condizioni di processo in grado di produrre il componente con una percentuale

di scarti prossima allo 0%, nel primo caso, o ridurre le non conformità, nel secondo caso.

1.1 Abstract

In this thesis a new approach for the Robust Design of the injection moulding process has been

developed and successfully applied to two industrial cases. This approach makes use of several

tools (numerical simulations, heuristic and stochastic methods: FEM, DoE, RSM, Monte Carlo)

integrated together in a sort of environment, the Virtual Prototyping Environment (VPE), able to

overcome the limitations of the traditional numeric approach, which is, on the contrary, based on

the intensive but exclusive use of FE models.

In fact, the FE simulation presents the main advantage that the experimentation and the

optimization activities require neither the manufacturing of the tooling system nor the utilization of

the production system but it suffers the presence of important limitations due to the simplification

of reality made in the virtual transposition of a system and to the deterministic nature of solving

algorithms. The consequences of these limitations are respectively: (i) the need to adjust some

parameters of the model in order to fit prediction with experimentation, and (ii) the impossibility to

take in account fluctuations of process conditions.On the contrary, the Virtual Prototyping Environment manages to perform an optimal product and

process design, considering also the stochastic variability present in all the manufacturing processes

and thus integrating Concurrent Engineering with Robust Design.

As an effective use of this Environment presupposes a realistic model of the process, the activity of

model calibration is fundamental. The tuning procedure here presented limits the experimental

activity on the injection moulding machine to a short utilization without any die (discharging tests).The numerical simulation of the evacuation of polymer from the cylinder through the nozzle leads

to the definition of the junction losses coefficients of Bagley’s correction. The discharging test thus

completes the VPE by releasing it from the need to have specific dies for the identification of an

optimal and robust combination of process parameters.

In this work the following points are analysed:

• The injection moulding process of filled polymers, the injection machine and its subsystems

(plasticizing unit, feeding system, moulds);

• The problem of variability in the manufacturing processes, with special reference to the


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Sommario

4

plastic injection moulding process (in particular: real values of process parameters,

responses);

• The actual approaches for the experimentation and optimization of the injection process

(“ physical” and “virtual” approaches) and the proposed solutions for the search of a robust

process set-up.

The collection, study and critical analysis (advantages, disadvantages) of the solutions outlined in

the Literature have led to:

• identify the possible tools to work with FEM, necessary for a virtual transposition of the

injection process which keeps in account its variability too;

• define the architecture of the Virtual Prototyping Environment for the injection process in

which the different tools necessary for its implementation are integrated (FEM – Moldflow

Plastic Insight 6.1, DoE, RSM – Minitab 14 e Design Expert 7, Monte Carlo Method –

Crystal Ball 7);

• implement a new FEM tuning procedure that limits the experimental activity on the

injection moulding machine to a short utilization without any die (it is based on the use of

machine pressure profiles obtained during some air-injected shots: the “machine discharging

tests”).

Having formalized an application procedure for this VPE, divided into six steps, the proposed

Environment has been applied and validated in two industrial cases, different for product

complexity, moulded material and, above of all, aims of the study:

• evaluating the robustness of a production set up on fixed nominal values and, in case,

identifying a more precise adjustment (part in production: tub rear cover for a washing

machine - PP 20% glass fibre filled);

• exploring different process settings through a simulation plan with the aim of locating a

robust optimum (new part to be produced as a substitute for a previous one, aluminium die-

cast: motor cover – PA66 20% glass fibre filled).

This Virtual Environment demonstrates to fit to both the presented cases,

• giving forecasts of the output lined with production surveys about non-conformity

percentages and placement compared with the acceptability limits,

• permitting to find the settings able to produce the parts with near 0% scraps, in the former

case, or to reduce non-conformities on the basis of the estimated response distributions, in

the latter case.


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CAP. 2 Introduzione ed obiettivi

2.1 Introduzione

Il mercato odierno, conseguentemente alla maggiore reattività del sistema aziende – clienti, vede

una crescente pressione competitiva sui costi e sulla qualità e, contemporaneamente, una notevole

riduzione del ciclo di vita del prodotto. Tutto ciò porta implicitamente alla richiesta di elevati livelli

qualitativi nonché di un “time to market ” assai contenuto. Nel corso di questa evoluzione del

mercato, caratteristica degli ultimi anni, gli obiettivi delle aziende sono rimasti, tuttavia, immutati:

vendere il più possibile minimizzando i costi e, subordinatamente a ciò, realizzare i prodotti nel

miglior modo e nel più breve tempo possibile per conquistare quote di mercato sempre più ampie.

Per coniugare al meglio le condizioni di mercato e gli obiettivi delle aziende si è reso indispensabile

introdurre, nella fase di industrializzazione del prodotto, metodologie e strumenti innovativi volti ad

una progettazione integrata e simultanea del prodotto e dei processi produttivi conseguenti.

Nell’ambito della progettazione simultanea del prodotto e del processo produttivo, denominata

“Concurrent Engineering” (CE), diventa fondamentale l’utilizzo delle tecniche “computer-aided ”.

L’utilizzo, in particolare, dei software CAE - Computer Aided Engineering (ad es.: i software di

simulazione del processo ad elementi finiti, ma anche i software di simulazione statistica basati sul

metodo Monte Carlo), opportunamente integrati in un Ambiente di Prototipazione Virtuale, come

quello proposto in questa sede, consente al progettista di integrare e razionalizzare la progettazione

del nuovo prodotto e dei processi coinvolti nella sua realizzazione prima ancora di giungere alla

fase di preserie, operando in maniera del tutto virtuale. Tra gli obiettivi principali del Concurrent

Engineering o “Progettazione integrata di prodotto e processo” ci sono appunto i seguenti:

• comprimere i tempi di sviluppo di un prodotto finito,

• contenere il numero dei cosiddetti cambiamenti ingegneristici o “engineering changes” e

anticiparli nelle primissime fasi di sviluppo del prodotto, come pure

• limitare gli scarti di produzione avendo un processo il più robusto possibile.

In tale ambito si inserisce l’Ambiente di Prototipazione Virtuale (APV) proposto e illustrato in

seguito.


