Qual è il processo più adatto alla tua produzione su misura? Sovrastampaggio o stampaggio con inserti?

Lo stampaggio a iniezione è un settore ampio dell’ingegneria di produzione. A seconda dei metodi e delle tecnologie impiegate, lo stampaggio a iniezione può essere suddiviso in stampaggio con inserti o sovrastampaggio, tecniche volte a migliorare le proprietà chimiche e meccaniche del prodotto finale, oltre che a garantire il rispetto di standard di sicurezza altamente raccomandati. Sia che si tratti di scegliere tra sovrastampaggio e stampaggio con inserti, l’utente deve definire con precisione i propri obiettivi e le proprie intenzioni riguardo al prodotto finale. Ad esempio, nella nostra azienda ci siamo trovati di fronte a due scenari comuni durante la produzione di componenti personalizzati per i nostri clienti, e la decisione di ricorrere al sovrastampaggio o allo stampaggio con inserti è stata basata sui requisiti specifici di ciascun caso.

Nel primo scenario, ci è stato affidato il compito di produrre una morsettiera elettrica industriale. La morsettiera doveva garantire proprietà di conduttività elettrica affidabili, un fissaggio sicuro dei terminali e resistenza al calore e alle vibrazioni. Dopo un’analisi approfondita, abbiamo optato per lo stampaggio con inserti anziché per lo sovrastampaggio. Il team ha constatato che i requisiti relativi all’aspetto e alla presa non potevano prevalere sul requisito funzionale di integrare una parte metallica conduttiva nella plastica.

Nel secondo scenario, abbiamo aiutato un cliente a realizzare un alloggiamento sovrastampato su misura per uno spazzolino elettrico ricaricabile, utilizzando la tecnica dello stampaggio con inserto. I requisiti fondamentali in questo caso erano garantire una presa confortevole, l'impermeabilità e un aspetto accattivante.

I due scenari dimostrano che sia il sovrastampaggio che lo stampaggio con inserti sono metodi altrettanto importanti nell'ambito dello stampaggio a iniezione. Tuttavia, hanno entrambi applicazioni diverse. In questa analisi spiegheremo brevemente il sovrastampaggio e lo stampaggio con inserti, individuando le differenze tra i due metodi di produzione.

Che cos'è il sovrastampaggio?

In parole povere, il sovrastampaggio è un processo di produzione applicato allo stampaggio a iniezione in cui un componente viene racchiuso o ricoperto da un secondo materiale. Il secondo materiale è solitamente gomma o plastica. Il legame che ne deriva dà origine a un unico prodotto integrato. Il sovrastampaggio migliora la durata, la presa, l'estetica e la funzionalità del prodotto.

Il componente di base nel processo di sovrastampaggio è denominato substrato. Il substrato definisce le proprietà strutturali del prodotto finale. Pertanto, la scelta dei materiali utilizzati per la produzione del substrato è fondamentale. La scelta dei materiali per il substrato varia a seconda dell'applicazione. La tabella seguente riassume i diversi materiali e le loro applicazioni.

Il secondo materiale è denominato “materiale di seconda iniezione” e viene solitamente fuso e applicato attorno al substrato. Il materiale di seconda iniezione viene scelto per la sua flessibilità, durata, resistenza chimica o capacità di tenuta. La tabella sottostante riassume alcuni di questi materiali di seconda iniezione.

Il sovrastampaggio serve principalmente a migliorare la funzionalità del prodotto. Grazie al sovrastampaggio, i produttori ottengono una migliore ergonomia, l’isolamento dalle vibrazioni, una presa più salda, la riduzione del rumore e un aspetto estetico migliorato.

Che cos’è lo stampaggio a inserto?

Lo stampaggio con inserto è un processo avanzato di produzione di materie plastiche in cui un componente preformato (in metallo o altro materiale) viene posizionato all'interno dello stampo e la plastica viene iniettata attorno ad esso per creare un unico pezzo resistente e integrato. Questo processo elimina la necessità di operazioni di assemblaggio secondarie, migliora la resistenza del prodotto e garantisce un'elevata precisione.

