di Michele Gambelli

(Articolo pubblicato sulla  rivista "INTERPLASTICS" edita da Tecniche Nuove,
(fascicolo n° 5 del giugno 2004, da pagina 55 a pagina 60).

Premessa

La realtà economica moderna richiede prodotti con un ciclo di vita sempre più breve. Questi prodotti, inoltre, devono essere personalizzati sulle richieste e sui gusti dei clienti. Questo trend di abbandono delle produzioni di massa, e di diversificazione esasperata all’interno del singolo prodotto, in luogo di stabilizzarsi, sembra accelerare in modo inflativo ogni giorno di più. La termoformatura di componenti tecnici, grazie a macchine e stampi sempre più precisi ed una progettazione dei pezzi custom, sulle possibilità del processo, ha provato di essere più flessibile ed efficace a fronteggiare questa situazione; in altri termini sta prosperando. Ne è prova il suo tasso di crescita media annua, vicino alle due cifre, registrato in questi ultimi cinque anni negli Stati Uniti; a fronte invece della generale stagnazione del mercato dell’iniezione.

Principio di funzionamento

La termoformatura è una tecnologia molto semplice ed intuitiva, non si avvale della fusione, ma produce manufatti per mezzo della deformazione plastica di un semilavorato portato allo stato gommoso. Tecnica utilizzata sin dall’inizio del 1800, per formare artigianalmente, per sagomatura in stampi d’ulivo, piccoli oggetti in materia plastica naturale, si pressava una foglia ricavata da corna di bue o gusci di tartaruga, per ricavare pettini fermacapelli, coperchi di scatole portacipria, ecc. La termoformatura moderna  parte da un semilavorato: una foglia in rotoli oppure una lastra piana. Ha delle analogie con il soffiaggio dei corpi cavi, dove viene deformato un semilavorato allo stato gommoso, una preforma iniettata oppure un tubo estruso. Analogamente all’estrusione-soffiaggio, il manufatto termoformato deve essere liberato dallo sfrido con una lavorazione meccanica successiva (cesoiatura, contornatura con utensile rotante o taglio con laser). Il procedimento riesce a dare il meglio di se nel caso di manufatti piuttosto grandi, moderatamente sagomati, a spessore costante, e con sottosquadra nelle possibilità della tecnologia. Lo stampo è uniface, modella il manufatto con una sola superficie, può essere sia positivo (stampo “maschio”) sia negativo (stampo “femmina”); la sagomatura della lastra avviene principalmente per mezzo del vuoto, che agisce in modo da far aderire la lastra allo stampo freddo (da alcuni viene perciò detta vacuum-formatura), sino a che il manufatto non abbia raggiunto la temperatura di smodellamento. 

Macro settori merceologici della termoformatura

Due distinti, a seconda se il semilavorato è una foglia sottile in rotoli oppure una lastra piana.

Vengono fatti con foglia (in genere, spessore meno di un mm) tutti i contenitori monouso. Due per tutti: i bicchierini del caffè delle macchinette aziendali, oppure i contenitori dello yogurt; entrambi prodotti con macchine molto veloci, dette linee di forma-trancia, con stampi in acciaio pluri-impronta riescono a produrre agevolmente oltre 25.000 pezzi ora. Una differenza, non da poco, è che la linea per i bicchierini del caffè è nelle mani di un imprenditore che lavora per conto terzi, produce bicchieri di varie misure o altri articoli affini “usa e getta”, mentre le linee per i contenitori dello yogurt, oppure quelle per la produzione degli alveolari per le pillole farmaceutiche (blister), vengono considerate macchine di confezionamento e sistemate perciò all’inizio delle linee di riempimento del cliente finale, (talune addirittura in clean-room, -camera bianca- o in ambiente sterile). Sempre partendo da rotolo c’è da registrare una produzione d’imballi alveolari in foglia per conto terzi, si tratta dei vassoi, interno cassetta, per il trasporto della frutta oppure interni scatola, spaziatori per dolciumi oppure, dopo floccatura, per l’imballo di articoli vari di un certo pregio. Recentemente si è aggiunto un articolo tecnico in foglia di policarbonato o altro tecnopolimero trasparente, decorato, termoformato e fustellato; viene utilizzato dall’iniezione per la tecnica dell’ “In mould decoration” (decorazione per mezzo di foglia trasparente sovrastampata) per componenti di cruscotti auto-veicolistici, e non solo, altrimenti impossibili a prodursi.