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Introduzione ed obiettivi

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2.2 Obiettivi del lavoro

Questa tesi si propone di:

• analizzare il processo di stampaggio per iniezione, al fine di anticipare la maggior parte

delle attività di messa a punto del processo stesso dall’ambiente produttivo alla fase diprogettazione (grazie ad un Ambiente di Prototipazione Virtuale, in accordo con i principî

del Cuncurrent Engineering);

• integrare più metodologie e strumenti per sviluppare un Ambiente di Prototipazione

Virtuale: la sperimentazione numerica (software ad elementi finiti), la simulazione

stocastica (software di implementazione del Metodo Monte Carlo) e le tecniche di

Progettazione degli Esperimenti – Design of Experiments e di Modellazione delle Superfici

di Risposta – Response Surface Modelling (software statistici);

• definire una procedura integrata che faccia uso di tali metodologie (FEM, DoE-RSM e

Metodo Monte Carlo) e consenta un’efficace analisi preventiva del processo produttivo

anche dal punto di vista della robustezza;

• sviluppare modelli numerici affidabili dei processi manifatturieri indagati e proporre una

procedura di calibrazione che limiti al massimo l’utilizzo della macchina di iniezione e che,

in particolare, non richieda l’uso degli stampi;

• applicare e validare la procedura e l’ambiente sviluppato su differenti casi reali industriali

mostrando le potenzialità dell’APV.


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2.3 Organizzazione della tesi

La presente tesi è suddivisa in tre parti principali, qui di seguito brevemente illustrate.

La prima parte, composta dai capitoli 3 e 4, inquadra i problemi esistenti nella progettazione di

prodotto e processo con i compositi termoplastici (CAP. 3), e successivamente analizza le soluzioni

proposte in Letteratura per quanto riguarda l’ottimizzazione delle caratteristiche del prodotto

stampato per iniezione, evidenziandone le peculiarità, le differenze e le limitazioni rispetto

all’Ambiente di Prototipazione Virtuale proposto (CAP. 4).

La seconda parte, costituita dai capitoli 5 e 6 descrive il nuovo Ambiente di Prototipazione

Virtuale, soffermandosi sulle diverse metodologie di cui si compone e sull’integrazione delle stesse,

evidenziandone quindi il carattere innovativo e virtuale (CAP. 5). Nel capitolo successivo (CAP. 6),

se ne espongono le potenzialità in un ambito di progettazione robusta del processo di iniezione di

termoplastici, e viene presentata in dettaglio la procedura generale di utilizzo del nuovo Ambiente

Virtuale. Nello stesso capitolo si descrive inoltre un procedimento di calibrazione del software FEM

che non fa uso degli stampi.

La terza parte, composta dai capitoli 7 e 8, riguarda l’applicazione del nuovo approccio ad alcunicasi aziendali, differenti tra loro per le finalità:

• Il caso “Vasca per lavatrice Whirlpool mod. CP4” ( pezzo in produzione; CAP. 7);

• Il caso “Flangia motore per idropulitrice Dizeta Plast mod. K3” ( pezzo nuovo da produrre in

sostituzione di un componente in lega di alluminio; CAP. 8).

Seguono infine: le conclusioni (CAP. 9), la bibliografia (CAP. 10) ed alcune appendici (CAP. 11 -

problematiche che si incontrano nell’applicazione del Metodo Monte Carlo, CAP. 12 - simulazionedel processo di stampaggio tramite il software Moldflow Plastic Insight).


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Introduzione ed obiettivi

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CAP. 3 La progettazione di prodotto e

processo con i compositi a matrice

termoplastica

3.1 I compositi termoplastici rinforzati con fibra corta 1

Un materiale composito termoplastico rinforzato con fibra corta è costituito essenzialmente da

(Fig. 3.1):• una matrice polimerica, che può essere poliammide (nylon), resina acetalica o altro,

caratterizzata da una bassa resistenza e, spesso ma non sempre, da elevata duttilità;

• un rinforzo, che consiste invece in una dispersione di fibre di un materiale a elevata

resistenza (tipicamente: vetro, fibre arammidiche, fibre di carbonio) con diametro

dell’ordine dei 10 µm e con un rapporto lunghezza/diametro o “aspect ratio” intorno a 100.

L’effetto di queste fibre, in particolare se ben distribuite nella matrice e intimamente connesse alla

stessa, è quello di incrementare la resistenza e la rigidezza del composito, conservando parte della

duttilità tipica della matrice, senza aumentare sensibilmente la massa volumica.

Fig. 3.1 – Superficie di rottura di un provino in PA rinforzata con fibre di vetro (a sinistra) e ingrandimento di fibrecorte di vetro al microscopio elettronico (a destra) (fonte: Laboratori del Dipartimento di Meccanica, Politecnico diMilano).

1 Si veda anche [10].


16/212

La progettazione di prodotto e processo con i compositi a matrice termoplastica

10

3.2 Potenzialità dei compositi a matrice polimerica

I compositi a matrice polimerica possiedono eccellenti caratteristiche ingegneristiche (massa

volumica molto bassa, pari a circa un sesto di quella dell’acciaio, discreta resistenza statica e a

fatica, buona rigidezza; Fig. 3.2) unitamente ad una buona compatibilità con l’ambiente, alla possibilità di riciclo2, e alla possibilità di utilizzo di processi tecnologici a basso costo ed alta

cadenza produttiva, come lo stampaggio per iniezione.

Fig. 3.2 – Mappe di Ashby massa volumica/resistenza (a sinistra) e massa volumica/modulo elastico (a destra); in giallo le aree occupate dai polimeri (area gialla più bassa) e dai compositi a matrice polimerica (area gialla più alta) [120].

A ciò si aggiunga inoltre che, poiché questi materiali possono, molto più facilmente dei metalli e

degli acciai in particolare, essere preparati “su misura” miscelando fibre e matrice prima dello

stampaggio, esiste realmente la possibilità di “costruire materiali” che si adattano alle specifiche

richieste. L’effetto migliorativo sul composito della frazione in volume di fibre può essere

preventivamente stimato con formule opportune (ad es.: la cosiddetta regola “delle miscele”3).

2 C’è un limite tecnologico alla possibilità di riciclaggio, virtualmente infinita, dei materiali plastici ed in particolare peri materiali plastici rinforzati in fibra di vetro [12, 11]: (1) ogni nuova esposizione di un materiale termoplastico alcalore, come quella che si verifica ad ogni nuova fusione o come quella che può aver subito un certo componente inopera, ne causa un degrado sensibile delle caratteristiche meccaniche, dovuta alla rottura dei legami delle catenepolimeriche e che va sotto il nome di invecchiamento termico; (2) inoltre, se il materiale è caricato con fibre di vetro,l’azione meccanica di macinazione dei manufatti dismessi da riciclare come pure l’azione di rimescolamento delmateriale applicata dalla vite all’interno del cilindro di plastificazione, causa una diminuzione della lunghezza mediadelle fibre di vetro di rinforzo con un conseguente ulteriore degrado delle caratteristiche resistenziali del compositoplastica – fibre di vetro.3 La regola delle miscele permette di stimare il modulo di elasticità longitudinale E c di un composito in funzione dellepercentuali volumetriche di matrice νm e di rinforzo νf e dei rispettivi moduli elastici Em e Ef nel seguente modo:

Ec = νm·Em + νf ·Ef


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11

I compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre corte di vetro, di carbonio o di altri materiali,

rappresentano quindi un’eccellente soluzione per una produzione di massa.

