Processi tecnologici Comprendono tutta una serie di operazioni che consentono di trasformare il materiale nel manufatto finito Processi di trasformazione.

Presentazione sul tema: "Processi tecnologici Comprendono tutta una serie di operazioni che consentono di trasformare il materiale nel manufatto finito Processi di trasformazione."— Transcript della presentazione:

1 Processi tecnologici Comprendono tutta una serie di operazioni che consentono di trasformare il materiale nel manufatto finito Processi di trasformazione Tecnologie La scelta di un tipo di processo dipende: –Dal materiale da utilizzare nella lavorazione (plastica, metallo, ceramico) –Dalla forma e dimensioni del manufatto da realizzare (estrusione, iniezione) –Dal costo (tecnologie più precise sono in genere meno economiche) –Dai volumi di produzione

2 Processi per tipo di materiale metalloceramicovetroPolimeritemoplasticiPolimeritemoindurentiCompositi Colata in sabbia● Pressofusione● Colata a cera persa● Colata a bassa pressione● Stampaggio● Estrusione● Laminazione● Metodi delle polveri● Stampaggio ad iniezione●●●● Soffiaggio●● Stampaggio a compressione●●● Stampaggio rotazionale●● Termoformatura●● Trasferimento di resina●● Filament winding● Layup● Vacuum bag● pultrusione●

3 Processi per forma del pezzo PrismatichecircolariPrismatichenon circolariLaster piane Lastre curve3-D piene 3-D cave Colata in sabbia●●●● Pressofusione●●●● Colata a cera persa●●●● Colata a bassa pressione●●●● Stampaggio●● Estrusione●● Laminazione●●●● Metodi delle polveri●●●● Stampaggio ad iniezione●●●● Soffiaggio●● Stampaggio a compressione ●●● Stampaggio rotazionale●● Termoformatura● Trasferimento di resina●●●●●● Filament winding●●●● Layup●● Vacuum bag●● pultrusione●●

4 Processi per massa del prodotto

5 Processi per spessore del pezzo

6 Altri fattori Altri fattori giocano un ruolo chiave nella scelta dei processi: –Tolleranza dimensionale –Rugosità superficiale –Costi –produttività

7 Pressione-temperatura Generalmente, ogni processo di produzione comprende: –A) un riscaldamento del materiale –B) l’applicazione di una forza o una pressione La pressione viene in genere applicata quando il materiale si trova allo stato fluido (per consentire la formatura con pressioni abbastanza ridotte, vedi proprietà reologiche) Da questo punto di vista si possono individuare due macro-classi di materiali: Termoplastici: acquisiscono fluidità se riscaldati e proprietà meccaniche quando vengono raffreddati. Il processo di acquisizione fluidità- proprietà meccaniche è reversibile (metalli, polimeri termoplastici, vetri) Termoindurenti: inizialmente sono fluidi a temperatura ambiente. Dopo un certo intervallo di tempo (ridotto se si aumenta la temperatura) il materiale indurisce. Il processo di indurimento è irreversibile (polimeri termoindurenti, cementi, ceramici)

8 Profili di viscosità Per i materiali “termoplastici” la viscosità diminuisce con la T (Arrhenius) Per i termoindurenti la viscosità aumenta nel tempo Aumentando la T, la viscosità iniziale diminuisce Il tempo di indurimento si riduce tg (tempo di gel, tempo di induzione, tempo di presa)  T termoplastico  t Termoindurente Profili di viscosità isotermi T3>T2>T1 t gel

9 Profili di viscosità (termoindurenti) Se si riscalda il materiale a velocità controllata la viscosità: Diminuisce (Arrhenius) prima che cominci la reazione Aumenta (reazione)  T Termoindurente Profilo di viscosità dinamica T gel

10 Materiali termoplastici Per questi materiali, in genere la trasformazioni sono di tipo fisico (fusione-cristallizzazione- rammollimento) Anche se avvengono processi chimici questi non sono in grado di modificare lo stato di aggregazione del sistema ad una data temperatura La pressione viene applicata quando il materiale è fluido (quindi dopo opportuno riscaldamento) La viscosità dipende dalla temperatura secondo un’espressione di tipo Arrhenius T TrTr p t Esempio: colla a caldo

11 Materiali termoindurenti Per questi materiali, in genere la trasformazioni sono di tipo chimico Inizialmente, a temperatura ambiente è stabile la fase liquida (eventualmente si aggiungono dei solventi) Dopo le reazioni, diventa stabile la fase solida La pressione deve essere applicata prima che il materiale indurisca Il riscaldamento non sempre è necessario (le reazioni possono anche avvenire a temperatura ambiente) Un aumento di T accelera le reazioni Tp t Esempio: pistola tradizionale con silicone