Partendo da lastra singola (spessori fra i 2 e gli 8 mm) si ottengono gli articoli tecnici. A questo proposito c’è da registrare la produzione storica dei due componenti di base per il frigorifero: la controporta e la cella. Per questi articoli, nell’arco di oltre mezzo secolo, si sono evolute macchine specifiche in grado di produrre 70 celle oppure 120 controporte all’ora. Queste macchine specifiche, vere e proprie linee a più stazioni, non sono molto adatte a produrre l’articolo tecnico generico, molto diversificato e con tirature modeste; per questo settore si preferisce una macchina mono-stazione universale, con o senza caricatore automatico della lastra ed una stazione di riscaldo in linea. L’isola di lavoro viene completata con una contornatrice a 5 o 6 assi per liberare lo sfrido. Il settore frigo ed auto-caravan richiede compositi con strato di schiuma poliuretanica rigida, per cui, chi vuole servire questo settore, deve si aggiungere alla cella di lavoro anche una schiumatrice per poliuretani.

Tipologia degli articoli tecnici producibili ed acquisiti dalla termoformatura

Allestimenti per trattori agricoli, interno cabine e tettucci. Allestimenti interni per autocaravan e roulotte. Attrezzature e carrelli bio-medicali. Protesi per immobilizzare arti lesi. Fiancate per banconi frigo e postazioni di cassa per supermarket. Servizi sanitari e vasche da bagno. Parti di distributori automatici di bevande e di caffe. Allestimenti per motociclette. Passaruota e fascie esterne per autovetture. Allestimenti per barche in genere. Espositori per negozi. Insegne e pannelli luminosi di tutti i tipi. Pannelli per condizionatori. Carcasse e fianchetti per idropulitrici, allestimenti per de-cespugliatori e rasa erba, allestimenti per carrelli a forca e moto-pulitrici. Sempre più spesso: plance portastrumenti per fuoristrada ed autobus, per questi ultimi vengono fatti componenti anche per le cappelliere. Allestimenti in cabina per autocarri e veicoli industriali. Pannelleria per aerei in tecnopolimero. Recentemente si sono visti pezzi molto estetici per gli interni delle autovetture di gamma elevata. C’è la diffusa convinzione che le macchine moderne dotate di cambio rapido stampi, programmazione computerizzata, controllo micrometrico dei movimenti, elementi radianti molto piccoli e pilotati singolarmente, controllo della temperatura della lastra con pirometri a raggi infrarossi, misuratori di spessore ad ultrasuoni integrati nello stampo, disponibilità di forza di chiusura sufficiente a fare il “pressure forming” (formatura a pressione, 100 ton ed oltre), stampi in alluminio poroso, l’utilizzo di “plug assist” dinamici, con il vuoto e la funzione di rilascio (sono spintoi per coadiuvare la formatura), l’assistenza del costruttore via ISDN per la diagnosi, la disponibilità di software di simulazione del processo di stiro, ecc., contribuiranno sempre di più ad estendere il campo applicativo, già grande, di questa tecnologia.

I pro ed i contro la termoformatura degli articoli tecnici.

 

Termoformatura

Iniezione

Spessore del pezzo

Meno preciso, perché influenzato dello stiro.

Controllabile con precisione.

Geometria del pezzo

Tecnologia adatta per pezzi non molto complessi.

I pezzi possono essere anche molto complessi ed intricati.

Accuratezza dimensionale

Tecnologia con quote precise solo su di una faccia del pezzo, nella faccia opposta le quote sono influenzate dallo spessore non costante del pezzo.

Tecnologia più precisa.

Tipi di materia prima

Non vi sono limiti, POM compreso. C’è da registrare un vantaggio poiché è possibile utilizzare lastre di due o più materiali diversi coestrusi, oppure lastre placcate con uno strato estetico più pregiato.

