La nobile arte delle piccole parti

A occhio nudo è difficile riconoscerlo, ma attraverso la lente di un microscopio è chiaro: anche un componente in plastica, grande solo pochi millimetri, può avere una struttura complessa, cavità precise o sottosquadri. Ma mentre ciò rientra da lungo tempo nella quotidianità per i componenti grandi, è difficile pensare che anche quelli minuti possano essere realizzati in una macchina per stampaggio a iniezione o possano essere prodotti in silicone.

Tuttavia, con la tendenza verso la miniaturizzazione, aumenta il fabbisogno di componenti che mostrano i limiti della tecnica di produzione. La miniaturizzazione non riguarda solo le dimensioni globali del componente, ma anche le piccolissime strutture al suo interno. Per i fabbricanti ciò significa dover realizzare le piccolissime strutture nei nuclei degli stampi o negli inserti degli strumenti, preparare volumi d’iniezione inferiori a quello di un granulo e anche geometrie di pochi centesimi di millimetro non rappresentano più una rarità.

Naturalmente, non esiste una base per il micro-stampaggio a iniezione: componenti con superfici microstrutturate, stampi di precisione con tolleranze micrometriche nonché pezzi con un peso di pochi milligrammi oggi vengono già stampati a iniezione in serie grandi, ma di norma si utilizzano i termoplasti per produrli. Appena entra in gioco il silicone, valgono leggi di produzione proprie, perché il materiale reagisce in modo diverso nel micro-stampaggio a iniezione. Per Dominik Kreuzmayr, responsabile del micro-stampaggio a iniezione per l’azienda tedesca Starlim Sterner, nel reparto Business Development, lo stampaggio a iniezione di siliconi è una „nicchia nella nicchia“ e rappresenta un mercato con un futuro davanti a sé.

L’azienda di Marchtrenk si è specializzata nel micro-stampaggio a iniezione nel settore dei siliconi; i prodotti vengono oggi utilizzati perlopiù nell’ingegneria biomedica, ad esempio in pompe per insulina e protesi uditive, ma anche nella micromeccanica, nell’industria automobilistica, delle telecomunicazioni e nella tecnologia di analisi i pezzi miniaturizzati sono molto richiesti. Il componente più piccolo fino a oggi prodotto in azienda per il settore medico pesa solo 0,0026 g ed è pertanto otto volte più leggero di un chicco di riso. „E penso che potrebbero essere ancora più piccoli“, afferma Kreuzmayr.

La grande sfida dei microcomponenti vede gli esperti al lavoro nella costruzione di strumenti: per i pezzi piccoli sono necessari speciali strumenti che soddisfano severe tolleranze e specifiche dei clienti. „Lo strumento deve essere assolutamente preciso e stabile. Soprattutto durante la lavorazione di siliconi, che è particolarmente soggetta a bavature e nella quale l’overspray si verifica più rapidamente rispetto a quanto avviene con i termoplasti.“ Inoltre, gli strumenti vanno trattati con molta attenzione perché potrebbero rompersi rapidamente, ad esempio perché a causa di un’impugnatura errata una staffa si rompe o si deforma.

Strumenti a elevata precisione per il micro-stampaggio a iniezione sono prodotti dall’azienda nei propri laboratori, ma non è tutto. Nel micro-stampaggio a iniezione, tutti i processi devono armonizzarsi con una precisione maggiore rispetto a quanto avviene per il normale stampaggio a iniezione: „Non solo lo strumento è decisivo, ma anche la macchina per stampaggio a iniezione deve essere stabile nel funzionamento e deve mescolare e iniettare il materiale con precisione riproducibile“, afferma Kreuzmayr. Ciò vale per lo stampaggio a iniezione di siliconi, lo stampaggio a iniezione bicomponente, come anche per l’aggiunta di additivi, ad esempio per dotare un componente medico di caratteristiche antisettiche. L’esperto progettista vede un trend futuro anche nelle applicazioni bicomponenti di siliconi e termoplasti, che uniscono più funzioni e pertanto corrispondono in modo molto particolare al concetto di miniaturizzazione. La selezione dei materiali è praticamente illimitata. „Inoltre, siamo in grado di lavorare ogni silicone liquido da 20 a 80 Shore-A, pertanto da morbidissimo a duro“, afferma Kreuzmayr. Per i termoplasti vale la stessa cosa, tuttavia occorre assicurarsi di utilizzare termoplasti resistenti alle temperature, perché uno strumento in silicone raggiunge, in applicazione, una temperatura tra i 160 e i 200 °C e pertanto un pezzo termoplastico non resistente alle alte temperature potrebbe fondersi.

