Stampo
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Lo stampo è una matrice che viene appositamente progettata come utensile in alcuni processi di produzione industriale come lo stampaggio, la pressofusione, l'imbutitura, la schiumatura o la sinterizzazione: serve a dare la forma intermedia o finale al pezzo o materiale da lavorare.
A seconda del diverso tipo di lavorazione cambiano le caratteristiche e la tecnologia dello stampo.
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[modifica] Componenti generiche
Uno stampo è solitamente composto da due o più semigusci, che vanno a delimitare un'area di spazio con la sagoma del pezzo da ottenere. Gli stampi di produzione sono solitamente in acciaio bonificato (un processo termico per migliorarne le caratteristiche) o temprato, ma per particolari lavorazioni si usano anche stampi in alluminio o legno. Stampi di materiali meno resistenti, come gesso, silicone o resina vengono usati per la produzione di piccole serie per la prototipazione rapida. La vita utile di uno stampo può andare da pochi pezzi, o anche di uno solo, a centinaia di migliaia di esemplari.
Gli stampi medi e grandi sono spesso costruiti per fresatura, mentre per esemplari particolarmente piccoli, con finiture complesse o per precisioni elevatissime, nell'ordine di pochi centesimi di millimetro, si usano processi ad alta tecnologia come l'elettroerosione o la fotoincisione.
Lo stampo deve essere in genere progettato senza cavità che possano limitare l'estrazione del pezzo: in particolare vanno evitati i sottosquadra, cioè angoli di 90° o più, che di fatto rendono l'elemento stampato indivisibile dallo stampo.
Nella progettazione di uno stampo bisogna prestare particolare cura agli angoli di sformo: dato che la creazione di pareti perfettamente in asse con il movimento di estrazione potrebbe dare problemi nella rimozione dei pezzi finiti, le pareti non devono mai essere progettate verticali, ma devono avere una leggera inclinazione (1 o 2 gradi) verso l'esterno. Per esemplificare, un cilindro andrebbe trasformato in un tronco di cono per poter essere estratto senza problemi.
Gli stampi, in particolare quelli per le plastiche, possono essere riscaldati o meno: gli stampi riscaldati sono più costosi ma permettono un flusso migliore del materiale liquido nelle cavità, grazie alla viscosità ridotta. All'occorrenza possono anche essere raffreddati, nel caso sia necessario estrarre i pezzi rapidamente o non sia possibile avere una catena di produzione a carosello che sfrutti diversi elementi per rendere continua la produzione senza forzarne i tempi. Un raffreddamento troppo rapido dello stampo o un riscaldamento insufficiente possono condurre, nella lavorazione delle plastiche, a pezzi con parti mancanti o a rotture. Inoltre con il raffreddamento va previsto un ritiro del materiale, che può condurre alla rottura del pezzo.
Oltre ad avere dei canali di colata o di iniezione (dove il materiale entra nello stampo), lo stampo deve avere delle materozze (che portano il materiale alla cavità), e degli sfoghi per consentire l'uscita dell'aria.
Per stampi particolarmente complessi si possono usare elementi mobili detti spine, che si ritraggono automaticamente all'apertura dei gusci, permettendo la creazione di cavità altrimenti impossibili.
Gli stampi sono oggetti costosi, che richiedono una accurata progettazione e manutenzione, e anche settimane di lavoro per la loro costruzione. Sono strettamente vincolati al tipo di materiale per cui verranno usati, dalla cui viscosità, temperatura e caratteristiche dipendono numerose variabili.
[modifica] Metalli
[modifica] Lamiere
Nello stampaggio di lamiera lo stampo è costituito da un blocco d'acciaio, suddiviso in un guscio femmina e da un altro maschio (controstampo) collocati nella pressa, uno sulla base e l'altro sulla parte mobile della macchina utensile, che deformano il materiale fino ad ottenere anche con passaggi successivi (e con stampi via via leggermente diversi) la forma finale del pezzo industriale. Questo processo è noto come imbutitura. Si tratta di un'operazione molto difficile, che deve essere suddivisa in numerosi passaggi per evitare che le lamiere vengano stirate eccessivamente e quindi possano strapparsi o riportare assottigliamenti non uniformi. Per la costruzione di pezzi per il mercato automobilistico si usano stampi di grosse dimensioni, che spesso includono bordature studiate per la punzonatura delle parti da rimuovere (la cava del finestrino, ad esempio). La lavorazione delle lamiere viene spesso effettuata in modo da dare loro una struttura portante, con delle nervature e delle pieghe curve che danno solidità al pezzo. Oggi è possibile ottenere processi di lavorazione totalmente automatizzati.
[modifica] Colate
Gli stampi da colata sono molto semplici, necessitando solo di alta resistenza alle temperature, di un canale di ingresso del materiale e di uno per la fuoriuscita dell'aria. Si usano per la produzione di pezzi in ferro, per la realizzazione di lingotti e di elementi grezzi per lavorazioni successive.