Quasi tutti i materiali sono iniettabili, ma il processo presuppone una fusione per cui non è possibile ottenere un manufatto con strati di materiale diverso, a meno di accettare i compromessi della coinjection.

Costo del polimero

Il semilavorato estruso costa mediamente 1,20 € al kg in più rispetto al granulo, per la sua trasformazione in lastra. C’è inoltre da conteggiare il costo della macinazione dello sfrido.

Quello del granulo.

Struttura del pezzo

La temperatura di processo e gli sforzi di stiro e formazione sono modesti, rispetto all’iniezione, per cui il manufatto, in genere, ha tensioni interne trascurabili.

Lo stampaggio ad iniezione crea microstrutture locali con caratteristiche molto diverse dal resto del pezzo, linee di giunzione dei flussi comprese.

Costo dello stampo

Dal 10 al 20 % del pari dimensione per l’iniezione.

Molto elevato.

Tempo di approntamento stampo per un pezzo medio da 800 * 400 * 300 mm.

Lo stampista del settore può consegnare lo stampo in meno di 6 settimane.

Al meglio 15 - 16 settimane.

Cambio dello stampo

Ormai da quasi 10 anni le termoformatrici per articolo tecnico consentono il cambio lavorazione in meno di 5 minuti, avviamento compreso.

Per cambi stampo e materiale non si riesce ad essere altrettanto veloci, a meno di avere macchine con il cambio rapido del plastificatore.

Scarti all’avvio della nuova produzione.

In genere da due a cinque stampate massime.

Se il cambio dello stampo è accompagnato dal cambio del materiale nel plastificatore e si produce un pezzo estetico, le puntinature e le deturpazioni possono persistere per più ore.

Costo dell’impianto

Termoformatrice, di ultima generazione, con stazione di riscaldo in linea, con una CNC leggera a 6 assi per la contornatura. L’isola di lavoro la si può allestire all’incirca con il costo di una macchina d’iniezione di pari dimensione. 

L’isola di lavoro va completata con l’essiccatore del granulo, il termoregolatore dello stampo, il robot di scarico dei pezzi e l’allestimento del posto di lavoro.

Ingombro in pianta

L’isola di lavoro occupa circa il 50%  in più di area rispetto ad una macchina ad iniezione.

L’isola di lavoro è più compatta.

Costo del manufatto

Tecnologia più adatta ai piccoli lotti di pezzi grandi. Vedere più sotto una comparazione analitica dei costi.

Tecnologia più adatta a produrre grandi lotti di un componente, medio o piccolo, molto longevo.

Specificità

La termoformatura è l’ideale per pezzi di carrozzeria (o carcasse di copertura) con la dimensione maggiore all’interno della finestra 500 mm – 1800 mm ed oltre, con elevazioni di sagoma che possono raggiungere anche i 500 mm. Pezzi formati sostanzialmente da una estesa superficie in sagoma, con moderate zone in sottosquadra, a cui è associato uno spessore costante compreso fra 1,5 mm e 5 mm.

Tecnologia insostituibile per i pezzi del settore micro-tecnico come gli ingranaggi o pezzi anche medio-grandi, nervati ed intricati, con tirature elevate.

Consumo energetico

La termoformatrice consuma all’incirca metà dell’energia della pressa ad iniezione. C’è da aggiungere il modesto consumo della contornatrice.

Per plastificare e stampare, un’isola con una pressa ad iniezione, consuma mediamente 1 KWh per ogni kg di tecnopolimero trasformato.


Analisi comparativa dei costi

Immaginiamo di dover produrre la consolle centrale di un fuori strada, fattibile, senza troppi compromessi con entrambe le tecnologie, termoformatura e stampaggio ad iniezione. I parametri dell’ipotesi sono:

Dimensione esterne nette del componente: 800 * 400 * 300 mm di elevazione.

Spessore medio e peso del pezzo: 3 mm pari a 1840 gr netti in entrambi i casi.

Materiale: PC/ABS; costo del granulo 3,5 € al kg, costo della lastra 4,9 € al Kg

Dimensioni della lastra: 1000 * 600 * 5 mm, peso lastra 3450 gr.; peso dello sfrido 1610 gr.