3.3 La produzione dei componenti plastici tramite stampaggio adiniezione

3.3.1 Panoramica sullo stampaggio ad iniezione

Una delle maggiori potenzialità dei compositi a matrice polimerica è il prestarsi molto bene ad

essere lavorati tramite stampaggio ad iniezione, un processo che permette di avere elevate

produttività e costi di produzione molto bassi purché le quantità prodotte siano sufficientemente

elevate da ammortizzare i costi dello stampo. Lo stampaggio ad iniezione (injection moulding) èinfatti una delle tecnologie più diffuse nella trasformazione delle materie termoplastiche in quanto,

oltre all’economicità di processo prima accennata, esso permette la produzione di pezzi che non

necessitano di lavorazioni aggiuntive, aventi geometrie anche molto complesse (completamente

asimmetriche) e dimensioni anche ridotte, nei colori e nei materiali più differenti possibili (come

composizione chimica e come rinforzi).

Gli aspetti negativi che possono aversi nell’impiego di questa tecnologia sono di natura economica

(costo elevato delle attrezzature: stampi e macchine di iniezione; elevata competitività nel settore equindi margini di guadagno ridotti) ma soprattutto tecnica (scarsa conoscenza delle relazioni che

intercorrono tra processo e proprietà specifiche del materiale; impossibilità di determinare

immediatamente la qualità del pezzo stampato a causa di assestamenti del materiale anche a più di

24 ore dallo stampaggio).

I componenti in plastica prodotti per iniezione vengono fabbricati tipicamente tramite macchine

industriali del tipo “a vite pistonante” (Fig. 3.3).

Fig. 3.3 – Rappresentazione schematica diuna macchina idraulica “a vite pistonante”per lo stampaggio ad iniezione [1].


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12

3.3.2 Le fasi dello stampaggio ad iniezione

Dal punto di vista del componente in produzione4, il processo si articola in quattro fasi principali,

qui di seguito descritte (Fig. 3.4, Fig. 3.5).

• Fase di iniezione o riempimento (injection o mould filling). Il materiale plastico fuso

5

,portato alla temperatura e alla viscosità necessaria, accumulato in testa alla vite, viene

iniettato nella cavità dello stampo passando attraverso opportuni canali di distribuzione del

fuso (canali di alimentazione delle impronte6) grazie alla traslazione della vite con velocità

prestabilite. La pressione massima necessaria per mantenere le velocità stabilite di

riempimento delle impronte viene detta “ prima pressione” o “ pressione di iniezione” e può

essere solamente letta o limitata dall’operatore della macchina, ma non impostata. Questa

fase viene detta anche fase “dinamica” dello stampaggio e termina idealmente col

riempimento della cavità7 o, meglio, col raggiungimento del “ punto di commutazione” vale a

dire di cambio del parametro di processo controllato da “velocità” a “pressione”.

• Fase di mantenimento o impaccamento ( packing). Nel momento in cui la cavità viene

riempita, il polimero viene pressurizzato e mantenuto sotto pressione, allo scopo

rispettivamente di uniformare e compensare con materiale aggiuntivo, proveniente dal

cilindro di plastificazione, la diminuzione del volume dovuta: i) all’abbassamento della

temperatura del fuso, venuto a contatto con gli stampi, più freddi, e ii) alla transizione di

fase liquido-solido che il polimero subisce. La pressione di mantenimento, caratteristica di

questa fase e controllabile in maniera diretta dall’operatore, viene anche detta “seconda

pressione” o “ post pressione”. Questa fase (anche detta “statica”) termina nel momento in

cui il punto d’iniezione si solidifica impedendo alla vite di immettere ulteriore materiale

nella cavità (sealing point ).

4 Si trascureranno in questa sede, in quanto non interessanti ai fini della trattazione, le fasi che avvengono all’internodel cilindro di plastificazione (richiamo di materiale solido, fusione e accumulo del materiale fuso) e che sono

concomitanti con la fase di raffreddamento, descritta nel corpo del testo e riguardante invece il materiale accumulatonella cavità da cui si ricaverà il componente.5 La preparazione del materiale plastico fuso avviene nel seguente modo: il materiale plastico da trasformare, solido(generalmente in granuli o pellets), opportunamente pretrattato (con un trattamento di deumidificazione), viene caricatonel cilindro di plastificazione attraverso la tramoggia. La vite senza fine, posizionata all'interno del cilindro, ruota eriscalda il materiale plastico, grazie all’attrito che si genera tra granuli ed elica, tra granuli e cilindro e tra i granulistessi. A questo effetto di riscaldamento si somma il contributo termico generato dagli elementi riscaldanti posizionatiall’esterno del cilindro di plastificazione (quantitativamente minore rispetto al precedente). Il materiale plastico vienequindi fuso ed accumulato in testa alla vite grazie al movimento rotatorio e traslatorio di arretramento della stessa.6 Nei due casi trattati in questa tesi (CAP. 7, CAP. 8), i canali di alimentazione sono opportunamente riscaldati tramiteresistenze elettriche per fluidificare maggiormente il materiale e poterlo riutilizzare, ancora fluido, per la stampatasuccessiva (il sistema si definisce “a camere calde” o “a canali caldi”).7

In realtà, poiché la massa di polimero fuso in ingresso nella cavità possiede una certa comprimibilità ed una certainerzia, il punto di commutazione non viene impostato quasi mai al 100% del riempimento della cavità al fine di evitareun overshot positivo della pressione (quindi si evita che la prima pressione si scarichi in un’impronta già piena) che puòdare luogo a super compattamenti, bave e/o apertura dello stampi (v. [128] pag. 33).


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• Fase di raffreddamento (propriamente detto8; cooling o, meglio, sealed cooling). In questa

fase il pezzo continua la solidificazione, iniziata nella fase precedente, ma il ritiro

volumetrico del materiale non è più compensato dall’ingresso di nuovo materiale.