Per produrre i suoi pezzi realizzati con micro-stampaggio a iniezione, Starlim Sterner utilizza macchine speciali. Esse non hanno solo un volume ridotto, ma possiedono anche pistoni più piccoli, corse più brevi, un dosatore più piccolo e un azionamento elettrico più preciso. „La particolarità del micro-stampaggio a iniezione è che non si può ridurre la scala del normale processo di stampaggio a iniezione“, così Kreuzmayr commenta l’obiezione mossa da molti clienti. „Tutto comincia dalla base, tutti i processi devono essere armonizzati in modo ancora più preciso.“ E anche i passaggi seguenti come deformazione, controllo e confezionamento richiedono una movimentazione speciale. Perlopiù le macchine sono dotate di un robot, pertanto i microcomponenti spesso sono più costosi dei singoli pezzi di serie standard.

Tuttavia i fabbricanti di pezzi prodotti con micro-stampaggio a iniezione devono affrontare la pressione dei costi. È possibile risparmiare materiale ed energia, ma proprio per i componenti talvolta particolari e gli strumenti molto precisi, le macchine per il micro-stampaggio a iniezione spesso costano di più delle normali macchine 90 t. Una valida alternativa è rappresentata dalle macchine in formato tavola: la serie Babyplast di Christmann Kunststofftechnik GmbH utilizza ad esempio strumenti molto più piccoli e pertanto anche più convenienti. In questo modo gli investimenti per la macchina sono molto ridotti, spiega l’amministratore delegato Marc Tesche. Se deve produrre numeri di pezzi superiori, l’utilizzatore può utilizzare parallelamente altre macchine, senza alcun problema. Le macchine del fabbricante di Kierspe sono su misura per piccoli pesi dell’iniezione e consumano molta meno energia (vedi intervista 48).

Del tema dell’efficienza energetica si è occupato anche il fabbricante di macchine per lo stampaggio a iniezione Engel Austria GmbH. Per la produzione di precisi pezzi a micro-pareti e a pareti sottili, l’azienda di Schwertberg offre il processo X-Melt: il fuso si rilassa nel sistema a canale caldo dopo l’apertura a esplosione delle valvole a spillo nelle cavità. Il risultato sono pezzi piccoli o a pareti estremamente sottili, dalla forma precisa e con un peso tra 0,1 e 20 g. Poiché il fuso plastico funge da accumulatore di energia, questa forma dello stampaggio a iniezione ad alta velocità ha un fabbisogno energetico ridotto.

Della produzione di minuteria biomedica particolarmente filigranata, si occupa anche l’azienda di lavorazione della plastica Scholz-HTIK GmbH & Co. KG di Kronau, in Franconia. L’azienda si è specializzata nello stampaggio a iniezione di precisione e nel micro-stampaggio a iniezione e da anni investe sempre più nello sviluppo e nella produzione di micro-impianti. Il micro-stampaggio a iniezione rappresenta qui un processo produttivo molto promettente: è stato, ad esempio, possibile progettare un impianto per l’orecchio medio che con soli 20 mg di peso dei componenti dispone di otto articolazioni, ed è in grado di riprodurre la biomeccanica di un orecchio sano.

Un vantaggio dello stampaggio a iniezione di impianti risiede, secondo il dott. Marc Hofstetter, responsabile dei prodotti medicali presso Scholz-HTIK, nella possibilità di implementazione già nella formatura originaria di una struttura di superficie. Con grande riproducibilità, è possibile modellare strutture anche di pochi micrometri. Gli impianti modellati sul tessuto target vengono accettati meglio dal corpo, pertanto funzionalità e resistenza aumentano in modo significativo. La produzione e il confezionamento in camere bianche proteggono i prodotti non solo da contaminazioni biologiche: un ambiente pulito consente anche processi produttivi fluidi, poiché nell’ambito dei micron anche particelle piccolissime possono causare incidenti.