Costo dell’handling (movimentazione) e della macinazione dello sfrido: 0,25 € al kg.

Tempi ciclo: per l’iniezione: 58,4s pari a 62 pz/ora; per la termoformatura: 109s pari a 33 pz/ora. Vedere più sotto i due diagrammi dettagliati con le fasi del ciclo.

Costo degli stampi: 138.950 € per l’iniezione (compresa l’opera di presa del robot) e 26.500 € per la termoformatura, (compresi la cornice fermalastra ed il posaggio per la CNC di contornatura).

Costi di trasformazione: Entrambe le isole di lavoro hanno un operatore per la conduzione. La pressa ad iniezione è una 1000 ton, con l’equipaggiamento completo (robot, termocondizionatore stampo, deumidificatore del granulo) costa 460.000 €. Per semplicità assumiamo che entrambe le macchine dell’isola: termoformatrice con lastra massima da 1500 * 1000 dotata di pressa da 50 ton, e stazione di riscaldo lastra in linea e la contornatrice CNC leggera a 6 assi, specifica per resine, costino quanto la pressa ad iniezione. In queste condizioni diventa lecito assumere che il costo orario delle due isole sia equivalente, noi lo consideriamo commercialmente pari a 95 € all’ora.


Fasi del ciclo di stampaggio ad iniezione del componente plastico sottoposto ad analisi dei costi. Le presse ad iniezione, in questi ultimi dieci anni hanno subito solo piccole  migliori marginali. La tecnologia è da considerarsi consolidata e perciò poco flessibile.


 

Fasi del ciclo di termoformatura. Come è possibile constatare dal diagramma, le fasi del ciclo di termoformatura del pezzo in esame, sono molto più numerose ed articolate di quelle dell’iniezione. Inoltre la tecnica è meno rigida e consolidata dell’iniezione, ad esempio: lo stampo può essere fatto sia maschio sia femmina, sistemato sul piano pressa superiore o inferiore, la forza per la formatura può derivare solo dal vuoto o anche dalla pressione, il pre-stiro della lastra (formazione del pallone) può essere ottenuto sia con il vuoto sia con la pressione, in fase di formatura è possibile utilizzare degli spintoi (i “plug assist”), sia attivi sia passivi, il tutto pilotato da un computer che consente sovrapposizioni di operazioni. Insomma una macchina molto versatile, stimolante e divertente. L’extra time del diagramma è dovuto al fatto che, i riscaldatori della macchina su cui si è effettuato il rilievo del ciclo, erano pochi e poco controllabili. E’ un tempo senz’altro recuperabile con una macchina avente i riscaldatori più moderni. Nel nostro esempio lo stampo è maschio, sistemato sul piano pressa inferiore, la formazione del pallone per depressurizzazione della campana superiore e si è utilizzato una piccola fase di “pressure forming”, 3 bar che aggiunti al vuoto, portano la forza di modellazione all’incirca a 4 kg/cmq  Non sono stati utilizzati “plug assist”. Entrambi i digrammi hanno sull’ascissa il tempo e gli istogrammi sono in scala.


 

Conteggi:

Costo della materia prima per l’iniezione:

gr 1840 * 1,02 di calo * € 3,50/1000 = 6,57 € al pezzo.

Costo della materia prima per la termoformatura:

lastra gr 3450/1000 * 4,90 € al kg + macinatura sfrido (€ 0,25 al kg * gr 1610/1000) – accredito del macinato (3,5 € * gr 1610/1000) = 16,90 + 0,40 – 5,63 = 11,67 € al pezzo.

Costi di trasformazione:

- per l’iniezione                        95 € all’ora / 62 pz/h = 1,53 € al pezzo

- per la termoformatura           95 € all’ora / 33 pz/h = 2,88 € al pezzo 

Per comodità gli ammortamenti degli stampi li abbiamo calcolati direttamente in tabella a vari livelli di numero pezzi massimi da prodursi, nel corso della vita attiva dello stampo. La tabella espone costi unitari. Per una migliore intelleggibilità, abbiamo riportato i dati sia in forma tabellare sia in forma diagrammatica.

