È il momento di iniziare a sovrastampare gli elastomeri termoplastici (TPE). I TPE sono stati tradizionalmente utilizzati per sostituire la gomma, ma le nuove tendenze del mercato dei consumatori hanno reso l'idea del sovrastampaggio un dato di fatto nel mondo degli affari. La domanda e le tendenze del mercato consumer sono in crescita per una migliore sensazione ergonomica e tattile, per la presa, per l'aspetto, per la protezione dagli impatti, per la separazione dalle vibrazioni e per l'isolamento. I progettisti di prodotti di consumo stanno definendo gli standard che i produttori di materiali devono rispettare, proponendo soluzioni dall'aspetto e dalla sensazione gradevoli e che funzionano bene nelle applicazioni finali più esigenti.

Questo saggio parla della tecnologia di sovrastampaggio del TPE in termini generali e del gruppo di materiali che possono essere utilizzati per realizzare soluzioni progettate per questa tendenza sempreverde. In termini di substrati rigidi, il polipropilene (PP), il polietilene (PE), il polistirene (PS), il polistirene ad alto impatto (HIPS), l'ossido di polifenilene (PPO), il polietilene tereftalato modificato con glicole (PETG), l'acrilonitrile butadiene stirene (ABS) e le plastiche polari semicristalline come il poliestere (PET, PBT) e la poliammide (Nylon 6, Nylon 66) sono alcuni esempi. Le nuove tecnologie di miscelazione e compattazione dei materiali hanno reso possibile la realizzazione di prodotti che possono essere sovrastampati su questi diversi substrati.

Per il sovrastampaggio di TPE su superfici rigide, molti aspetti sono molto importanti. La prima e più importante cosa è scegliere il tipo di TPE che funzionerà con la base rigida. Sono importanti anche il processo di sovrastampaggio (come l'insert o il 2K Moulding), il tipo di macchina, le condizioni di processo, la preparazione del materiale, il design del pezzo e quello dello stampo. Tecnologie esclusive per i materiali, nuovi design di pezzi e utensili e miglioramenti nelle tecnologie di sovrastampaggio manterranno attiva la mente dei progettisti, in modo che possano soddisfare le esigenze sempre crescenti dei consumatori in termini di comfort, estetica e valore aggiunto.

Tecnologia di sovrastampaggio TPE

Sovrastampaggio di TPE utilizza lo stampaggio a iniezione per mettere un materiale (sovrastampaggio) sopra un altro materiale (substrato). Il materiale sovrastampato deve aderire al substrato in modo da durare nell'ambiente di utilizzo finale e funzionare bene. Il sovrastampaggio elimina la necessità di colle e primer per attaccare i TPE ai materiali duri. La tecnologia di sovrastampaggio offre ai progettisti maggiore libertà, riduce i costi di produzione e semplifica la realizzazione di oggetti. Le due modalità principali di sovrastampaggio sono il Multiple Material Moulding e l'Insert Moulding.

Lo stampaggio a iniezione con più di un materiale è noto anche come stampaggio a iniezione multicolore o a due riprese. La Figura 1 mostra il tipo di stampi utilizzati. Hanno due o più unità di iniezione. I bracci della pressa a iniezione possono essere impostati in modo da essere paralleli tra loro o ad angolo retto. Nello stampo sono presenti due serie di fori. Una serie modella il materiale di base e l'altra il materiale di copertura.

Il processo di stampaggio a due colpi prevede due fasi. La prima fase prevede che il primo cilindro riempia la serie di fori del substrato. Una volta raffreddato il substrato, lo stampo si apre e il lato che può essere spostato ruota di 180° senza che il substrato esca dallo stampo. Successivamente, lo stampo viene chiuso e il materiale di sovrastampaggio viene iniettato nel secondo cilindro. La seconda metà dello stampo viene riempita sul lato che rimane fermo. Se il materiale di sovrastampaggio deve essere modellato su entrambi i lati del pezzo, lo stampo può spostare i pezzi tra due serie di fori invece di ruotare.

