Lo stampatore a iniezione utilizza una combinazione di tecnologia a sensori ottici e tattili

La TPK-Kunststofftechnik di Nörten-Hardenberg, vicino a Göttingen, è specializzata nella produzione di sofisticati articoli in plastica e stampi a iniezione. Fondata nel 1997 e gestita da Werner Ternka e dai suoi figli Heiko e Mario, l'azienda a conduzione familiare ha circa 30 dipendenti e si occupa dell'intera catena di processo: dalla consulenza, progettazione, costruzione di utensili e produzione di prototipi allo stampaggio a iniezione in serie e al montaggio.

Le esigenze di qualità dei pezzi stampati a iniezione sono aumentate negli ultimi anni, sottolinea Mario Ternka, responsabile dello sviluppo dei prodotti, del design e della costruzione degli stampi alla TPK-Kunststofftechnik: "I dati dei disegni che riceviamo dai nostri clienti contengono oggi molte dimensioni e tolleranze che non possono essere misurate con gli strumenti di misurazione manuali convenzionali e con apparecchi di misurazione più semplici, per esempio le tolleranze di forma e di posizione, come ortogonalità, parallelismo e planarità, o le tolleranze di forma libera. Per misurare correttamente questi criteri, abbiamo bisogno da un lato di un hardware adatto, ma anche di un buon know-how che traduca i valori misurati nel linguaggio della costruzione degli stampi. Pertanto, non possiamo lasciare la misurazione a un fornitore di servizi metrologici".

TPK soddisfa i maggiori requisiti di qualità con una metrologia all'avanguardia

Così TPK ha deciso di investire in un'attrezzatura di misura adeguata. Sulla base di una scheda tecnica di 60 punti, un team di specialisti ha valutato le offerte di noti produttori di strumenti di misura e ha deciso di acquistare una macchina di misura a coordinate multisensore ScopeCheck® FB 3D della Werth Messtechnik.

Il suo design con un cavalletto fisso su una base di granito e le robuste guide meccaniche di precisione assicura una precisione molto elevata, anche quando viene utilizzata durante la produzione. L'attrezzatura comprende un sensore di elaborazione delle immagini grazie a Werth Zoom e un'unità di illuminazione multi-ring supplementare per il rilevamento rapido e affidabile dei bordi, oltre al tastatore di scansione SP25. Inoltre, la scansione raster viene utilizzata per generare immagini complessive ad alta risoluzione a partire da singole immagini catturate mentre il sensore è in movimento. Con queste, le misurazioni possono essere comodamente eseguite. Per una rapida misurazione ottica delle superfici, TPK ha investito anche nel sensore di distanza CFP, che utilizza l'aberrazione cromatica di lenti speciali per misurazioni estremamente accurate e indipendenti dalla superficie.

"In cima alla lista dei nostri requisiti c'era la combinazione di capacità di misurazione ottica e tattile", spiega Ternka. "E il sensore di distanza ottico doveva fornire risultati di misurazione affidabili per parti lucide, trasparenti, nere o bianche".

Lui e i suoi colleghi sono particolarmente entusiasti della tecnologia del sensore ottico della ScopeCheck® FB: "Non avremmo mai pensato che precisione e velocità fossero possibili prima. Questo è stato il fattore decisivo a favore della ScopeCheck. Il dispositivo può anche essere programmato rapidamente e facilmente - dopo solo un breve periodo di formazione. La misurazione e la valutazione avvengono poi in modo completamente automatico".

ScopeCheck® come elemento importante nella catena di processo alla TPK

Lo stampaggio a iniezione è un processo di formatura primario in cui i criteri di qualità come le tolleranze di forma e posizione ecc. sono molto più difficili da mantenere che nella lavorazione. Richiede un grande know-how produttivo e una catena di processo come quella che TPK ha sviluppato e ottimizzato negli ultimi anni.

All'inizio di questa catena di processo c'è il modello CAD 3D. Con questo, i progettisti creano un primo stampo virtuale e una simulazione di stampaggio a iniezione. Da un lato, i risultati dell'analisi vengono utilizzati per ottimizzare l'oggetto, e dall'altro per migliorare lo strumento di stampaggio. In questo modo, gli ingegneri plastici cercano di contrastare le difficoltà dello stampaggio a iniezione - soprattutto le distorsioni causate dal ritiro longitudinale e trasversale.

"Già nella fase di progettazione dello stampo a iniezione dobbiamo prendere in considerazione i percorsi di flusso della plastica, prevedere il controllo della temperatura e i canali di raffreddamento, e pianificare la sformatura e la rimozione del pezzo", spiega Ternka. La simulazione ripetuta fornisce informazioni sul sistema a canale caldo appropriato, sul punto di iniezione ottimale, sulla posizione dei canali di raffreddamento, sulle tolleranze, sulla bombatura e molto altro. Solo quando gli specialisti dello stampaggio a iniezione sono sicuri che il design dello stampo si adatta all'insieme producono lo stampo in acciaio. Alla TPK, questo viene fatto principalmente su macchine utensili moderne, per esempio tramite fresatura ed erosione a 5 assi.