12 Processi Per i termoplastici, in genere si lavora con stampo “freddo”. –Il materiale viene colato o iniettato allo stato fluido –Nello stampo avviene la solidificazione Per i termoindurenti, si lavora a stampo “caldo” –Il materiale viene colato o iniettato freddo (il gel time è lungo, il materiale riempie bene la forma) –Nello stampo caldo avviene la reazione che porta alla solidificazione

13 Estrusione Materiale polimerico in forma di polveri o pellets viene alimentato nel gap tra vite rotante e cilindro riscaldato. Il materiale viene trasportato in avanti, miscelato, fuso, e quindi espulso (pompato) attraverso una filiera Tre zone Trasporto del solido o alimentazione (4D-8D) (pre-riscaldamento del polimero) Fusione o compressione (6D) (eliminazione di aria intrappolata) Pompaggio o espulsione del fuso (12D) (omogeneizzazione del fuso prima del die)

14 Parti principali di un estrusore Cilindro (in cui è presente la vite e si inserisce il polimero) –Costruito d’acciaio, per resistere ad alta pressione, viene riscaldato da resistenze elettriche, e/o raffreddato per rimuovere calore in eccesso prodotto dalle dissipazioni viscose –Viene spesso scanalato per aumentare l’aderenza del fuso ed il moto relativo tra fuso e vite Motore –Permette alla vite (senza fine) di ruotare ad una velocità prefissata. Filiera –Impartisce la forma desiderata all’estruso (fibre, nastri, film, ecc.) Parametri caratteristici –D=2-20cm diametro interno del cilindro –L/D=16:1-40:1 rapporto lunghezza cilindro:diametro cilindro –Portata volumetrica Q  D 2.2

15 Principio di funzionamento E’ necessario che vi sia un  P tra l’imbocco e l’uscita della filiera (>0) per permettere l’efflusso di materiale Nell’estrusore si deve avere un aumento di pressione  compressione P lunghezza  P estr  P fil

16 Estrusione di profili termoplastici estrusore Filiera/calibratrice raffreddamento taglio

17 “Twin screw extrusion” is used extensively for mixing, compounding or reacting polymeric materials. The flexibility of twin screw extrusion equipment allows this operation to be designed specifically for the formulation being processed. For example, the two screws may be co-rotating or counter-rotating, intermeshing or non- intermeshing. In addition, the configurations of the screws themselves may be varied using forward conveying elements, reverse conveying elements, kneading blocks, and other designs in order to achieve particular mixing characteristics. Estrusori bivite

18 Intermeshing –Co-rotanti –Contro-rotanti Non-intermeshing –Co-rotanti –Contro-rotanti –Co-assiali Profili di flusso più complessi, più difficile progettazione, costi più elevati. Ma: Ottima miscelazione! corotanti controrotanti corotanti controrotanti

19 Stampaggio ad iniezione con estrusore L’utilizzo dell’estrusore permette di migliorare sia l’efficienza della fase di riscaldamento che la miscelazione La vite trasporta la massa fusa in testa all’estrusore. Per aumentare la pressione, la vite si muove assialmente forzando il materiale nello stampo Per estrarre il prodotto, la pressione deve essere annullata. Prime dell’estrazione, la vite si riporta indietro tramoggia Motore del pistone Motore della vite Resistenze Cilindro Vite Ugello Piano fisso Piano mobile Barre di chiusura Cilindro di chiusura Unità di iniezione (parte calda)Unità stampo (parte fredda) Stampo cavità

20 a)Chiusura stampo Pistone a fondo corsa sinistro Ciclo di stampaggio b) Iniezione materiale v d)Alimentazione e)Solidificazione nello stampo F F C)Mantenimento Pistone a fondo corsa destro F F v N d)Estrazione v

21 Lo stampo Unità di iniezione Sistemi di ammorsaggio –Lo stampo è composto di due gusci –L’accoppiamento dei due gusci forma la cavità la linea (piano) di separazione tra le due metà stampo è la parting line (PL) cavità runner sprue nozzle gate Parting line Canali di raffreddamento Pin di estrazione Piastra di estrazione Parte fissa Parte mobile Sistema di estrazione Stampo pieno

22 Lo stampo Apertura stampo Parte fissa Parte mobile Sistema di estrazione Sprue puller Pin di estrazionePiastra di estrazione

23 Lo stampo Parte fissa Parte mobile Sistema di estrazione Sprue puller Pin di estrazione Piastra di estrazione Estrazione del pezzo