Macchine a piani rotanti vs. macchine a stampi rotanti: Un piano rotante sulla seconda parte della pressa è talvolta incorporato nella macchina per farla girare. Quando un piano rotante viene utilizzato quattro volte separatamente, in genere si utilizzano metà stampo montate su di esso. In alcuni casi, la rotazione è incorporata nell'utensile stesso e ci sono solo due metà dello stampo ma quattro serie di fori per lo stampo.

In movimento: L'utensile del processo Core ha una parte mobile che viene alimentata da un sistema idraulico o dall'aria. Una volta iniettato il primo substrato e dato il tempo di raffreddarsi, una sezione dello stampo si tira indietro, creando uno spazio per il materiale di sovrastampaggio TPE. Il TPE viene quindi introdotto, nella maggior parte dei casi dal lato del foro visibile quando l'inserto viene tirato indietro. Questo metodo ha tempi di ciclo più rapidi, maggiore cavitazione e migliori prestazioni della macchina. L'unico problema è che è possibile utilizzare solo uno spessore costante di TPE.

Stampaggio a inserto - sovrastampaggio a inserto

Lo stampaggio a inserto è uno dei tipi di sovrastampaggio; durante lo stampaggio a inserto, un substrato di plastica dura o una parte metallica già stampata vengono inseriti nel foro da un robot o da una persona (Figura 2). Il secondo materiale, chiamato "sovrastampaggio", viene messo su un lato dell'inserto o altre volte intorno all'intero oggetto. Per lo stampaggio di inserti si utilizzano strumenti standard per lo stampaggio a iniezione.

Ruotare o spostarsi? Stampaggio a tavola: Un'unità di iniezione orizzontale o un robot vengono utilizzati per modellare un substrato o inserire un inserto nella seconda cavità nella prima posizione. Il tavolo si sposta o gira verso la stazione successiva, dove un'altra unità di iniezione orizzontale o verticale viene utilizzata per inserire il TPE. È possibile utilizzare un canale di colata caldo o posizionare il canale di colata sulla linea di divisione. Un terzo giro della tavola dell'unità rotante la invia a una stazione di "scarico", dove viene espulso il pezzo finito in due parti.

Processo di sovrastampaggio del TPE

La scelta del processo e dello stampo da utilizzare dipende dal materiale scelto, dal costo della manodopera, dagli strumenti e dalle macchine disponibili e dall'economicità della produzione di un certo numero di pezzi. Se l'inserto non è termoplastico, si deve ricorrere allo stampaggio a inserto. Se è necessaria solo una piccola quantità di substrato plastico o metallico, se il costo della manodopera locale è basso e se è necessario mantenere basso il costo degli utensili, è consigliabile posizionarli a mano. Per quantità maggiori di lavoro, si possono utilizzare utensili a navetta. Gli inserti robotizzati e gli utensili a tavola rotante possono essere utilizzati quando la quantità di lavoro da eseguire ne giustifica il costo. Se è necessario produrre molti pezzi o se il costo della manodopera è elevato, le macchine di stampaggio a due materiali sono le migliori per i substrati di plastica. Per i numeri di produzione più elevati e per i pezzi più belli, i sistemi a canale caldo con valvole sono i migliori.

Considerazioni sulla progettazione dei pezzi per sovrastampaggio

La progettazione dei sovrastampi è molto varia e questo documento illustra alcuni aspetti generali da tenere presenti.

Per quanto riguarda i materiali, i TPE bondable hanno regole più rigide rispetto ai TPE normali. Lo stesso vale per la realizzazione dei pezzi. Quando si progettano pezzi in due parti, bisogna pensare a come i due diversi materiali flessibili si restringeranno, il che è diverso dalla progettazione di pezzi in una sola parte. Entrambi hanno i propri sistemi di gate e runner che devono essere personalizzati in base alle caratteristiche del materiale utilizzato.