Nei casi più semplici, la precisione dimensionale di utensili di formatura complessi viene misurata direttamente sulla macchina utensile. Misurazioni difficili, come quella della posizione di un contorno rispetto ai bordi esterni, possono essere eseguite dagli attrezzisti grazie alla Werth ScopeCheck® FB e alla combinazione della tecnologia dei sensori ottici e tattili.

Una volta che lo stampo è pronto, viene campionato su una delle 15 macchine di stampaggio a iniezione con forze di serraggio fino a 2.200 kN e ulteriormente ottimizzato nell'officina stampi fino a quando lo stampaggio a iniezione e la sformatura sono stabili. Il progettista TPK crea quindi, sulla ScopeCheck®, un programma di misurazione su un pezzo campione che registra tutti i criteri decisivi. In base ai risultati, vengono decise ulteriori modifiche da applicare allo stampo. Dice Ternka: "In questa fase, di solito parliamo di correzioni nell'ordine di qualche decimo o centesimo di millimetro, che sono necessarie per mantenere tolleranze molto strette. Senza la precisione della nostra macchina multisensore, non saremmo in grado di registrare tali valori, se non con grandi spese".

Reverse Engineering per la fabbricazione di stampi

Come esempio di una simile rilavorazione ad alta precisione, cita una superficie su un componente medico che deve avere una planarità inferiore a 0,1 mm. Se questa tolleranza non può essere raggiunta in modo affidabile regolando il controllo della temperatura o altri parametri di stampaggio a iniezione, TPK segue la strada della correzione minima dello stampo. In primo luogo, il dipendente responsabile misura l'area interessata con il sensore cromatico Werth CFP. "Con questo sensore ottico siamo in grado di rilevare la planarità anche su una polilinea, un processo che prima era molto difficile e richiedeva molto tempo", dice Ternka. "Quando passiamo il sensore sulla superficie otteniamo rapidamente un risultato molto accurato sulla planarità del nostro oggetto".

Se, per esempio, è possibile rilevare una leggera curvatura causata dal ritiro del materiale, il progettista può riportare i dati di misurazione nel sistema CAD e rispecchiare la superficie curva sull'area corrispondente dell'utensile di stampaggio. Dai dati CAD corretti, egli genera un programma CAM con il quale questa bombatura (come viene chiamata una simile deformazione di rigonfiamento) viene fresata nell'utensile di stampaggio. Dopo un nuovo stampaggio a iniezione, la planarità desiderata viene raggiunta man mano che la plastica si ritira.

Tale processo è chiamato Reverse Engineering. "Combinando i metodi di misura ottici e tattili, possiamo usare la nostra ScopeCheck anche per catturare interi pezzi, come una nuvola di punti, ad alte velocità di misura e riportarli nei dati CAD. Questo viene sempre richiesto", spiega Ternka.

Comprovata nella pratica

L'amministratore delegato vorrebbe presentare una selezione dei sofisticati pezzi stampati a iniezione prodotti dalla sua azienda, ma l'obbligo di riservatezza lo rallenta. Egli dimostra quindi le capacità del dispositivo di misurazione Werth su una piastra per coltura cellulare. Essa proviene dalla gamma di prodotti di Zell-Kontakt, filiale di TPK, specializzata nello sviluppo e nella produzione di colture cellulari e prodotti di laboratorio per tecniche moderne di produzione di immagini e microscopia. Inoltre, Zell-Kontakt offre piastre di screening per la spettroscopia UV e piastre ad ampia superficie per l'analisi dei tessuti..

Una piastra UV, come quelle utilizzate durante la pandemia Covid 19 per le misurazioni PCR, contiene 96 pozzetti la cui superficie di osservazione è costituita da una pellicola trasparente e sottile con un'alta trasmissione nella gamma UV.

Il coperchio contiene anche degli anelli di condensazione che devono adattarsi esattamente alle piastre a più pozzetti. Gli anelli impediscono alla soluzione nutritiva di evaporare durante l'incubazione in modo che la sua concentrazione rimanga costante e le cellule coltivate siano alimentate in modo ottimale.

Questo comporta alte esigenze di posizione, rotondità e planarità, sia per la piastra che per il coperchio. Inoltre, quando si lavora con la microscopia automatizzata o con metodi di misurazione, la planarità complessiva della piastra di coltura cellulare gioca un ruolo importante. "I sensori ottici hanno la precisione di misurazione necessaria e riducono il tempo richiesto per misurare queste parti da ore a pochi minuti", afferma con soddisfazione Ternka.

Insieme ai suoi colleghi, sta ancora scoprendo nuove aree in cui la ScopeCheck® può essere utilmente applicata per generare maggiore qualità e redditività. Ternka riassume: "Siamo certi che la combinazione di sensori ottici altamente precisi e veloci con la tecnologia dei sensori tattili per la misurazione completa di diversi pezzi continuerà ad aprirci molte porte. Perché con ScopeCheck, siamo in grado di cogliere criteri dove altri falliscono".