Avete appena progettato un pezzo stampato bicomponente — un’impugnatura morbida aderente a un corpo rigido — e ora il fornitore vi comunica che i materiali sono incompatibili. L’adesione fallisce durante le prove, la delaminazione compare dopo due cicli termici e si deve ricominciare da capo. La compatibilità dei materiali nello stampaggio bicomponente non è un dettaglio da risolvere in seguito. È la decisione fondamentale che determina se il pezzo rimarrà unito o si separerà — e deve essere presa prima che inizi la lavorazione dell’acciaio.
- L'adesione bicomponente richiede materiali del substrato compatibili, mediante legame chimico o meccanico.
- Il TPE sovrastampato su ABS o PC è la combinazione bicomponente più comune e affidabile.
- Per una buona adesione, la differenza di temperatura del fuso tra le iniezioni deve rimanere entro 30–40°C.
- Le coppie incompatibili causano delaminazione, deformazione e cedimento dell'adesione sotto sforzo.
- La scelta del materiale deve essere completata prima dell'inizio della progettazione dello stampo: modificarla in seguito è estremamente costoso.
Contenuti
- Che cos’è lo stampaggio bicomponente e perché la compatibilità dei materiali è importante?
- Come aderiscono i materiali nello stampaggio bicomponente?
- Quali sono le combinazioni di materiali più compatibili per lo stampaggio bicomponente?
- Quali coppie di materiali non funzionano nello stampaggio a due componenti?
- Quali regole di temperatura governano la selezione dei materiali per il bi-iniezione?
- Come scegliere la coppia di materiali giusta per il proprio progetto?
- Quali difetti indicano un’incompatibilità tra i materiali?
- Domande frequenti
Che cos’è lo stampaggio bicomponente e perché la compatibilità dei materiali è importante?
Lo stampaggio a doppia iniezione, detto anche stampaggio a iniezione bicolore[1] o stampaggio dual-shot, inietta due materiali diversi nello stesso stampo durante un unico ciclo produttivo. La prima iniezione forma il substrato, solitamente un componente strutturale rigido, mentre la seconda vi sovrappone un materiale diverso, in genere un elastomero morbido o un colore a contrasto. Il risultato è un pezzo multimateriale che non richiede assemblaggio.
La compatibilità dei materiali è il fattore decisivo. Se le due resine non aderiscono, chimicamente o meccanicamente, il componente si delamina sotto carico, durante i cicli termici o persino nella normale manipolazione. In oltre 20 anni di produzione bicomponente, abbiamo visto progetti ritardati di settimane perché era stato scelto TPE-TPV su PC-ABS senza prima verificare i dati di adesione. Lo stampo era già costruito. Una lezione costosa.
Il motivo per cui questo aspetto è tanto importante è che, a differenza del sovrastampaggio[2], dove talvolta è possibile ricorrere agli incastri meccanici, lo stampaggio a doppia iniezione dipende in larga misura dal legame chimico, perché il secondo materiale viene iniettato sulla prima iniezione ancora calda. La finestra utile per ottenere un legame resistente è stretta e si chiude rapidamente se la coppia di materiali non è adatta.
Come aderiscono i materiali nello stampaggio bicomponente?
L’unione dei materiali nella doppia iniezione avviene mediante due meccanismi: adesione chimica e incastro meccanico. L’adesione chimica è la soluzione ideale: si verifica quando il secondo materiale fonde parzialmente e interdiffonde a livello molecolare con la superficie ancora semifusa della prima iniezione. Si crea così un legame spesso resistente quanto ciascuno dei due materiali da solo.
Affinché l’adesione chimica funzioni, devono coincidere tre condizioni:
- Polarità simile: entrambi i materiali devono avere energie superficiali compatibili. I materiali polari, come le poliammidi, aderiscono bene ad altri materiali polari. Quelli apolari, come le poliolefine, aderiscono ai materiali apolari. La combinazione di materiali polari e apolari è all’origine della maggior parte dei problemi di adesione.
- Temperature di fusione sovrapposte: il materiale della seconda iniezione deve poter essere lavorato a una temperatura che non degradi la prima iniezione, ma abbastanza elevata da favorire l’interdiffusione. Un divario di 30–40°C tra le temperature di lavorazione dei due materiali è l’intervallo ideale.
