Guida completa al processo di sovrastampaggio della plastica

Il sovrastampaggio in plastica è ampiamente utilizzato nel settore dello stampaggio a iniezione per migliorare la finitura dei componenti. Aiuta i produttori a garantire la sicurezza, il comfort e l’efficacia dei prodotti. Ad esempio, gli utensili e gli attrezzi manuali sono progettati in modo da migliorarne la presa. Gli ingegneri ricorrono al sovrastampaggio in plastica per aggiungere motivi specifici ai manici, in modo da evitare che gli utensili scivolino durante l’uso. Il sovrastampaggio è simile allo stampaggio con inserti, poiché entrambi utilizzano il processo di stampaggio a iniezione. Tuttavia, mentre lo stampaggio con inserti tradizionale comporta spesso il fissaggio di plastica o gomma attorno a una superficie metallica, il sovrastampaggio nella produzione personalizzata non standard rappresenta una categoria più ampia. Esso comprende sia lo stampaggio a iniezione a due fasi sia i metodi “pick-and-place” per fissare un materiale flessibile su un substrato in plastica rigida pre-stampato.

Alcuni considerano l’overmolding un processo di finitura superficiale, semplicemente perché può modificare l’aspetto di un prodotto. Tale visione, tuttavia, non è corretta. L’overmolding è in realtà un processo di stampaggio a iniezione multimateriale. Sebbene lo strato di overmolding offra effettivamente vantaggi in termini di tenuta e estetica, si tratta di una fase fondamentale nella formatura del componente, non di un semplice “tocco finale” applicato dopo che il corpo principale è già stato prodotto.

Questa guida illustra il processo di sovrastampaggio, descrivendone le fasi.

Quanto è importante il sovrastampaggio?

Nel processo di sovrastampaggio, un substrato viene parzialmente ricoperto o racchiuso in un materiale secondario. Nella maggior parte dei casi, il substrato utilizzato nel sovrastampaggio è costituito da gomma o termoplastica, dando origine a un unico prodotto integrato. Le applicazioni del sovrastampaggio nel settore manifatturiero sono numerose.

Ergonomia ed estetica

Molti prodotti in plastica su misura vengono realizzati con termoplastiche tecniche rigide come il nylon, l’ABS o il PC per garantire l’integrità strutturale. Tuttavia, queste superfici dure possono causare disagio all’utente e una scarsa presa se maneggiate per periodi prolungati. Grazie al processo di sovrastampaggio, a questi prodotti viene aggiunto uno strato di elastomero che distribuisce uniformemente la pressione sulle mani dell’utente durante l’uso. Il sovrastampaggio crea delle scanalature sulle impugnature dei dispositivi per impedire che scivolino dalla mano dell’utente. Si tratta di un aspetto di sicurezza molto importante per i martelli utilizzati nelle officine.

Nel caso dell’utilizzo di utensili elettrici, il sovrastampaggio in plastica contribuisce a smorzare urti e vibrazioni, favorendo così la sicurezza ergonomica. Alcuni dei materiali utilizzati nel sovrastampaggio, come gli elastomeri morbidi, assorbono le vibrazioni generate durante il funzionamento. Rispetto alle plastiche rigide, i rivestimenti elastomerici specializzati possono ridurre le vibrazioni ad alta frequenza del 20-30%, un effetto di smorzamento significativo che è fondamentale per ridurre al minimo il rischio di sindrome da vibrazioni mano-braccio (HAVS) per gli operatori in contesti industriali ^[1].

Il ruolo del sovrastampaggio va oltre la sicurezza e contribuisce a conferire un valore estetico ai prodotti stampati. In questo processo, è possibile applicare allo stampo strati di colori diversi, che vengono poi trasferiti al prodotto finale. Ad esempio, pinze con dimensioni simili possono essere disponibili in diversi colori. Queste differenze cromatiche possono influenzare la strategia di marketing dei prodotti stampati in plastica realizzati.

Impermeabilizzazione e sigillatura

Il sovrastampaggio contribuisce a garantire una tenuta stagna attorno ai componenti elettronici, agli interruttori, alle interfacce dell’involucro e ai connettori. Il processo lega in modo permanente gli elastomeri al substrato, creando una barriera continua che si adatta a tutte le geometrie complesse. Questo vantaggio di tenuta continua risolve le difficoltà legate alle guarnizioni e agli O-ring convenzionali, che richiedono un assemblaggio aggiuntivo. Il sovrastampaggio garantisce l’affidabilità del prodotto, specialmente per i prodotti esposti a pioggia, umidità e prodotti chimici per la pulizia. In qualità di produttore su misura, First Mold utilizza il sovrastampaggio come metodo affidabile per ottenere gradi di protezione IP (Ingress Protection) più elevati (come IP67 o IP68) conformi alla rigorosa norma IEC 60529 relativa alla resistenza all’acqua e alla polvere, garantendo affidabilità a lungo termine in ambienti difficili. ^[2].