• Apertura degli stampi ed estrazione del pezzo (mould opening and part ejection). Gli

stampi vengono aperti ed il pezzo (eventualmente comprensivo della materozza) viene

staccato dalle impronte tramite appositi organi meccanici mobili, detti estrattori.

Fig. 3.4 – Principali fasi dello stampaggio ad iniezione [1]; A: accumulo del materiale fuso, B: iniezione, C :mantenimento/raffreddamento, D: estrazione.

Fig. 3.5 – Tipico andamento temporale delle pressioniall’interno della cavità di uno stampo durante il processo distampaggio [1].

8 Si parla di fase di raffreddamento propriamente detto in quanto durante questa fase, mancando la possibilità dimantenere pressurizzato il materiale e di compensarne i ritiri con altro materiale fuso, diventa predominante il

fenomeno del raffreddamento, presente anche durante la fase di packing anche se non caratterizzante per questa ultima.Ancor più in generale, il raffreddamento del fuso inizia nel momento in cui esso tocca le pareti dello stampo, ad unatemperatura minore, ed è quindi presente anche durante la fase di iniezione, seppur in misura alquanto ridotta ecircoscritta alla sola plastica a contatto con le pareti degli stampi.

A

B

C

D


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14

3.4 Problematiche produttive e ingegneristiche dello stampaggio ad

iniezione

I fenomeni chimico-fisici che avvengono nello stampaggio sono differenti e piuttosto complessi per

cui le numerose caratteristiche qualitative (o attributi qualitativi) del prodotto finale (Fig. 3.6) sonoinfluenzate in maniera più o meno diretta dalle impostazioni fatte sulla macchina di stampaggio9.

Infatti, le condizioni di processo di ciascuna fase sono determinate dalle impostazioni che

riguardano quella fase del processo a cui si riferiscono come pure dalle condizioni operative delle

fasi precedenti rispetto a quella considerata.

Fig. 3.6 – Schema del processo di iniezione in cui si evidenzia l’influenza diretta o indiretta di ciascuna variabile di

processo (machine inputs) sugli attributi qualitativi dei pezzi stampati (quality attributes; da [53]).

Tra i diversi attributi qualitativi di un componente stampato, quelli che più interessano al

Progettista sia in termini assoluti che statistici (valore medio e dispersione), per le conseguenze che

hanno sulla funzionalità e sulla resistenza del prodotto e quindi sull’accettabilità o meno di un

componente relativamente a determinate specifiche, sono i seguenti:

• il corretto riempimento dello stampo e quindi l’integrità del componente stampato,

• la frantumazione delle fibre di rinforzo e la conseguente modifica della lunghezza e

9 In [22] si precisa che “[…] a study identifies more than 200 different parameters that had a direct or indirect effect onthe complicated (Injection Moulding) process”.


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15

dell’aspect ratio10, quindi le caratteristiche resistenziali di base del composito polimerico,

• l’orientamento delle fibre di rinforzo in seno alla matrice (quindi le caratteristiche di

anisotropia del materiale), ed infine

• le dimensioni e la forma assunti da un componente al termine del suo processo di

fabbricazione.

Il problema dell’ottimizzazione delle caratteristiche (geometriche, dimensionali, resistenziali) di un

prodotto stampato in materiale plastico si è fin da subito configurato come centrale anche e

soprattutto con la tecnologia dello stampaggio ad iniezione a causa della presenza di problematiche

produttive di diversa natura, legate al materiale e al processo in oggetto:

• Le anisotropie introdotte nel materiale dal processo stesso e dalla disposizione delle

eventuali fibre di rinforzo (§3.4.1);

• I ritiri e le distorsioni del pezzo, ossia le variazioni di dimensioni e forma conseguenti alla

solidificazione e al raffreddamento del pezzo (§3.4.2);

• La variabilità delle condizioni di stampaggio conseguente allo scostamento del valore reale

dei parametri controllati dai rispettivi valori impostati e alle variazioni dei parametri non

controllati e incogniti (§3.4.3); detta variabilità si ripercuote sul prodotto alterando in

maniera aleatoria le anisotropie del materiale nonché i ritiri e le distorsioni rilevabili sul

prodotto.

In un ambito aziendale manifatturiero, queste problematiche produttive (anisotropie, ritiri e

distorsioni, variabilità delle condizioni di stampaggio) si traducono nelle seguenti problematiche

ingegneristiche:

• Prevedere il valore e la legge di variazione delle dimensioni dei pezzi al variare delle

impostazioni dei parametri di processo al fine di determinare i parametri di stampaggio

ottimali di stampaggio11 per il rispetto delle tolleranze dimensionali e geometriche imposte;

• Prevedere la percentuale di non conformità che ci si deve aspettare conseguentemente

all’uso di una determinata macchina di stampaggio con determinate regolazioni e

individuare delle condizioni robuste di processo;

• Valutare l’opportunità:

10 L’aspect ratio di una fibra di rinforzo è definito come il rapporto tra la lunghezza e il diametro di quella fibra.11

In [39] pag. 269, a proposito della definizione dei parametri ottimali di processo, si legge: “ The optimization of process parameters of injection moulding requires a great effort. The interactions between geometrical partdimensions, material properties and machine characteristics make it difficult to identify the parameters which mostinfluence the fabrication process”.


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o di eventuali correzioni del progetto del pezzo (spessori, raggi di raccordo, nervature)

e degli stampi (dimensioni della cavità, posizione dei canali di condizionamento e

del punto di ingresso del polimero in cavità) o

o di interventi su stampi già esistenti (correzioni locali delle dimensioni delle cavità

per andare a compensazione parziale o totale del calo dimensionale).

3.4.1 Orientamento delle fibre di rinforzo

Il processo di stampaggio ad iniezione determina l’orientamento delle fibre di rinforzo, in quanto

queste ultime vengono trascinate dal polimero fuso durante il riempimento dello stampo ed

opportunamente orientate (Fig. 3.7). Il polimero fuso può infatti essere assimilato a un fluido a

elevata viscosità: quando fluisce all’interno dello stampo si presentano i tipici profili di velocità aelevato gradiente in prossimità delle pareti dello stampo. In questa zona, detta shell (Fig. 3.7), le

fibre tendono ad allinearsi con il vettore della velocità assunta dal fluido e quindi la traccia della

fibra si presenta circolare in un’eventuale sezione del componente (è la sezione della fibra stessa).

Viceversa, lontano dalle pareti dello stampo (quindi in particolare nella zona centrale, detta core;

Fig. 3.7), dove le velocità tendono a raggiungere una distribuzione uniforme, le fibre tendono a

disporsi perpendicolarmente al vettore velocità. In generale, lo spessore relativo di questi due strati

dipende dalla forma della cavità, dallo spessore e dalle condizioni di stampaggio (temperature evelocità).