Nelle applicazioni di stampaggio con inserti, vengono comunemente utilizzati componenti quali inserti filettati, perni, boccole, contatti elettrici e alberi metallici. La plastica fusa scorre attorno all’inserto, formando un legame saldo che ne migliora la durata e le prestazioni. Questo metodo è ampiamente utilizzato in settori quali quello automobilistico, elettrico, elettronico, dei dispositivi medici e dei beni di consumo. A differenza del sovrastampaggio, le funzioni principali dello stampaggio con inserti ruotano spesso attorno al rinforzo strutturale o all’integrazione di caratteristiche fondamentali non plastiche (come la conduttività elettrica o una filettatura metallica resistente) direttamente nel prodotto. Tra gli inserti più comuni figurano inserti filettati in ottone, alberi in acciaio inossidabile, magneti, contatti elettrici, terminali in rame, cuscinetti e boccole.

Quali sono le principali differenze tra lo stampaggio a sovrastampaggio e lo stampaggio con inserto?

Sia lo sovrastampaggio che lo stampaggio con inserti consentono di combinare più materiali in un unico componente. Tuttavia, questi processi perseguono obiettivi diversi e prevedono flussi di lavoro di produzione distinti. Comprendere le differenze tra questi metodi può aiutare il team di ingegneri a scegliere il processo più adatto in base ai volumi di produzione, al design del prodotto e ai requisiti prestazionali.  

Differenze nel flusso di lavoro produttivo

Lo stampaggio con inserti è un processo di stampaggio a iniezione singola. Il processo inizia con la produzione dell’inserto tramite lavorazione meccanica, pressofusione o altri processi. Talvolta gli inserti non vengono prodotti nello stesso stabilimento, ma vengono acquistati altrove. L’inserto viene preparato e posizionato nello stampo, dopodiché la plastica fusa viene iniettata attorno ad esso. Il pezzo finale è costituito dall’inserto e dalla plastica come un unico elemento. Lo stampaggio con inserti elimina le operazioni di assemblaggio secondarie, semplificando così la produzione.

Il sovrastampaggio sull’altro lato comporta spesso un processo in due fasi o l’utilizzo di una macchina specializzata a doppio ciclo. La prima fase consiste nella produzione del substrato. Questo substrato rigido può essere realizzato tramite un ciclo primario di stampaggio a iniezione. Da lì, il substrato può essere trasferito in uno stampo separato (procedimento noto come sovrastampaggio «pick-and-place») oppure, se si utilizza una macchina a doppio ciclo, rimane nella stessa macchina e viene ruotato nella seconda cavità. Talvolta, il progetto può prevedere un unico stampo con due cavità diverse. In questo caso, il substrato viene ruotato dalla prima cavità alla seconda utilizzando una piastra rotante o un sistema di indicizzazione. Il secondo materiale viene quindi fuso, versato attorno al substrato e lasciato raffreddare. Il componente multimateriale completo così ottenuto viene espulso con tutti i requisiti funzionali integrati. A causa delle due fasi di stampaggio distinte richieste nel sovrastampaggio, il processo risulta complesso rispetto allo stampaggio con inserti.

Confronto tra processi

La tabella seguente riassume le differenze tra i processi di stampaggio con inserti e di sovrastampaggio. Lo stampaggio con inserti è un processo a iniezione singola, mentre il sovrastampaggio è un processo di stampaggio a iniezione in due fasi.

Differenze nella complessità produttiva

Lo stampaggio con inserto presenta un flusso di produzione relativamente più semplice rispetto al sovrastampaggio. Il processo richiede una sola iniezione di materiale una volta che l’inserto è ben posizionato. Di fatto, presenta tempi di ciclo più brevi, costi di produzione inferiori e stampi meno complessi. Il sovrastampaggio è relativamente complesso e comporta costi di manodopera relativamente più elevati. Il substrato deve allinearsi con precisione allo stampo per la seconda iniezione. L’efficacia del processo dipende dalla compatibilità tra il substrato e il rivestimento. Il processo presenta tempi di sviluppo più lunghi e una maggiore complessità degli stampi. Tuttavia, dal punto di vista positivo, il sovrastampaggio offre maggiori miglioramenti funzionali ed estetici.

Differenze nella scelta dei materiali

Esiste una differenza significativa nelle combinazioni di materiali tra lo stampaggio con inserto e lo sovrastampaggio. Nel caso dello stampaggio con inserto, la plastica viene normalmente utilizzata come materiale principale per rivestire l’inserto. L’inserto può essere costituito da materiali diversi, quali metallo, ceramica o un componente elettrico. D’altra parte, il sovrastampaggio può prevedere una combinazione di materiali diversi tra il substrato e il secondo materiale.