 La tabella che segue riassume le principali applicazioni del sovrastampaggio per risolvere i problemi di tenuta:

Costo del lavoro

La maggior parte delle aziende di ingegneria specializzate nello stampaggio a iniezione cerca di ottimizzare la propria produzione come strategia per allinearsi ai principi dell’Industria 4.0. Una delle strategie per raggiungere questo obiettivo consiste nel sostituire il tradizionale assemblaggio in fase di produzione con il sovrastampaggio. L’integrazione di numerosi componenti e funzioni in un unico pezzo stampato riduce significativamente il lavoro manuale. Di fatto, i produttori ottengono una produzione uniforme e un elevato indice di efficienza complessiva delle attrezzature (OEE).

Sebbene il sovrastampaggio comporti costi di stampaggio relativamente più elevati rispetto ai metodi tradizionali come l’assemblaggio, i costi operativi sono invece relativamente inferiori. Si prenda, ad esempio, la produzione di un utensile elettrico. Con i metodi di produzione convenzionali, per realizzare un semplice utensile elettrico è necessaria una serie di operazioni di produzione, che potrebbero invece essere semplificate grazie al sovrastampaggio.

Nell'assemblaggio tradizionale di un trapano a batteria, sarebbero necessari un alloggiamento stampato a iniezione separatamente, un'impugnatura in gomma applicata a parte, l'applicazione dell'adesivo, il posizionamento manuale, il tempo di indurimento e il controllo qualità. Tutte queste operazioni richiedono più tempo e comportano maggiori costi di manodopera.

Grazie al sovrastampaggio, siamo riusciti a ridurre il numero di operatori necessari, ad accelerare i cicli di produzione, a diminuire le scorte di prodotti in lavorazione e a migliorare l'uniformità dimensionale.

In cosa consiste il processo di produzione del sovrastampaggio?

Il sovrastampaggio è un processo articolato in più fasi, che va dalla progettazione all'espulsione.

1. Progettazione

La fase di progettazione del sovrastampaggio è fondamentale in quanto determina i requisiti funzionali, estetici e di produzione dei prodotti finali. In questa fase vengono solitamente prese decisioni cruciali per eliminare possibili difetti quali impronte di affossamento, deformazioni e delaminazione. Nel reparto di progettazione utilizziamo diversi software, quali Mold Flow Analysis, CAD e CAE, per ottimizzare i parametri di processo e prevedere le caratteristiche del prodotto finale. Il processo di progettazione copre diversi aspetti quali la compatibilità dei materiali, il meccanismo di adesione, lo spessore delle pareti, la posizione del punto di iniezione, l’angolo di sformo e il ritiro.

Compatibilità dei materiali

La scelta dei materiali di sovrastampaggio più adatti al legame con il substrato rappresenta un aspetto fondamentale della progettazione. I materiali di sovrastampaggio possono legarsi al substrato in vari modi, quali l’adesione chimica, l’interblocco meccanico, la diffusione molecolare o l’attrazione dovuta all’energia superficiale. Un'efficace compatibilità dei materiali garantisce un incollaggio più resistente, previene lo sfaldamento e assicura che il rivestimento non si stacchi dal substrato. La tabella seguente riassume i diversi materiali di rivestimento compatibili con i materiali del substrato.

Spessore della parete

Nel processo di sovrastampaggio, lo spessore uniforme delle pareti è progettato per garantire un flusso costante del materiale, la stabilità dimensionale e un raffreddamento uniforme. Ciò contribuisce a ridurre al minimo i difetti.  Inoltre, grazie allo spessore uniforme delle pareti è possibile prevenire la formazione di vuoti, ridurre il tempo di ciclo e minimizzare la deformazione. Le pareti non devono essere eccessivamente spesse per evitare un raffreddamento troppo lento. D'altra parte, pareti troppo sottili possono contribuire a un riempimento incompleto o a colate insufficienti. La tabella seguente riassume gli spessori delle pareti raccomandati per i diversi materiali.