Fig. 3.7 – Orientamento delle fibre durante lo stampaggio ad iniezione: schema della disposizione tipica delle fibre

rispetto al vettore velocità avanzamento locale del flusso di fuso (a sinistra), sezione trasversale di una lastra in PA6rinforzata con il 30% di fibre di vetro (a destra; fonte: Laboratori del Dipartimento di Meccanica, Politecnico diMilano).

Dalle considerazioni fatte discende quindi che il processo di stampaggio influenza in maniera

sensibile l’effettivo ruolo delle fibre nel composito (e quindi il loro contributo alla resistenza e alla

rigidezza nonché il ritiro finale dei pezzi nelle differenti direzioni).

3.4.2 Ritiro e distorsione dei componenti stampati

Tra i numerosi problemi che si possono avere su di un prodotto stampato per iniezione come

Shell

Core


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17

conseguenza del processo stesso di fabbricazione, due sono quelli che vengono trattati in questa

sede: il ritiro del pezzo e la distorsione (o svergolamento o deformazione).

Entrambi questi fenomeni sono causati da tensioni interne presenti nel componente e parzialmente

equilibrate, durante la solidificazione e successivamente allo stampaggio (anche a parecchie ore di

distanza), tramite variazioni dimensionali del prodotto (Fig. 3.8): variazioni locali di volume (per

quanto riguarda i ritiri) e deviazioni macroscopiche delle superfici libere dalle superfici nominali

(per quanto riguarda sia i ritiri che lo svergolamento).

Fig. 3.8 –Fenomeniconseguenti allacontrazionevolumetrica del

materiale (da[142]).

Il ritiro (lineare) del pezzo (shrinkage) è definito come la riduzione di una dimensione qualsiasi diun prodotto stampato successivamente alla sua estrazione dallo stampo12 (Fig. 3.9).

Fig. 3.9 – Cambiamento nelle dimensioni di un componentecausato dai diversi contributi di ritiro (da [142]).

12 Si noti che la definizione di ritiro lineare di un pezzo che si dà in questa sede include (in particolare per i materialisemicristallini) due contributi comunemente distinti sulla scala temporale: il “ritiro di stampaggio”, dovuto a fenomenitermici e di transizione di fase, che avviene nella cavità dello stampo a partire dal gate freezing e la cui manifestazione è

quindi immediata subito dopo l’apertura degli stampi, e il “ post ritiro” o “ritiro ambientale”, dovuto all’entrata inequilibrio termico ed igrometrico del particolare stampato con l’ambiente (come pure ad un eventuale riequilibramentodelle tensioni interne per pezzi sottoposti a temperature di esercizio maggiori di quelle ambientali) e che invece simanifesta nel periodo successivo allo stampaggio, anche a parecchie ore di distanza (si veda [137], pagg. 77-79).


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Più esattamente, il restringimento relativo lineare calcolato lungo una certa direzione d (S ℓ ,d ), è

definito come il rapporto tra la differenza fra il valore nominale di una certa dimensione ( L0,d ) del

pezzo in esame calcolata lungo la stessa direzione (coincidente con la dimensione della cavità dello

stampo per la creazione di quel componente) e il valore della stessa dimensione misurata dopo

l’estrazione ( L1,d ), e la dimensione L0,d :

( ) 0con, ,1,0,0

,0

,0

,1,0, >−

∆=

−= d d

d

d

d

d d d L L L

L

L

L LS

l Eq. 3.1

Il ritiro è un fenomeno inevitabile nel processo di iniezione plastica e dipende principalmente dalla

variazione della densità del polimero durante il raffreddamento dalla temperatura di processo

(temperatura del polimero fuso) alla temperatura ambiente (indagabile tramite le curve p-v-T ),

legata quindi anche al grado di cristallinità del materiale stesso (Fig. 3.10, Fig. 3.11).

Fig. 3.10 – Diagramma p-v-T (pressione, volume

specifico, temperatura) di un materiale plastico amorfo incui si mostra l’evoluzione delle caratteristiche nellediverse fasi di un ciclo di stampaggio, il calcolo graficodel ritiro volumetrico e l’influenza della pressione e dellatemperatura del fuso sul ritiro (da [142]).

Fig. 3.11 – Variazione del ritiro e del post ritiro (v. nota

12) al variare della temperatura della cavità di stampaggioper un componente piatto (dimensioni 150 × 90 × 3 mm)in PA6 non caricato (Bayer Durethan B 30 S) (da [142]).

La eventuale presenza di fibre di rinforzo nel materiale ne limita il ritiro, soprattutto nella direzione

di allineamento principale delle fibre. Con riferimento al flusso di riempimento della cavità, in

generale, il calo dimensionale può essere misurato localmente in tre direzioni (Fig. 3.12):

• Longitudinalmente (parallelamente) alla direzione di flusso (S ℓ ,f );

• Trasversalmente alla direzione di flusso (S ℓ ,xf );

• Lungo lo spessore del pezzo (S ℓ ,t ).


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19

Fig. 3.12 – Direzioni in cuiavviene la misura locale del ritirolineare per un pezzo stampato enomenclatura relativa, il flussolocale è orientato come iltratteggio riportato sulla porzionedi componente evidenziata.

Al pari di quanto fatto per il ritiro lineare, è possibile definire localmente anche un ritiro

volumetrico S v, legato a quello lineare da un coefficiente moltiplicativo pari a tre per materiali

isotropi13.

La distorsione o svergolamento del pezzo (warpage) indica una modifica macroscopica della

forma complessiva di un componente da quella ideale che si traduce in uno scostamento delle

superfici del prodotto stampato da quelle dei relativi piani nominali. Questo fenomeno, influenzato

anche dalla geometria del pezzo, è dovuto alla disuniformità puntuale delle condizioni di processo

del materiale14, da cui a sua volta dipende da una contrazione volumetrica non uniforme15 delle

diverse parti di un pezzo. Le tensioni residue che si instaurano all’interno dello stampato (quindi

l’esistenza di zone di compressione e zone di trazione) generano dei momenti flettenti in seno al

materiale e quindi deformazioni macroscopiche del componente (Fig. 3.13, Fig. 3.14).