La linea di demarcazione fra le due tecnologie, in questo caso analizzato, è poco sotto i 20.000 pezzi totali. Sotto questo livello, dal punto di vista dei costi, si fa preferire la termoformatura, al di sopra l’iniezione. Per comodità di lettura, vediamo ora l’andamento dei costi unitari del prodotto in forma diagrammatica. L’andamento dei costi è tipico di queste comparazazioni, lo si ritrova, a livelli produttivi diversi, tutte le volte che si fa questo tipo di simulazione.

NB: Siamo consci di aver trascurato parecchi elementi di costo, tutt’altro che marginali, ad esempio: via via che il numero dei pezzi da produrre in un lotto diminuisce, soprattutto per l’iniezione, aumenta l’influenza del costo del cambio dello stampo. Questo è però controbilanciato, nel caso della termoformatura, dal fatto che, meno lastre si acquistano, e più l’estrusorista le fa pagare care, ecc. Noi riteniamo che, nonostante le semplificazioni, le conclusioni cui perviene l’elaborato siano da considerarsi industrialmente accettabili.


Conclusioni

Il componente esaminato deve considerarsi, per i canoni della termoformatura, un pezzo medio-piccolo, il punto di commutazione fra le due tecnologie, dal punto di vista dei costi, si trova intorno ai 17.500 pezzi totali. Questo dato non ha un valore assoluto, via via che le dimensioni del pezzo salgono, sale anche, piuttosto velocemente, il punto di commutazione fra le tecnologie, sino ad arrivare al limite nel quale non si ritrova più l’economicità dell’iniezione.

E’ il caso, ad esempio, di una moderna cella per frigorifero delle dimensioni di 1400 * 500 * 450 mm di profondità (area di spinta 7.000 cmq), con sottosquadra su tutti e quattro i lati, dove, anche ad un livello di 500.000 pezzi totali (corrispondenti ad una produzione di 800 pezzi al giorno per tre anni consecutivi), la termoformatura rimane la soluzione più conveniente. Per l’iniezione, servirebbe almeno una 3.000 ton e lo stampo avrebbe un costo intorno ai 750.000 €; ma non è tutto, perché c’è da tener conto del fatto che l’iniezione non riuscirebbe a fare questo pezzo a 2 mm di spessore, con tutte le specifiche estetiche richieste dal settore, privo di tensioni interne e linee di giunzione dei flussi visibili! In pratica la cella frigo è paradigmatica per i pezzi da considerarsi specifici per la termoformatura.

Per la scelta della tecnologia, va quindi tenuto in considerazione l’andamento esponenziale, in funzione della dimensione del pezzo, del numero dei pezzi di commutazione della convenienza fra le due tecnologie, ad esempio un pezzo con un’area in pianta di 6000 cmq (un pezzo da 950 * 630 mm), purché reso fattibile per la tecnologia, la convenienza ad utilizzare la termoformatura la si ritrova ancora a livello dei 100.000 pezzi totali.

Questo sempre che il progettista del componente faccia lo sforzo di progettare il pezzo con i vincoli del processo. Ed è proprio questo il guaio principale. Mentre è facilissimo trovare progettisti prodotto esperti nella tecnologia dell’iniezione, ben pochi invece sono quelli che riescono a disegnare un componente, che sia in grado di approfittare di tutte le opportunità che la moderna tecnica della termoformatura può offrire. Negli ultimi tempi, tutti i formatori tecnici di risorse umane, compreso chi scrive, hanno lavorato molto sull’iniezione e sulla tecnica per la scelta della materia plastica ottimale, si dovrà ora fare altrettanto nei riguardi della termoformatura, che sta conoscendo una seconda giovinezza. In particolare si dovrà lavorare sull’industrializzazione del prodotto e sui criteri di scelta della tecnologia ottimale, soprattutto per quanto riguarda la zona di sovrapposizione fra l’iniezione e la termoformatura. Questo, anche per non far perdere l’ennesimo treno all’azienda Italia.


Michele  Gambelli
Formatore tecnico

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