Posizione del cancello

Il punto di iniezione deve essere posizionato correttamente per garantire un riempimento equilibrato e una prevenzione efficace dei difetti. Il corretto posizionamento del punto di iniezione riduce al minimo le linee di saldatura, diminuisce la tensione residua e abbassa la pressione di iniezione richiesta. Le posizioni più comuni del punto di iniezione includono il punto di iniezione laterale, il punto di iniezione a ventaglio e il punto di iniezione sottomarino, come illustrato nelle figure sottostanti.

Restringimento

Tutti i materiali termoplastici subiscono un restringimento durante il raffreddamento. In fase di progettazione, gli ingegneri compensano tale restringimento sovradimensionando le cavità dello stampo in base al restringimento richiesto o previsto. Tale stima si basa sulla seguente formula:

S = (L_m – L_p) * 100%/L_m

Dove

S = restringimento (%)

Lm = dimensione della cavità dello stampo

Lp = dimensione della parte finale

Tuttavia, il sovrastampaggio comporta un restringimento limitato, poiché il substrato rigido limita fisicamente la contrazione naturale del materiale secondario. Gli ingegneri devono spesso ricorrere all’analisi del flusso nello stampo, oltre che a questa formula, per dimensionare con precisione la cavità ed evitare deformazioni.

2. Produzione del substrato

Una volta definite le scelte progettuali, il team avvia la produzione del componente di base su cui viene sovrastampato il materiale secondario. Questo substrato costituisce la struttura portante del prodotto, conferendogli le caratteristiche strutturali, dimensionali e funzionali del prodotto finale. I materiali per la produzione del substrato vengono selezionati in base all’applicazione. Ciò implica che un substrato possa essere realizzato in termoplastica, metallo o materiali compositi. Per la produzione dei substrati vengono scelti diversi metodi, quali la lavorazione CNC, lo stampaggio a iniezione, la produzione additiva, la pressofusione e lo stampaggio. Il metodo selezionato deve garantire un substrato dotato di sufficiente resistenza meccanica, dimensioni precise e una superficie idonea all’adesione.

I substrati in plastica vengono solitamente prodotti mediante stampaggio a iniezione seguendo le seguenti fasi:

1. Granuli di plastica
2. Essiccazione dei materiali
3. Fusione in botte
4. Iniezione nello stampo
5. Imballaggio e conservazione
6. Raffreddamento
7. Espulsione
8. Substrato finito

I substrati metallici vengono scelti nei casi in cui siano richieste elevata conduttività termica, resistenza meccanica e resistenza all’usura. Questi substrati vengono comunemente prodotti tramite lavorazione CNC, forgiatura, pressofusione, stampaggio di metalli o stampaggio a iniezione di metalli. Tuttavia, dopo la fabbricazione, gli ingegneri sottopongono questi substrati a trattamenti secondari quali la finitura superficiale, la sbavatura, la pulizia chimica o la sabbiatura.

3. Preparazione della superficie

L'adesione tra il substrato e il materiale di sovrastampaggio dipende dalle condizioni del substrato. Pertanto, le superfici dei due materiali devono essere preparate adeguatamente per garantire l'efficacia del processo di sovrastampaggio. Una superficie non preparata presenta contaminanti, è soggetta a ossidazione, ha una bassa energia superficiale e può risultare troppo liscia, con conseguente riduzione dell’adesione. Ciò comporta il distacco del componente, la delaminazione e il guasto prematuro del componente stesso.

Esistono diversi motivi per cui prepariamo le superfici prima di procedere al sovrastampaggio. Innanzitutto, rimuoviamo le impurità quali polvere, oli, ossidi e agenti distaccanti. Queste impurità possono compromettere l’adesione tra il substrato e i materiali di sovrastampaggio. In secondo luogo, la preparazione aumenta l’energia superficiale dei materiali. A questa energia superficiale ci riferiamo come “bagnabilità superficiale”. In terzo luogo, la preparazione della superficie migliora l’interblocco meccanico tra il substrato e il materiale di sovrastampaggio.

La preparazione delle superfici è un requisito imprescindibile per le applicazioni in cui l’integrità dell’adesione a lungo termine è fondamentale. Tra queste figurano i componenti aerospaziali, i sensori automobilistici, i dispositivi elettronici impermeabili e i connettori elettrici. Esistono diversi metodi che è possibile applicare durante la preparazione delle superfici. Il metodo più diffuso è il trattamento al plasma. In questo caso, la superficie viene pulita e l’energia superficiale viene aumentata generando ioni ed elettroni ad alta energia dalla scarica di plasma.