13 Per i materiali non isotropi si ha in generale che (da [142]): S l,xf (%) ≅ S l,f (%) = (0.1÷0.05)·S v (%), S l,t = (0.9÷0.95)·S v (%).14 La variazione puntuale delle variabili di stato del polimero è connessa proprio alla natura stessa di questa tipologia diprocesso: esso è caratterizzato dal presentare un ambiente di trattamento del materiale differente da quello dipreparazione e quindi necessita di una movimentazione del materiale stesso che, non essendo istantanea, concorreall’instaurazione di gradienti delle grandezza fisiche. A tal proposito, in [53] si legge: “ As previously discussed, the

primary barrier to control of injection moulding stems from the distributed nature of the polymeric material. Thisdemands models that can represent the state of the material both spatially and temporally. For example, state variablessuch as the melt velocity, melt pressure, and melt temperature are not only functions of time but are inhomogeneousboth through the thickness and across the mould ”. Recentemente qualche sforzo sta venendo compiuto proprio nelladirezione di un controllo puntuale delle grandezze fisiche coinvolte, soprattutto per quanto riguarda la temperatura deglistampi [76]: i risultati sperimentali sono in questo caso promettenti ma la complessità del sistema di stampaggio

aumenta in maniera considerevole (sia come attuatori termoelettrici, sia come sistema di controllo e retroazione).15 Se il ritiro volumetrico su di un pezzo fosse uniforme in tutti i suoi punti, il ritiro lineare sarebbe uguale in tutte le suedirezioni: il pezzo avrebbe solamente un volume minore di quello della cavità con cui è stato formato e la formarimarrebbe immutata rispetto a quella di partenza.

P

S ℓ , f

S ℓ , xf

S ℓ ,t

Direzione del flussodi riempimento


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Fig. 3.13 – Deformazione conseguente ad unadisuniformità della temperatura degli stampi; nella figurain basso esiste una differenza di temperatura tra le duesuperfici della cavità (da [142]).

Fig. 3.14 – Differente contrazione del materiale al variaredegli spessori (quindi della geometria) in componenti dimateriale non rinforzato (a sinistra) e rinforzato (a destra)(da [142]).

Questi ritiri volumetrici non omogenei sono a loro volta causati da:

• gradienti termici sul pezzo che causano contrazioni del materiale non uniformi e non

contemporanee (differential cooling effects);

• condizioni di compattazione/cristallinità differenti da punto a punto (differential shrinkage

effects16 ),

• anisotropie del materiale dovute ad un orientamento preferenziale delle molecole e/o delle

fibre di rinforzo (orientation effects).

Poiché le differenti cause che provocano distorsione in un componente possono influenzarsi

vicendevolmente per quanto riguarda il risultato finale (Fig. 3.15), il legame tra:

• ritiri,

• condizioni di processo del materiale che le provocano e

• impostazioni di processo sulla macchina (tempo e pressione di mantenimento, temperatura

del fuso e dello stampo, velocità di iniezione e spessori del pezzo)

è molto complesso, difficilmente generalizzabile od esprimibile analiticamente.

16 La dicitura qui riportata per questa causa di ritiro volumetrico, dovuto alle condizioni di compattazione/cristallinitàdel materiale (differential shrinkage effects o area shrinkage effects), è quella riportata nei testi inglesi del settore [140]ma è impropria in quanto la spiegazione che è riportata negli stessi testi (e qui riportata nel corpo del testo) indica che

trattasi di una sola delle tre possibili cause di disuniformità del ritiro volumetrico o shrinkage propriamente detto. Ènecessario quindi fare attenzione a non confondere i due termini preferendo piuttosto appellare il ritiro da differenticondizioni di compattazione/cristallinità ad esempio con le seguenti diciture: “differential process conditions effects” o,più semplicemente, “ process effects”.


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Infatti, la significatività e le relazioni di correlazione dei diversi parametri di processo con le

dimensioni finali di un prodotto (in particolare i ritiri e le distorsioni osservate) sono strettamente

dipendenti dal materiale utilizzato nonché dalla geometria degli stampi/parte. È quindi possibile

proporre approcci al problema per indagare tali correlazioni, ma, come prima accennato, i risultati

non saranno mai generalizzabili17 (oltre alla differente significatività che i diversi fattori di processo

rivestono per le diverse risposte, c’è anche possibilità di differenze tra componente e componente a

parità di risposta indagata).

Fig. 3.15 – Interconnessione tra le differenti cause cheprovocano distorsione in un componente; in giallo lecause dirette (contrazione volumetrica non uniforme,geometria), in azzurro le cause indirette (che sono invececause dirette di ritiro volumetrico: anisotropie,

cristallinità, gradienti termici) (da [140]).

In Letteratura è possibile trovare solo degli andamenti qualitativi del ritiro al variare dei fattori di

processo (Fig. 3.16), come pure delle regole pratiche di progettazione per la minimizzazione dei

ritiri18, ma è assolutamente impossibile stimare in maniera analitica a priori l’entità del ritiro e, amaggior ragione, delle distorsioni. In quest’ottica le simulazioni numeriche ad elementi finiti si

rivelano essere quindi uno strumento assolutamente necessario.

Fig. 3.16 – Effetti sul ritiro (andamenti qualitativi) dellediverse impostazioni dei 5 parametri di processo piùinfluenti sul ritiro e la distorsione (da [140]).

17 Da [108]: “From building an empirical model based on statistic of measurements to employing artificial intelligencetechniques, results all depend on specific materials/mould configuration on a particular moulding machine […]. No

definitive correlation between a process variable (e.g. cavity pressure profile) and the part quality has beenestablished ”.18 Il complesso delle regole pratiche per l’ottimizzazione dello stampaggio ad iniezione è denominato “ Design for

Injection Moulding”.


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3.4.3 Variabilità del processo

Il processo di stampaggio per iniezione è affetto da una variabilità intrinseca19 (Fig. 3.17) dovuta a

differenti cause:

• il materiale (variazioni tra lotto e lotto, differenti condizioni di pretrattamento dello stessomateriale, disomogeneità introdotte dal rimacinato),

• la macchina (capacità di mantenimento delle impostazioni, rapidità di risposta del sistema,

eventuale usura),

• i fattori ambientali (temperatura a cui lavorano i chiller di raffreddamento, temperatura ed

umidità relativa del reparto di stampaggio e di stoccaggio dei componenti stampati), ed

umani.