- Chimica compatibile: i materiali appartenenti alla stessa famiglia di polimeri, come ABS e ASA oppure PA6 e PA66, aderiscono facilmente perché le loro strutture molecolari sono abbastanza simili da consentire l’interdiffusione.
L’ancoraggio meccanico è l’alternativa. Se l’adesione chimica è debole, si aggiungono sottosquadri, fori o superfici testurizzate per bloccare fisicamente il secondo materiale. Funziona per prodotti in cui l’impugnatura morbida non porta carichi, ma è meno affidabile di un legame chimico, soprattutto nei cicli termici.
Quali sono le combinazioni di materiali più compatibili per lo stampaggio bicomponente?
Le combinazioni bicomponente più affidabili condividono la compatibilità chimica e finestre di lavorazione sovrapposte. Ecco le coppie che vediamo funzionare in modo uniforme in produzione, ordinate in base alla frequenza con cui compaiono nei progetti reali.
| Substrato (iniezione 1) | Sovrastampaggio (iniezione 2) | Qualità dell'adesione | Applicazione tipica |
|---|---|---|---|
| ABS | TPE (stirenico) | Eccellente | Utensili con impugnatura morbida, elettronica di consumo |
| PC | TPE (stirenico) | Eccellente | Dispositivi medici, alloggiamenti per elettroutensili |
| Miscela PC/ABS | TPE (stirenico) | Eccellente | Rivestimenti interni per automobili |
| PA6 / PA66 (nylon) | TPE (a base di poliammide) | Da buono a eccellente | Connettori automobilistici nel vano motore |
| PP | TPE (olefinico / TPV) | Buono | Guarnizioni automobilistiche, imballaggi di consumo |
| POM (acetale) | TPE (modificato) | Discreto (richiede bloccaggio meccanico) | Gruppi di ingranaggi, meccanismi di bloccaggio |
| ABS | ASA | Eccellente (stessa famiglia) | Attrezzature per esterni, pezzi bicolore |
| PMMA | ABS | Buono | Passo 2: Parti dal substrato. |
La combinazione ABS + TPE è la soluzione più utilizzata nella produzione a due iniezioni: probabilmente il 60% dei lavori a due iniezioni che eseguiamo usa una variante di questa coppia. I TPE stirenici, come i composti a base di SEBS, aderiscono chimicamente all’ABS perché entrambi sono polimeri stirenici. L’adesione è affidabile, la finestra di processo è tollerante ed entrambi i materiali sono ampiamente disponibili a prezzi competitivi.
Per le applicazioni automobilistiche, lo standard è costituito da PA6 o PA66 abbinato a un TPE a base poliammidica. Il substrato di nylon resiste al calore e all’esposizione chimica, mentre il rivestimento in TPE assicura tenuta o presa. Il punto essenziale è rendere la composizione chimica del TPE compatibile con il nylon: i TPE stirenici generici non aderiscono bene al nylon. Occorrono TPE formulati specificamente per l’adesione alla poliammide, disponibili in classi dedicate presso la maggior parte dei principali fornitori (Kraiburg, GLS, Teknor Apex).
Nel nostro stabilimento di Shanghai utilizziamo 45 macchine di stampaggio a iniezione da 90T a 1850T, comprese 3 macchine bicomponente dedicate aggiunte nel 2024. Con oltre 400 materiali in inventario e 8 ingegneri senior con una media di oltre 10 anni di esperienza, normalmente convalidiamo l'adesione dei materiali con iniezioni di prova prima di impegnarci nell'attrezzaggio di produzione. Ciò evita la modalità di guasto per incompatibilità più comune e costosa.
Quali coppie di materiali non funzionano nello stampaggio a due componenti?
Non tutte le coppie di materiali funzionano. Alcune combinazioni falliscono sistematicamente, indipendentemente dalle condizioni di lavorazione. Queste sono le coppie da evitare oppure, come minimo, per le quali occorre prevedere un incastro meccanico e approfondite prove di convalida.
Poliolefine su termoplastici tecnici (PP su ABS, PC o PA): è l’errore che riscontriamo più spesso. Il polipropilene è apolare e presenta un’energia superficiale molto bassa. Semplicemente non bagna né aderisce alle resine tecniche polari. Se si specifica un substrato in PP con un rivestimento in TPE progettato per l’ABS, il legame cederà. Sempre. L’unica soluzione è ricorrere ad ampi incastri meccanici, ma anche in questo caso si tratta di un compromesso.