[modifica] Pressofusioni
Per lavorazioni di elementi in metallo non ferroso e a geometria piena si possono creare degli stampi in grado di sostenere pressioni elevate. Il metallo liquido viene iniettato nello stampo e grazie alla pressione (fino a 100 megapascal) va a riempire tutte le cavità, con il risultato di ottenere una struttura più compatta e uniforme rispetto a quelle da colata. Generalmente si realizzano pezzi in alluminio da 0,05 a 50 kg di massa, ma sono possibili stampi anche di dimensioni maggiori e molto costosi. Altri materiali hanno limiti inferiori. Questo tipo di stampi richiede poca manutenzione e può arrivare a produrre centinaia di pezzi l'ora. Stampi di questo tipo arrivano a 500.000 pezzi prima di essere rinnovati.
[modifica] Plastiche e ceramiche
[modifica] Iniezione
Gli stampi da iniezione sono tra i più costosi, visto che richiedono numerose attrezzature addizionali come sensori di temperature, riscaldamento e raffreddamento, estrattori automatici o bocchette per l'insluffazione di aria per facilitare la rimozione dei pezzi. Spesso sono progettati per il montaggio su macchine interamente automatizzate, visto che il processo di produzione può essere particolarmente pericoloso per le pressioni elevate e le temperature in gioco. La plastica viene iniettata nello stampo a temperature intorno ai 250 gradi, e a pressioni di diverse tonnellate per centimetro quadrato. Una volta riempita la cavità con una quantità nota di materiale (metterne di più potrebbe portare alla rottura dello stampo), viene iniettato dell'olio o dell'acqua fredda per rendere più rapida l'estrazione. Lo stampo viene aperto e il pezzo finito rimosso, poi ci si preparara ad un nuovo ciclo. Uno stampo può fare fino a 150.000 cicli, spesso con pezzi multipli prodotti in una sola iniezione.
[modifica] Compressione
Gli stampi a compressione lavorano più o meno come quelli per lamiere: una pressa tramite uno stampo maschio comprime del materiale su una femmina, allargandolo nell'intercapedine tra i due. Con questa tecnica si realizzano solitamente i piatti.
[modifica] Termoformatura
La termoformatura prevede la lavorazione di fogli di plastica riscaldati. Lo stampo è spesso in un guscio singolo, maschio, su cui il film si va ad adagiare. Per favorire l'aderenza si crea sotto lo stampo il vuoto pneumatico: tramite fori preposti ad hoc sullo stampo il materiale viene attirato sulla superficie e solidificato. Questi stampi sono solitamente economici, dato che non richiedono particolari resistenze o temperature, e possono essere realizzati anche in legno, resina o metalli morbidi; si possono creare pezzi anche di dimensioni notevoli (fino a qualche metro), con stampi adeguati.
[modifica] Blow Moulding
Gli stampi da Blow moulding hanno vincoli dimensionali differenti. Possono realizzare solo oggetti convessi, ma possono avere all'interno una cavità. Un getto d'aria spinge il materiale sulle pareti dello stampo, creando una sottile pelle di plastica tra la cavità e la parete. Si tratta di stampi semplici ed economici, usati però in numerosissimi esemplari per i carousel, macchine che lavorano su diversi cicli produttivi in contemporanea. Con questa tecnica si realizzano le bottiglie in PET.
[modifica] Stampaggio rotazionale
Lo stampaggio rotazionale consiste nell'immissione di materiale in uno stampo che ruota giroscopicamente. E' in questo modo possibile produrre oggetti monoblocco con cavità interne. Lo stampo è realizzato in acciaio o, più spesso, in alluminio: questo materiale ha una conduttività maggiore e mantiene il materiale fluido più a lungo assicurando una distribuzione migliore. Se gli stampi non sono particolarmente grossi, è possibile montarli in strutture ramificate per completare più cicli contemporaneamente. Anche con questi stampi non si possono ottenere concavità, e neppure pareti a spessore differente.
[modifica] Schiumatura
Negli stampi per schiumatura viene inserito un composto chimico in grado di sviluppare una reazione per cui si gonfierà notevolmente. Il materiale (solitamente poliuretano) gonfiandosi aderisce alle pareti dello stampo, riempiendo interamente la cava. Date le caratteristiche del materiale, gommoso ed elastico, è possibile realizzare anche pezzi con leggeri sottosquadra, purché vengano rimossi con cura. Questo tipo di stampi è solitamente metallico, ma è possibile usare anche gusci molto economici in resina o legno per piccole serie o prove di produzione.
[modifica] Sinterizzazione
Gli stampi di sinterizzazione devono contenere già all'inizio il materiale ceramico in polvere: con le alte temperature il materiale sinterizza fino a formare il pezzo finito. Questo tipo di stampi devono resistere a temperature nell'ordine del migliaio di gradi, per cui sono necessari elementi metallici.