Ad esempio, un substrato rigido in plastica realizzato su misura può essere combinato con un elastomero morbido, oppure un metallo con un elastomero, per realizzare progetti multimateriale. Per ottenere un legame chimico solido in queste combinazioni è necessario far corrispondere con precisione le energie superficiali e le proprietà termodinamiche di entrambi i materiali ^[1]..

Differenze nelle applicazioni tipiche

Sia lo stampaggio con inserto che lo sovrastampaggio trovano impiego in settori specifici. La tabella seguente illustra alcuni dei campi di applicazione di questi metodi.  

In che modo lo stampaggio con inserto migliora la resistenza meccanica?

Lo stampaggio con inserti non è solo una tecnologia di produzione. Il motivo principale alla base della scelta di questa tecnologia è il miglioramento della resistenza meccanica e strutturale. Un prodotto realizzato esclusivamente in plastica non è in grado di garantire la necessaria capacità di trasferimento del carico. Ciò richiede il rinforzo con inserti metallici ad alta resistenza durante lo stampaggio a iniezione. Il prodotto risultante, pur avendo un peso ridotto, possiede elevate proprietà di resistenza meccanica e resistenza alla corrosione. Lo stampaggio con inserti convoglia i carichi che sarebbero esercitati sul polimero verso il rinforzo metallico. Di conseguenza, il prodotto raggiunge una maggiore affidabilità strutturale. Le proprietà meccaniche dello stampaggio con inserti vengono potenziate grazie all’integrazione di diversi elementi progettuali quali zigrinature, sottosquadri, fori passanti e rugosità superficiale.

Il ruolo della zigrinatura

Sulla superficie degli inserti vengono solitamente ricavati motivi a scanalature a rombi, diritte o elicoidali come procedure di deformazione superficiale. Questa struttura ruvida crea un incastro micromeccanico tra l’inserto e il polimero fuso. Durante l’iniezione, il polimero fuso scorre e si deposita attorno alle scanalature. Una volta solidificato, il polimero si incastra in queste scanalature, migliorando significativamente la resistenza allo strappo e la resistenza alla coppia.

Il ruolo degli undercut

Un altro modo per migliorare le proprietà meccaniche nello stampaggio con inserti consiste nel progettare elementi con angoli inversi nella geometria dell’inserto. Il polimero fuso riempie queste cavità, formando un bloccaggio fisico. Di conseguenza, si impedisce il movimento assiale o rotatorio, soprattutto nelle applicazioni soggette a vibrazioni o a carichi elevati. Gli inserti con sottosquadri sono utilizzati principalmente nelle apparecchiature industriali o automobilistiche.  

Il ruolo dei fori passanti

I fori passanti sono passaggi aperti che attraversano gli inserti. La plastica fusa scorre attraverso i fori, solidificandosi fino a formare un ancoraggio solido. Questo ancoraggio migliora la resistenza di fissaggio tra l’inserto e il polimero, sia in senso verticale che orizzontale. Durante la progettazione di fori passanti, è necessario eseguire un’analisi del flusso per assicurarsi che non vi siano vuoti.

Quali sono le linee guida DFM relative agli inserti metallici?

La qualità dello stampaggio richiede una progettazione adeguata degli inserti. Per gli inserti metallici, la progettazione deve tenere conto delle raccomandazioni relative alla zigrinatura efficace, al posizionamento degli inserti, agli angoli di sformo e alla posizione dei punti di iniezione. Raccomandazioni relative alla zigrinatura

La zigrinatura offre una tenuta meccanica più resistente rispetto agli adesivi. I diversi modelli di zigrinatura hanno applicazioni diverse. Ad esempio, in caso di carichi elevati, si consiglia di optare per la zigrinatura a diamante. I motivi incrociati di questa zigrinatura garantiscono un bloccaggio meccanico multidirezionale, essenziale per la resistenza alla coppia e allo strappo. Questa zigrinatura trova applicazione negli alloggiamenti dei sensori automobilistici, nei connettori elettronici, nei macchinari industriali e negli assemblaggi di dispositivi medici.

Un altro tipo di zigrinatura è quella elicoidale, eccellente per i carichi dinamici. Presenta scanalature a spirale continue attorno all’inserto, in grado di resistere sia alle forze rotazionali che allo strappo assiale. Oltre alle elevate prestazioni a fatica, le zigrinature elicoidali presentano una ridotta concentrazione di sollecitazioni, rendendole adatte alla robotica, agli utensili elettrici e agli assemblaggi aerospaziali. È possibile scegliere queste zigrinature per inserti sottoposti a carichi ripetuti e vibrazioni.