Per ottenere il miglior tempo di ciclo, le pareti sottili della base e del sovrastampo devono essere il più possibile uniformi. Nella maggior parte delle situazioni di sovrastampaggio, le pareti di spessore compreso tra 1 e 3 mm si uniscono bene. Se il pezzo ha bisogno di aree spesse, queste devono essere alesate per evitare che il pezzo si restringa troppo e per ridurre il tempo di ciclo e il peso. Per evitare problemi di flusso, come riempimenti e trappole di gas, le modifiche dello spessore della parete devono essere effettuate lentamente. L'aggiunta di cerchi (almeno 0,5 mm) agli angoli vivi può contribuire a ridurre le sollecitazioni in quell'area. Si devono evitare le tasche scure e profonde o le nervature che non possono essere aperte. I tiri lunghi dovrebbero avere un tiraggio di 3-5 gradi per aiutare la palla a uscire. I sottosquadri profondi possono essere realizzati con mescole per sovrastampaggio, ma solo se si utilizza un'anima anticipata all'apertura dello stampo, se il pezzo non presenta spigoli vivi e se si consente all'elastomero di piegarsi quando esce dallo stampo.

Quando vengono stampati, la maggior parte dei compound di TPE si restringe di una certa quantità nella direzione del flusso, ma non molto quando vengono stampati nella direzione del flusso trasversale. Ciò può far sì che il materiale di sovrastampaggio si ritiri più del substrato una volta che il pezzo viene estratto dallo stampo. Ciò può causare la deformazione o lo scuotimento del substrato, generalmente nella direzione del flusso del materiale di sovrastampaggio. Ciò è particolarmente vero nei pezzi in cui il substrato è più sottile del sovrastampo o in cui viene utilizzato un materiale di substrato a bassa rigidità. i pezzi devono essere lunghi e sottili. Questo problema può essere parzialmente risolto utilizzando materiali di base con un modulo più elevato e aggiungendo nervature di irrigidimento al substrato. Inoltre, è utile utilizzare strati più sottili e un grado di sovrastampaggio con una durezza inferiore. Anche spostare il gate per modificare il modello di flusso del TPE può essere utile.

Per misurare i materiali TPE si utilizza la durezza Shore, ovvero la resistenza di un materiale all'ammaccatura su una piastra stampata di spessore minimo di 6,3 mm (ASTM D2240). Un articolo con una durezza inferiore sembra più morbido all'esterno, anche se ha lo stesso spessore. Ma poiché il sovrastampaggio viene solitamente effettuato solo sulla pelle sottile del TPE, la base dura sottostante influisce sulla sensazione di morbidezza. Se si esegue una prova di durezza, una tacca più piccola mostrerà che la roccia è più dura, anche se la pelle è morbida. Se il sovrastampo in gomma deve essere presente su entrambi i lati dei pezzi (A e B), è necessario utilizzare due stampi di materiale in grado di muoversi tra le sezioni dello stampo. Per realizzare uno strato liscio su un pezzo o sull'intero lato di un pezzo semplice, è necessario utilizzare due stampi di materiale con anime mobili. La velocità di produzione può essere molto elevata, a seconda dello spessore delle pareti dell'elastomero e del substrato.

Come il TPE si attacca al termoplastico tecnico

Sono molti gli elementi che possono modificare l'aderenza tra la plastica meccanica dura e la gomma morbida. Per creare relazioni specifiche tra i materiali, è importante che le energie superficiali di entrambi siano uguali. La capacità del TPE di aderire a una superficie è un altro fattore importante. Affinché avvengano determinate reazioni tra il TPE e il substrato, è necessario che siano molto vicini e che la superficie sia bagnata. Il modo in cui i TPE si teologizzano, come mostrato nella Figura 3, determina il modo in cui si bagnano. I materiali per sovrastampaggio non hanno una viscosità molto elevata. Sono anche sensibili al taglio e mostrano un comportamento di assottigliamento al taglio.

L'immagine sottostante mostra che la viscosità è vicina all'estremità inferiore dell'intervallo quando la velocità di flusso è elevata. Questo aiuta il TPE a penetrare e a riempire le aree a pareti sottili che sono comuni nel sovrastampaggio.