Tra gli altri metodi figurano il trattamento corona, il trattamento a fiamma, l'incisione chimica e la testurizzazione laser.

4. Caricamento dell'inserto

Il substrato o l’inserto prodotto in questa fase viene posizionato con precisione nello stampo per la seconda iniezione prima di iniettare i materiali di sovrastampaggio. È necessario inserire il substrato con la massima precisione per ottenere la migliore qualità del prodotto finale. Se l’inserto viene caricato in modo errato, si può causare un disallineamento del materiale di sovrastampaggio, con conseguente formazione di bave e un incollaggio inadeguato. La maggior parte degli scarti durante il sovrastampaggio deriva da un posizionamento errato dell’inserto. Per evitare questi errori, la maggior parte dei produttori preferisce ricorrere a sistemi di movimentazione automatizzati. 

5. Iniezione di secondo stadio

Questa fase definisce il processo di sovrastampaggio. Un polimero fuso, come il TPE, il TPU o altri termoplastici tecnici, viene iniettato nella cavità dello stampo e lasciato fluire attorno al substrato posizionato. Quando i materiali entrano in contatto con il substrato, si legano a livello chimico o meccanico. In questa fase è necessario controllare con precisione i parametri di lavorazione, poiché determinano la qualità complessiva del prodotto finale.

Il processo inizia con l'immissione dei granuli di polimero in un cilindro riscaldato. Il cilindro è dotato di una vite rotante che trasporta i granuli in avanti. Man mano che i granuli vengono spinti in avanti, la loro temperatura di fusione viene aumentata da fasce riscaldanti, mentre l’attrito tra la vite e il polimero favorisce la fusione del polimero stesso. Ciò porta alla formazione di un polimero fuso omogeneo. Il polimero fuso continua ad accumularsi nella parte anteriore della vite fino a quando non si raggiunge un volume sufficiente per l’iniezione.

Man mano che la vite alternativa continua ad avanzare, spinge il polimero fuso accumulato attraverso l’ugello, il canale di colata, il sistema di canali e il punto di iniezione, facendolo fluire nella cavità dello stampo. All’interno della cavità, il materiale fuso scorre attorno al substrato, consentendone l’adesione e la solidificazione. Una volta che i materiali fusi si sono solidificati attorno al substrato, si lascia raffreddare il tutto. Successivamente, i perni di espulsione espellono il prodotto finito. La tabella seguente riassume i parametri di lavorazione.

Nota: la temperatura esatta di fusione dipende dai tipi specifici di polimero da incollare. Mantenere la temperatura di fusione del secondo getto rigorosamente entro la finestra di lavorazione termica del materiale è fondamentale per ottenere un legame chimico coesivo senza fondere o degradare il substrato personalizzato sottostante. ^[3].

Conclusione

Il sovrastampaggio offre soluzioni versatili alle sfide produttive, combinando materiali diversi per migliorare la funzionalità, la durata, l’ergonomia e l’estetica dei prodotti. I produttori che desiderano conferire ai propri prodotti un aspetto morbido al tatto per migliorarne la presa o la “sensazione” e garantire un look elegante che attragga i consumatori sono i candidati ideali per il sovrastampaggio. Se avete bisogno di un unico pezzo monoblocco che integri più strati di materiali e colori, il sovrastampaggio è la soluzione ideale.

Riferimento

[1] Bernard, B. P., Nelson, N., Estill, C. F. e Fine, L. (1998). La revisione del NIOSH sulla sindrome da vibrazioni mano-braccio: la vigilanza è fondamentale. Rivista di medicina del lavoro e ambientale, 40(9), 780-785. Centri per il controllo e la prevenzione delle malattie (CDC) Stacks. Estratto da https://stacks.cdc.gov/view/cdc/196388

[2] Commissione Elettrotecnica Internazionale. (2013). IEC 60529:1989+AMD1:1999+AMD2:2013 CSV Versione consolidata: Gradi di protezione forniti dagli involucri (Codice IP). Tratto da https://webstore.iec.ch/publication/2452

[3] Awaja, F., Gilbert, M., Kelly, G., Fox, B. e Pigram, P. J. (2009). Adesione dei polimeri. Progressi nella scienza dei polimeri, 34(9), 948-968. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2009.04.007