Il dott. Hoffstetter, in quanto responsabile dei prodotti medicali, si occupa anche della produzione e per essa ha scelto il sistema a camere bianche conforme GMP Clean-Stericell di Schilling Engineering GmbH, azienda di Wutöschingen: „L’intero ciclo di processo della micro-tecnica deve essere armonizzato alla perfezione. Nella produzione di impianti biomedici, una tolleranza a zero errori e il massimo igiene sono imprescindibili.“ Il sistema a camere bianche offre un ambiente di produzione costantemente puro e funziona completamente senza problemi, consentendo all’azienda concentrarsi sulla sua competenza principale: il micro-stampaggio a iniezione.

Anche presso l’Institut für Mikrosystemtechnik Imtek dell’Albert-Ludwig-Universität Freiburg il micro-stampaggio a iniezione è divenuto una delle competenze fondamentali. I ricercatori apprezzano, oltre ai ridottissimi pesi dei pezzi, ai brevi tempi di ciclo e alla grande precisione, anche il grado di automatizzazione del processo produttivo. Per le applicazioni sul posto, è disponibile una macchina Microsystem-50 della Wittmann Battenfeld GmbH, di Kottingbrunn: l’impianto, completamente elettrico, realizza tutte le fasi di processo importanti per la produzione di microcomponenti complessi. In questo modo, è possibile realizzare in serie pezzi dal peso anche inferiore a 0,001 g. La struttura modulare della macchina consente di lavorare una vasta gamma di materiali, e permette varianti di processo, come ad esempio la tempera dinamica della cavità, la relativa evacuazione, lo stampaggio a iniezione di montaggio, l’overmolding e lo stampaggio a iniezione multicomponente. Le cavità e le impronte vengono costruite e fabbricate all’interno dell’istituto stesso, mentre gli strumenti completi vengono sviluppati e prodotti in collaborazione con le aziende della regione.

E naturalmente la Wittmann Battenfeld si occupa anche della lavorazione di silicone fluido nell’ambito dei micron: la serie Micropower può essere riallestita grazie al rapidissimo cambio da gruppo termoplasti a gruppo di stampaggio a iniezione LSR.

Susanne Schwab susanne.schwab@konradin.de

Ulteriori informazioni Sul Starlim Sterner: www.starlim-sterner.com Sulla Scholz-HTIK: www.scholz-htik.de Sull’istituto Imtek: www.imtek.de Sulla Wittmann Battenfeld: www.wittmann-group.com

Si producono pezzi molto piccoli, otto volte più leggeri di un chicco di riso

Tre pezzi di un puzzle di appena 1 mm si uniscono in quello che è probabilmente il più piccolo puzzle del mondo: l’hanno prodotto i ricercatori con il processo Liga2.X, lo stampo microstrutturato con la fonte di radiazioni di sincrotrone Anka, ideato presso il Karlsruher Institut für Technologie (KIT) . Secondo dati dell’Istituto, con il processo Liga si possono produrre microstrutture da diversi metalli, ceramiche o plastiche. L’abbreviazione sta per „Lithografie“, „Galvanik“ e „Abformung“ (litografia, processi galvanici e getto).

L’obiettivo è una produzione in massa economicamente conveniente di microcomponenti in plastica con un volume inferiore a 0,5 mm³. Fino a oggi, per la microformatura a iniezione di parti di questa misura era necessaria una piastra di substrato che collegasse i componenti tra loro affinché fosse possibile staccarli dallo stampo. Liga2.X renderà questa fase inutile e consentirà di produrre i componenti in modo diretto e individuale tramite la microformatura a iniezione. Gli strumenti utilizzati consistono in tre pannelli per staccare i singoli pezzi stampati dallo stampo, e in quattro stampi Liga, montabili alternativamente in una piastra strumenti.