Anche potendo escludere la variabilità del materiale in tutti quei casi che fanno riferimento a

stampate eseguite con lo stesso materiale (vergine, quindi senza rimacinato, proveniente dallo stesso

lotto e pretrattato nelle stesse condizioni), al pari di quanto fatto per casi presentati in questa sede

(v. CAP. 7, CAP. 8), permane una variabilità non trascurabile dovuta alle restanti cause sopra

accennate. In particolare, è possibile far risalire la variabilità globale del processo, e quindi del

prodotto, alla tipologia del parametro di processo considerato (controllato durante la fase di

produzione, non controllato o incognito; Tab. 3.1) e quindi individuare le seguenti due cause di

variabilità (Fig. 3.17):

• lo scostamento del valore reale dei parametri controllati (es.: temperature, pressioni; Tab.

3.1) dai rispettivi valori impostati, incognito all’operatore di una macchina di iniezione,

• le variazioni dei parametri non controllati20 (es.: portata di refrigerante, umidità del

materiale pretrattato; Tab. 3.1) e incogniti (composizione chimica effettiva del lotto di

materiale utilizzato; Tab. 3.1), anche esse del tutto sconosciute all’operatore.

19 A tal proposito si veda [53].20

Si noti che la categoria dei parametri non controllati non è assoluta nel senso che, posizionando dei opportuni sensorisulla macchina di iniezione è possibile acquisire informazioni anche su questi parametri di processo facendoli rientrarequindi nella categoria dei parametri controllati: gli esempi che vengono fatti in questa sede (Tab. 3.1) riguardanoparametri che solitamente non vengono controllati nelle installazioni industriali.


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Tab. 3.1 – Classificazione dei parametri di processo in controllati, non controllati ed incogniti.Parametri controllati Parametri non controllati

• Portata di fuso• Portata di refrigerante• Temperature (fuso, cavità)• Pressione di mantenimento a valle dell’ugello macchina (nozzle)

• Umidità residua del materiale pretrattato• Temperatura, umidità ambiente di stampaggio (e di stoccaggio)

Parametri incogniti

• Temperature (fasce riscaldanti cilindro,camere calde, liquido di condizionamento)

• Pressione idraulica di mantenimento• Tempi (mantenimento, raffreddamento)

• Velocità (avanzamento vite, rotazione vite)• Posizioni (punto di commutazione,

lunghezza di carica, cuscino)

• Composizione chimica effettiva del lotto di materiale utilizzato

La conseguenza di queste variazioni è che i valori reali dei parametri di processo sono differenti ad

ogni stampata e questo fatto si ripercuote sul prodotto in termini di variazioni dimensionali e

geometriche, che possono portare anche a scarti di produzione (Fig. 3.17).

Fig. 3.17 – Cause ed effetti dellavariabilità di processo nellostampaggio per iniezione.

3.5 Il Robust Design o progettazione robusta

Per progettazione robusta s’intende una tecnica finalizzata all’individuazione della combinazione

dei parametri di progetto (detti anche “fattori di controllo”) che renda la prestazione di un sistema(prodotto o processo) la più insensibile possibile all’effetto dei “fattori di disturbo” (che tendono ad

ampliare la varianza delle prestazioni suddette oltre a farne deviare la media dal valore obiettivo).

Un processo risulta robusto quando riesce a mantenere una certa uniformità delle caratteristiche

dei prodotti al variare (entro certi limiti) dei fattori di processo. Parimenti, un prodotto risulta

robusto dal punto di vista produttivo quando, per come è progettato e per il processo scelto per la

sua produzione, le sue caratteristiche rimangono valide al mutare (entro certi limiti) delle condizioni

di processo. Il raggiungimento di un livello di robustezza maggiore (del prodotto o del processo)

passa quindi attraverso l’individuazione della combinazione dei differenti parametri di prodotto e di


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processo che minimizzi quindi la sensibilità ai fattori di disturbo (e che, di conseguenza, permetta il

raggiungimento di un’alta qualità21 contenendo nel contempo i costi).

Le tecniche Taguchi22 (come pure altre tecniche, tra le quali quella proposta in questo lavori di tesi

e facente uso dell’Ambiente di Prototipazione Virtuale presentato nel CAP. 5) consentono, tramite

l’individuazione di un opportuno piano di esperimenti, di progettare un prodotto robusto e quindi, in

sostanza, di operare secondo una logica di progettazione robusta.

3.5.1 Il controllo della variabilità dei prodotti

Il controllo della variabilità dei prodotti può avvenire nei tre diversi stadi del ciclo di sviluppo di un

prodotto:

• il disegno del prodotto ( product design),

• il disegno del processo ( process design) e

• la fase di produzione vera e propria (manufacturing).

Sull’andamento della curva di frequenza di probabilità per una determinata caratteristica (Fig. 3.18)

è possibile agire sia on-line (quindi contestualmente alla produzione dei componenti, tramite

controllo statistico del processo) che off-line23 (in particolare nella fase di progettazione), ma è solo

off-line, con un’opportuna progettazione del prodotto e del processo, che è possibile restringerel’ampiezza di detta curva, riducendo quindi la variabilità delle prestazioni intorno alla media.

A partire dal 1920 ad oggi, nel controllo di qualità si è passati da un intervento essenzialmente

operativo effettuato durante il ciclo di produzione vera e propria (fase di ispezione), ad un

miglioramento della qualità del prodotto ottenuto in fase di progettazione del prodotto o del

processo produttivo. Si è quindi operato l’auspicato cambiamento da un controllo di qualità

principalmente effettuato on-line, cioè durante il ciclo di lavorazione, ad un controllo di qualità

effettuato anche off-line, ovvero nella fase di progettazione24

.

21 L’American Society For Quality Control (ASQC) definisce la qualità come “ La totalità degli aspetti e dellecaratteristiche di un prodotto o di un servizio che influiscono sulla sua capacità di soddisfare a determinate richieste”.In questo senso il prodotto deve soddisfare le richieste materiali e psicologiche del consumatore, ed è quindi interessedel produttore che tutta la sua produzione sia quanto più rispondente possibile a tali richieste.22 Si veda §3.5.2.23 In particolare, i metodi di controllo della qualità off-line sono “tecniche di intervento per il controllo dei costi e della

qualità effettuate durante gli stadi di progettazione del prodotto o del processo produttivo. Lo scopo principale di talimetodi è quello di migliorare la fabbricazione del prodotto e la sua affidabilità e, al tempo stesso, di ridurre i costi disviluppo e di manutenzione durante tutta la vita utile del prodotto” (Kackar, 1985).24 Si veda [13].


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Fig. 3.18 – Curva di frequenza di probabilità per unadeterminata caratteristica misurabile x di unprodotto; 1) processo poco robusto, 3) processoimpostato su un valore medio troppo vicino agliestremi e che necessita di un riposizionamento delvalore medio come in 2, 2) e 4) processi posizionatiin maniera corretta rispetto ai limiti di accettabilità eprogressivamente più robusti (da [130]).