La tabella seguente riporta una sintesi delle diverse tipologie di zigrinature e delle loro applicazioni.

Posizionamento dell'inserto

Il posizionamento dell'inserto influisce sulla qualità dell'incollaggio, sulla precisione dimensionale e sulla resistenza meccanica. Un leggero movimento o spostamento dell'inserto nello stampo durante l'iniezione può causare un incollaggio debole, la formazione di bave e una scarsa qualità del pezzo, con conseguente scarto. Per garantire il corretto posizionamento dell'inserto, seguire le linee guida riportate di seguito:

1. Mantenere uno spessore uniforme della parete attorno all'inserto.

Uno spessore uniforme delle pareti attorno all’inserto favorisce un flusso uniforme del materiale fuso, un raffreddamento omogeneo e una distribuzione uniforme delle sollecitazioni. Le sezioni spesse contribuiscono a un ritiro differenziale a causa del raffreddamento lento, mentre quelle sottili causano la formazione di vuoti e punti deboli a causa di un riempimento incompleto. Per evitare variazioni di spessore, è possibile utilizzare transizioni graduali con rastremature o raccordi. Per molti termoplastici personalizzati, lo spessore della parete consigliato è di 2-4 mm. Inoltre, i progettisti devono tenere conto della discrepanza nel coefficiente di dilatazione termica lineare (CLTE) tra l’inserto metallico e la plastica per prevenire le sollecitazioni radiali post-stampaggio ^[2].

2. Utilizzare inserti lunghi per impedire lo spostamento durante l'iniezione.

Gli inserti sottili o lunghi possono spostarsi facilmente a causa delle elevate forze esercitate dal polimero fuso, che entra nella cavità ad alta velocità. Se non sono sostenuti, questi inserti possono inclinarsi o ruotare e vibrare durante il riempimento. Ciò può causare una copertura irregolare della plastica, compromettendo la qualità del prodotto. Pertanto, se possibile, è opportuno sostenere gli inserti ad entrambe le estremità. Per gli inserti cavi, è possibile utilizzare perni di centraggio per garantire la stabilità.

3. Utilizzare elementi di posizionamento o alloggiamenti dedicati per un posizionamento ripetibile

Nei casi di produzione su larga scala, la ripetibilità è un fattore di progettazione fondamentale. Richiede particolare attenzione per evitare errori. È quindi necessario ricorrere a elementi di posizionamento che vincolino gli inserti in tutte le direzioni critiche. Tra gli elementi di posizionamento più comuni figurano i perni di posizionamento, le scanalature a V, le cavità di precisione e gli spallamenti.

4. Progettazione per il carico robotizzato nella produzione ad alto volume.

A volte la domanda di prodotti realizzati con lo stampaggio con inserti può raddoppiare o triplicare i volumi previsti. In tali casi, il caricamento manuale degli inserti potrebbe non essere pratico a causa dei rigidi vincoli relativi ai tempi di ciclo e della necessità di garantire un posizionamento assolutamente uniforme. Per garantire uniformità, cicli di produzione rapidi e costi di manodopera ridotti, si consiglia di adottare il caricamento robotizzato.

Confronto dei costi

La tabella seguente riassume i costi dello stampaggio con inserti rispetto a quelli del sovrastampaggio.

Conclusione

Non esiste una formula univoca per scegliere tra lo stampaggio con inserti e l’overmolding. Entrambe le tecniche hanno le loro applicazioni specifiche in diversi settori industriali. La scelta tra le due dovrebbe essere guidata dalla funzione del prodotto, non dalle opzioni di produzione disponibili. Laddove l’integrità strutturale è fondamentale, è possibile optare per lo stampaggio con inserti. Questo serve a garantire che il prodotto abbia una durabilità meccanica a lungo termine. D'altra parte, il sovrastampaggio è particolarmente indicato nei casi in cui la funzionalità del prodotto è prioritaria, specialmente in ambienti soggetti a vibrazioni, per la sigillatura e la movimentazione degli utensili.

Riferimento

[1] 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

[2] Elsevier B.V. (s.d.). Coefficiente di espansione termica. ScienceDirect Topics. Estratto da https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/coefficient-of-thermal-expansion