La possibilità di sviluppare componenti con prestazioni specifiche per l’impiego finale permette di rispondere in modo ottimale alle esigenze di produzione in numerosi settori applicativi fra cui l’Automotive, Medicale, Aerospaziale, Elettrico ed elettronico. Attualmente, circa il 16% di peso in un veicolo è di plastica, si pensa di raggiungere almeno il 25% entro i prossimi cinque anni. Questo incremento di leggerezza richiederà tecnopolimeri per componenti anche esposti a stress, vibrazioni, calore e fluidi aggressivi. Si presenta una opportunità per la sostituzione del metallo in una vasta gamma di impieghi, dalle attrezzature di produzione di motori per autoveicoli agli impianti di esplorazione ed estrazione di petrolio e di gas ai telefoni cellulari e tablet. I polimeri termoplastici sono materiali “giovani” ma le intense attività di Ricerca Scientifica e di Sperimentazione hanno portato allo sviluppo di Polimeri ad Alte Prestazioni idonei per molte applicazioni industriali che un tempo erano monopolio dei metalli. Sono attualmente disponibili nuovi materiali tecnici termoplastici che presentano caratteristiche di ottima resistenza e rigidità, offrendo prestazioni eccezionali per la sostituzione dei metalli. Posseggono anche eccellenti doti di elasticità e di resistenza allo scorrimento, sono in grado di mantenere buone prestazioni strutturali anche ad alte temperature e contemporaneamente resistere alla corrosione, qualità che il metallo non può sempre corrispondere. I Progetti di Metal Replacement richiedono competenze ed esperienze pluriennali e multi-settoriali nell’intera filiera del processo ed è fondamentale l’approfondimento iniziale delle specifiche di progetto e dei requisiti dell’applicazione richiesta dal Cliente. Produrre con tecnopolimeri in sostituzione dei metalli implica cambiamenti nelle tecnologie impiegate e nei processi di industrializzazione, ma non solo, il cambiamento deve avvenire anche a monte, nella fase di progettazione.
È necessario quindi “pensare in plastica!”
Riveste un ruolo importante anche la conoscenza dei polimeri in termini di caratteristiche generali, delle specifiche di pre-post trattamento e dei criteri di trasformazione, del comportamento in processo e in utilizzo, usufruendo della collaborazione che viene offerta dai fornitori dei polimeri stessi. Il progetto si deve svolgere con fasi successive, per ottenere una definizione ottimale si deve prevedere la Simulazione Fluidodinamica, prima in ottica prodotto poi in prospettiva dello stampaggio. Le tecniche oggi disponibili di stampa in 3D di oggetti, ricavandoli direttamente dal modello prodotto al computer con sistema CAD, costituisce senz’altro un valido aiuto.
Principale vantaggi offerti dal metal replacement:
• Riduzione del Time to Market del Progetto;
• Riduzione dei Costi della Materia Prima;
• Riduzione dei Costi di Lavorazione (pezzo finito in un’unica fase);
• Riduzione dei Costi di logistica;
• Riduzione del Lead Time (meno fasi e più flessibilità);
• Economie in peso < dispendio di energia;
• Libertà di Design;
• Miglioramento delle prestazioni;
• Innovazione Responsabile di prodotto-processo in ottica di Sostenibilità Ambientale.
Alte prestazioni
Le proprietà di un materiale sono di fondamentale importanza nella progettazione dei componenti. Il progettista deve trovare corrispondenza tra le esigenze dell’applicazione e le proprietà del materiale per ottenere un design ottimale del pezzo. I componenti finiti probabilmente conterranno elementi, quali linee di giunzione, spigoli o altro, che ridurranno la robustezza del pezzo. La resistenza può inoltre essere localmente compromessa dall’orientamento delle fibre, dal grado relativo di cristallinità e dalla storia termica (ricottura). Pertanto è utile ricorrere a prove su prototipi per verificare che il materiale sia adatto all’articolo che si sta sviluppando. Nel caso dei materiali polimerici, le proprietà meccaniche dipendono dal tempo e dalla temperatura in misura più importante rispetto ai metalli e, in un certo senso, sono più sensibili ai fattori ambientali. Talvolta progettare con le materie plastiche può sembrare più complicato rispetto all’uso dei metalli, ma le possibilità in termini di varietà di prodotti, processi di trasformazione e operazioni secondarie (saldatura, inserti, stampa, verniciatura, metallizzazione) permesse dai polimeri danno ai progettisti una libertà senza precedenti. Un progettista potrebbe essere tentato di realizzare una parte in polimeri ad alte prestazioni semplicemente replicando le dimensioni del pezzo in metallo senza sfruttare i vantaggi offerti dalla versatilità del materiale o dalla libertà di progettazione. Questo tipo di approccio può portare però a progetti inefficienti, a parti difficili da produrre o con prestazioni non ottimali. L’impiego delle classiche equazioni di stress e deviazioni potrebbe fornire il punto di partenza per progettare un componente. I calcoli di progettazione meccanica nel caso delle resine sono simili a quelli usati per i tecnopolimeri. Come per tutte le materie plastiche, però, l’analisi deve riflettere la natura viscoelastica del materiale. Inoltre, le proprietà del materiale possono variare con il grado di tensione, la temperatura, l’ambiente chimico o l’orientamento delle fibre nel caso di polimeri caricati. Pertanto l’analisi deve tener conto di tutte le condizioni di lavoro che il pezzo dovrà affrontare. Per esempio, se le condizioni di utilizzo prevedono un carico prolungato per un lungo periodo di tempo, allora è opportuno usare il modulo apparente o di creep al posto del modulo elastico a breve termine; se il carico è ciclico e sul lungo periodo, il fattore limitante per la durata del progetto riguarderà la resistenza allo sforzo.