3.5.2 La qualità alla Taguchi

A Genichi Taguchi, ingegnere giapponese, va fondamentalmente il merito di avere dato impulso al

controllo di qualità off-line agli inizi degli anni ‘80 proprio per ridurre al minimo il successivoricorso alle tecniche on-line. Questi ha introdotto una metodologia di studio volta sia alla

progettazione di prodotti validi, riducendo la variabilità, sia al raggiungimento di processi produttivi

più affidabili e stabili.

L’idea che sta alla base dell’approccio di Taguchi è la seguente: “ La qualità è la perdita che il

prodotto causa alla società dall’istante in cui esso lascia la fabbrica, fatta eccezione per le perdite

dovute alle sue specifiche funzioni”; quanto più un prodotto si allontana dalle caratteristiche

desiderate tanto più causerà una perdita monetaria che colpisce la società nel suo complesso

25

. PerTaguchi, la qualità non è quindi un valore, in quanto la valutazione del valore di un prodotto è una

valutazione soggettiva, ma è essenzialmente un problema tecnico. La perdita nella qualità può

quindi essere dovuta a: 1) variabilità nel funzionamento; 2) effetti nocivi. Di conseguenza, un

oggetto di buona qualità deve avere piccoli effetti collaterali nocivi e non avere variabilità

significativa nelle sue prestazioni tecniche. Il controllo di qualità deve appunto intervenire nella

riduzione di questi due tipi di perdite, affinché il prodotto, una volta immesso sul mercato, causi

meno perdite possibili alla società.

Le caratteristiche di qualità di un prodotto sono costituite dalle caratteristiche finali che definiscono

la performance del prodotto per soddisfare i bisogni del consumatore. Per determinare il grado di

soddisfazione del consumatore rispetto ad una caratteristica di qualità è necessario determinarne il

valore ideale (target ), e lo scostamento rispetto a questo: maggiore è lo scostamento rispetto al

target , minore è la soddisfazione del consumatore.

25 Si noti che la principale differenziazione della concezione della qualità di Taguchi rispetto alla definizionedell’ASQC è che per Taguchi l’assenza di qualità è una perdita: quanto più il prodotto è lontano dalle caratteristicheottimali richieste quanto più grande sarà la perdita.


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3.5.2.1 Interventi per l’ottenimento della qualità

La differenziazione nelle caratteristiche che genera la varietà nei prodotti trova la sua

corrispondenza in tre distinti tipi di rumore (Tab. 3.2; i disturbi esterni o variabili d’ambiente, i

disturbi interni o deterioramento e il rumore tra unità e unità o variabilità26), contraddistinti da

specifici fattori, dipendenti dal processo produttivo in esame.

La buona qualità funzionale di un prodotto è quindi raggiunta quando si riesce a ridurre i tre tipi di

disturbo suddetti, in modo tale che il prodotto sia in grado di fornire un buon funzionamento sotto

un ampio spettro di condizioni d’uso e ambientali, per tutta la durata della sua vita utile. In questo

senso la qualità funzionale viene sintetizzata come scostamento rispetto al valore nominale

desiderato mentre un processo robusto è quel processo produttivo che consente di limitare

l’influenza delle fonti esterne di variabilità su quelle che sono le specifiche caratteristiche del

prodotto.

Taguchi afferma che: “lo studio della qualità nello stadio di disegno del prodotto è particolarmente

importante perché, mentre la variabilità può essere ridotta anche durante le fasi di produzione

(manifacturing variations), ciò non può avvenire per la deteriorabilità del prodotto (product

deterioration) o per l’inadeguatezza dell’ambiente (enviromental variations). Tutti questi problemi

di qualità, invece, possono essere affrontati negli stadi di progetto”. Come si vede anche in Tab.

3.2, l’unica fase del ciclo di sviluppo di un prodotto in cui è possibile intervenire per limitare tutti etre i tipi di variabilità è la fase di disegno del prodotto, che si attua fuori dal ciclo di lavorazione,

mentre gli altri due stadi (uno sempre in fase off-line e l’altro in fase on-line) offrono possibilità di

intervento circoscritte alla sola limitazione della variabilità tra le singole unità.

26 I disturbi esterni (outer noise factors) sono costituite dalle variabili ambientali o dalle condizioni di uso che alteranola funzionalità del prodotto. Due tipici esempi per le plastiche sono la temperatura e l’umidità. Questo tipo di variabilitàè contraddistinto dalle variabili di natura ambientale e si può intervenire su questa fonte solo in fase di progettazione delprodotto.

I disturbi interni (inner noise factors) sono disturbi dovuti al deterioramento per l’uso del prodotto o per il lungotempo di immagazzinamento; questo deterioramento causa una fonte di variabilità “controllabile” ovvero dovuta adelementi che incidono direttamente sul prodotto.

Il cosiddetto rumore tra unità e unità (noise factors) costituisce la fonte di errore accidentale, che provoca ladifferenza tra i singoli prodotti, quando non agiscono altri fattori, riducendone l’affidabilità e l’uniformità. In sostanza,

la variabilità indotta da questi elementi è legata a fattori che intervengono direttamente nel processo produttivo: si trattaquindi di controllare non una variabilità esterna, come in precedenza, ma una fonte interna che costituisce la variabilitàin senso stretto del processo produttivo. Si noti (Tab. 3.2) che, per limitare questa fonte di variabilità è possibileintervenire in qualsiasi fase del processo produttivo.


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Tab. 3.2 – Stadi di sviluppo di un prodotto e possibili interventi (o = possibilità di intervento, * = impossibilità diintervento; da [13]).

Per ridurre i tre tipi di disturbo suddetti, Taguchi propone tre fasi di intervento, che possono essere

introdotte in ognuno dei tre stadi del ciclo di sviluppo di un prodotto (Tab. 3.2), ma che sono

ovviamente di fondamentale interesse nello stadio di progettazione:

• La prima fase, detta disegno del sistema (system design) è la fase di individuazione della

tecnologia idonea, tra quelle disponibili. All’interno dei possibili sistemi si dovrà sceglierne

un piccolo numero, che sarà valutato ed analizzato dal progettista del sistema.

• La seconda fase, detta disegno dei parametri ( parameter design) è indirizzata a trovare

quella combinazione ottimale dei livelli dei fattori ( parametri per Taguchi), che garantisca

la riduzione della variabilità, relativamente a tutti e tre i tipi di disturbo considerati. Il

disegno dei parametri costituisce forse il punto più

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