24 Reaction injection molding Il problema maggiore legato allo stampaggio ad iniezione tradizionale è legato alle alte pressioni, dovute alla geometria del pezzo ed alla viscosità del fuso Per prodotti grandi, le pressioni possono anche essere molto grandi Soluzione: ridurre la viscosità e mantenere pressioni più basse Nel RIM i componenti in fase liquida vengono iniettati separatamente nello stampo. La reazione avviene nello stampo, dopo che il riempimento è finito Polimeri termoindurenti + agenti di cura Macchinari più economici Miscelazione migliore e più efficace Maggiori problemi di ritiro (fino al 10%) in fase di polimerizzazione. Aggiunta di agenti schiumanti No estrusione (viscosità bassissima, non si crea pressione), miscelatori e presse Problemi ambientali

25 Schema di processo Molto adoperato per la produzione di poliuretani espansi

26 Stampaggio per soffiaggio Processo adoperato per la produzione di bottiglie o corpi cavi, tramite l’iniezione di aria all’interno della plastica fusa Due varianti: –stampaggio per soffiaggio a estrusione –stampaggio per soffiaggio a iniezione Si produce una preforma (parison) in cui viene iniettata l’aria Nella prima variante il parison in uscita dall’estusore viene messo direttamente nello stampo. Si realizza un processo continuo. Ci sono problemi legati alla gravità, che possono causare spessori del parison non uniformi Nella seconda variante il processo è discontinuo, la preforma ottenuta per iniezione deve essere riscaldata una seconda volta per essere soffiata

27 Stampaggio per soffiaggio a estrusione Variante a più stampi o più teste di estrusione Il controllo dello spessore del parison permette di ottimizzare il rapporto resistenza (spessore minimo)/ prezzo (spessore medio) estrusione parison chiusura stampo soffiaggio apertura stampo- estrazione Testa di estrusione parison stampo Ugello aria P Testa di estrusione multipla

28 Stampaggio per soffiaggio ad iniezione Lo stampaggio per soffiaggio ad iniezione consente un migliore controllo delle temperature, e delle condizioni di cristallizzazione Usato per PET. PET cristallino è opaco, non utilizzabile per bottiglie Il PET è iniettato in stampo freddo per avere struttura amorfa La preforma è di nuovo riscaldata (a T g <T<T m ) per evitare la ricristallizzazione, e soffiata iniezione Barra di soffiaggio 1) iniezione2) Parison preriscaldato nello stampo più grande 3) Soffiaggio P 4) Estrazione Valvola one-way

29 Tempra del PET PET (polietilentereftalato) semicristallino per realizzare bottiglie Viene raffreddato velocemente (temprato) per evitare che si formi una struttura cristallina (stampaggio ad iniezione)  materiale amorfo Curve CCT T Log t Tm=265°C Tg=72°C

30 Soffiaggio del PET Il materiale viene riscaldato per essere soffiato (applicando una pressione) La temperatura ed il tempo di soffiaggio devono essere sufficientemente bassi da evitare che il materiale ricristallizzi t s <<t c tsts tctc T Log t Tm=265°C Tg=72°C

31 Stretch blow molding Due varianti: –injection blow molding –Stretch-blow moulding Nella prima variante il parison è lungo quanto lo stampo, c’è solo espansione radiale Nella seconda il parison è più corto dello stampo, e si espande in due direzioni. Questo consente di avere migliori proprietà nel piano di espansione, data l’orientazione delle macromolecole

32 Ciclo di produzione

33 Metodi delle polveri Riguardano principalmente i materiali ceramici (ma anche in misura minore polimeri e metalli) I ceramici cristallini sono generalmente ottenuti compattando polveri riscaldate ad elevate temperature, talvolta in presenza di leganti La fasi di processo sono: –Preparazione del materiale –Formatura –Trattamento termico

34 Preparazione La fase di preparazione dei materiali richiede la frantumazione delle polveri a granulometrie di dimensioni adeguate Vengono aggiunti una serie di additivi Gli additivi modificano alcune proprietà del materiale, permettendone la formatura: –Solventi: formano una fase liquida che può essere colata più facilmente (acqua o solventi polari) –Surfattanti: riducono la tensione interfacciale tra fase solida e fase liquida, migliorando la dispersione delle polveri nel solvente. Paste più uniformi e a minore viscosità (a parità di rapporto solido/liquido) –Deflocculanti: Vengono aggiunti per ridurre l’agglomerazione della particelle solide –Coagulanti: all’inverso dei deflocculanti, aumentano l’aggregazione –Plastificanti –Lubrificanti

35 Preparazione La fase di preparazione dei materiali richiede la frantumazione delle polveri a granulometrie di dimensioni adeguate Vengono aggiunti una serie di additivi Gli additivi modificano alcune proprietà del materiale, permettendone la formatura: –Solventi: formano una fase liquida che può essere colata più facilmente (acqua o solventi polari) –Surfattanti: riducono la tensione interfacciale tra fase solida e fase liquida, migliorando la dispersione delle polveri nel solvente. Paste più uniformi e a minore viscosità (a parità di rapporto solido/liquido) –Deflocculanti: Vengono aggiunti per ridurre l’agglomerazione della particelle solide –Coagulanti: all’inverso dei deflocculanti, aumentano l’aggregazione –Plastificanti –Lubrificanti