La chimica del TPE e il tipo di plastica industriale influiscono notevolmente sulla capacità di bagnare. Oltre alle qualità di adesione, anche le proprietà di diffusione e viscoelastiche dell'elastomero svolgono un ruolo importante. Il punto di incontro tra il TPE e il substrato rigido è molto importante sia per la forza di adesione che per il tipo di rottura, che può essere coesiva (C) o adesiva (A). Quando si cercano i segni di un legame forte, si pensa che il sistema coesivo sia il modo migliore per capirlo. Tuttavia, un TPE debole con una forza di legame solo moderata può far sembrare che il collegamento sia forte. Ci sono casi in cui esiste un buon legame anche quando la colla fallisce. Esistono tre tipi di processi a contatto che possono aiutare il substrato rigido e l'elastomero termoplastico morbido ad aderire. Questi possono essere visti nell'immagine sottostante.

Il design è ciò che rende possibile il collegamento meccanico. Non si crea un vero e proprio legame tra le due superfici, ma qualsiasi TPE funzionerà in questo caso. Il secondo modo funziona perché il substrato e il materiale TPE di sovrastampaggio sono chimicamente compatibili. La compatibilità chimica si basa sulle energie superficiali, che sono collegate alla capacità di adesione del substrato e del TPE. Quando il metodo di stampaggio e la temperatura sono corretti, si può formare un'interfaccia in cui le molecole della base e del sovrastampaggio si mescolano. È possibile creare un'interfaccia con un TPE stirenico o un TPE olefinico stampato su polietilene come base. La terza via può essere incorporata nel TPE. Il processo di incollaggio è costituito da specifiche interazioni polari o reazioni chimiche tra i gruppi del TPE e il substrato rigido.

Il "Peel Test a 90 gradi" può essere utilizzato per scoprire quanto è forte il legame tra il TPE e la plastica industriale. Abbiamo modificato il metodo ASTM D903 per le materie plastiche per verificare la capacità del TPE morbido di aderire alla plastica termoplastica dura. Per i test si utilizza una base stampata con un inserto in TPE stampato sopra. Un tester di tensione Instron viene utilizzato per tagliare e tirare una striscia di TPE larga un centimetro ad angolo retto rispetto alla base. Viene bloccata in posizione sulla ruota in modo che l'angolo di 90 gradi rimanga invariato mentre la gomma viene tirata. La forza di adesione è determinata dalla forza con cui l'elastomero si stacca dalla base. Questa forza è solitamente superiore a 5 cm. La forza di adesione viene suddivisa in due gruppi, a seconda che si tratti di un cedimento adesivo (A) o di un cedimento coesivo (C). Il cedimento adesivo significa che non rimangono residui di TPE sul materiale. I numeri riportati sono la media di tre diversi studi sull'adesione. Poiché il cliente vuole un certo livello di adesione, abbiamo deciso che un numero di adesione superiore a 12 pli è sufficiente.

Oggi c'è un grande interesse per il sovrastampaggio dei TPE su substrati rigidi, soprattutto per i prodotti di mercato che devono essere morbidi al tatto. I nuovi TPE vengono sovrastampati su un numero crescente di substrati. Ciò offre ai designer una maggiore libertà di progettazione e la possibilità di distinguere i propri prodotti in un mercato pieno di copie "me-too".

I TPE sono molto famosi perché aiutano le vendite nel punto vendita. Oggi le persone hanno a disposizione un'enorme selezione di prodotti tra cui scegliere nei negozi e le aziende produttrici vogliono che i loro prodotti si distinguano. Ci sono molte buone ragioni per scegliere un prodotto con un TPE sovrastampaggio come nuovi colori, texture, motivi e comfort. Per molte persone, un tocco "caldo" e morbido è migliore di una sensazione di plastica dura. E gli oggetti che hanno l'aspetto e la sensazione della gomma sono spesso considerati più preziosi. Le persone sono più attente a trovare prodotti che si adattino meglio al loro corpo e riducano le vibrazioni, ora che conoscono meglio l'ergonomia e l'aumento delle lesioni da uso eccessivo delle articolazioni. I TPE sovrastampati possono essere utili anche per aspetti diversi dalla sensazione e dall'usabilità. Alcuni esempi sono la garanzia di una presa sicura e forte nelle aree bagnate, l'impermeabilità di guarnizioni e sigillature, i "paraurti" stampati per proteggere dagli impatti e prevenire rotture precoci e la riduzione delle vibrazioni.