36 Trattamenti termici Il processo di trattamento termico generalmente è condotto ai seguenti scopi: –Essiccamento (eliminazione del solvente ed altri additivi). Per l’acqua l’essiccamento avviene attorno ai 100°C, per i leganti organici attorno a 400-500°C –Densificazione (aumento della densità di bulk del materiale) –Vetrificazione –Sinterizzazione H2OH2O argilla % acqua volume Diminuisce l’acqua interparticellare Diminuisce l’acqua nei pori

37 Porosità In generale, per un materiale composto di polveri la densità di massa (massa/volume totale) è minore di 1 Il massimo fattore di impacchettamento per particelle tutte delle stesse dimensioni e perfettamente sferiche è pari a 0.74 Quindi la densità di bulk  B è minore della densità propria del materiale  0 Avendo delle forme non perfettamente sferiche, in genere il volume totale aumenta V occV V tot =V occ +V V

38 Densificazione La densità di bulk è minore della densità del materiale Il processo di densificazione è effettuato allo scopo di aumentare la densità di bulk, riducendo la densità di vuoti La densità di bulk ha come limite superiore la densità propria del materiale

39 Porosità intergranulare e intragranulare La porosità è la somma di due contributi: –Porosità intergranulare: ciascun poro è racchiuso tra due o più granelli di materiale. Alla porosità intergranulare è associata una dimensione media dei pori maggiore –Porosità intragranulare: ciascun poro è racchiuso all’interno di un singolo granello di materiale. Alla porosità intragranulare è associata una dimensione media dei pori minore Pori intergranulariPori intragranulari Volume (cm3/g) Dimensione dei pori (  m) 1001010.10.01 0.6 0.4 0.2 0

40 Effetto della pressione Applicando una pressione, mentre il materiale si trova ancora allo stato solido, avviene una riduzione della frazione di vuoti dovuta alla variazione della forma dei granuli Volume (cm3/g) Dimensione dei pori (  m) 1001010.10.01 0.6 0.4 0.2 0 Pressato 10 MPa Pressato 70 MPa pressione Polveri deformate e compattate Materiale pressato Porosità intragranulare residua pressione

41 Effetto della pressione All’aumentare della pressione, aumenta la densità di bulk Densità di bulk relativa (%) Forza di chiusura del punzone (MPa) 20406080 50 40 30 60 Polveri KBr Porcellana 70 80 90 Allumina

42 Densificazione Tra categorie di consolidamento di materiali ceramici: Vetrificazione: la composizione e la temperatura di processo sono tali da formare una fase liquida in quantità tale da eliminare la fase gassosa (porosità) Sinterizzazione senza fase liquida: la temperatura e la composizione sono tali che non si forma fase liquida. La completa densificazione viene raggiunta per cambiamento della forma dei grani Sinterizzazione con fase liquida: la composizione e la temperatura sono tali da formare una fase liquida, ma in quantità insufficiente da eliminare la porosità. Sono necessari dei cambiamenti della forma dei grani per raggiungere la completa densità

43 Vetrificazione Riguarda in genere ceramici tradizionali, che hanno al loro interno delle specie bassofondenti che formano una fase liquida La fase liquida elimina i pori e funge da “legante” per la fase rimasta solida Densità di bulk relativa (%) Temperatura o tempo del processo 50 40 30 60 70 80 90 argilla Formazione fase liquida La fase liquida (vetrosa) riempie i pori

44 Sinterizzazione allo stato solido La driving force è la riduzione dell’energia libera totale del sistema (componente superficiale e volumetrica) Due particelle sinterizzano per ridurre la superficie totale (a parità di volume occupato)

45 Riduzione di energia superficiale La variazione di energia superficiale per unità di volume è data da È tanto più alta quanto più R 0 è basso Si macinano le polveri per ridurre R 0 e rendere il processo più rapido!! Due particelle di materiale solido non sinterizzano La viscosità è molto alta (al limite infinita)!!! La viscosità si oppone alla sinterizzazione (alta viscosità, bassa diffusività)

46 Sinterizzazione allo stato solido Il processo di sinterizzazione può avvenire sia in isoterma che in dinamica R 2y

47 Parametri di processo Temperatura Tempo Granulometria polveri Composizione del sistema Pressione applicata Presenza di additivi Densità di bulk relativa (%) Temperatura di sinterizzazione (°C) 70 60 80 90 100 Pressato a caldo Polveri fini Polveri grossolane 1400120010001600 Stadio iniziale Stadio intermedio Stadio finale 50