POM (acetale) con la maggior parte dei TPE: l’acetale è notoriamente difficile da far aderire a qualsiasi materiale. La sua bassa energia superficiale e la struttura cristallina ostacolano l’adesione chimica. Se è indispensabile usare il POM come substrato, prevedete importanti elementi di incastro meccanico nella progettazione dello stampo e tempi supplementari per la validazione.
Materiali ad alta temperatura nella seconda iniezione: se il secondo materiale richiede temperature di lavorazione superiori a 280°C e il primo è una resina lavorata a temperature inferiori, come l’ABS (circa 220–240°C), la seconda iniezione può deformare o rifondere parzialmente il substrato. Ciò provoca distorsioni dimensionali e indebolisce la zona di giunzione.
Materiale amorfo su semicristallino: combinazioni come PC (amorfo) su PA6 (semicristallino) possono funzionare, ma la differenza di ritiro genera tensioni interne all’interfaccia. Durante il raffreddamento, i materiali semicristallini si ritirano più di quelli amorfi (1,5–2,5% contro 0,4–0,7%), sottoponendo la linea di giunzione a sforzi di taglio. Il fenomeno è gestibile se viene considerato in fase di progettazione, ma è una causa frequente di problemi di deformazione nelle fasi avanzate.
"L'ABS con TPE stirenico è la coppia di materiali più affidabile per lo stampaggio bicomponente."True
Entrambi i materiali condividono una chimica stirenica, che consente una forte adesione chimica senza promotori di adesione. Le temperature di lavorazione si sovrappongono bene (ABS a 220–250°C, TPE stirenico a 190–230°C), offrendo una finestra di adesione agevole.
"Qualsiasi coppia di termoplastici può essere unita mediante stampaggio a doppia iniezione."False
La compatibilità chimica è essenziale. PP e ABS, ad esempio, sono entrambi termoplastici ma presentano energie superficiali e polarità fondamentalmente diverse, quindi non formeranno un legame chimico. Per scegliere la coppia di materiali occorre verificare polarità, sovrapposizione delle temperature del fuso e compatibilità delle famiglie chimiche.
Quali regole di temperatura governano la selezione dei materiali per il bi-iniezione?
La compatibilità termica dipende da due valori: la temperatura di lavorazione di ciascun materiale e la differenza tra le due. Ecco il metodo pratico che utilizziamo nel nostro stabilimento.
Regola 1: mantenere il divario di temperatura sotto i 40°C. Se la temperatura di fusione della seconda iniezione supera di oltre 40°C la temperatura di lavorazione della prima, si rischia di deformare il substrato. Se è inferiore di oltre 40°C, il secondo materiale potrebbe non avere energia termica sufficiente a favorire l’interdiffusione con la superficie della prima iniezione.
Regola 2: la prima iniezione deve mantenere la propria forma. Tra le due iniezioni, lo stampo ruota oppure il nucleo viene trasferito nella seconda cavità. Il substrato deve possedere un’integrità strutturale sufficiente, ottenuta mediante raffreddamento o grazie alle proprietà del materiale, per superare il trasferimento senza deformarsi. Per la maggior parte dei materiali, prima della seconda iniezione la temperatura superficiale del substrato dovrebbe essere inferiore di almeno 20°C alla sua temperatura di transizione vetrosa (Tg) o alla temperatura di deflessione termica (HDT).
Regola 3: la temperatura dello stampo conta quanto quella del fuso. Una superficie calda dello stampo (80–100°C per le resine tecniche) mantiene la superficie della prima iniezione abbastanza calda da favorire l’adesione. Uno stampo freddo (30–40°C) raffredda bruscamente la superficie, riducendo l’adesione. Per questo gli stampi a doppia iniezione spesso utilizzano zone di temperatura diverse per ciascuna cavità.
| Materiale del substrato | Temperatura del fuso (°C) | Rivestimento compatibile | Temperatura di fusione del sovrastampaggio (°C) | Differenza di temperatura (°C) |
|---|---|---|---|---|
| ABS | 220–250 | TPE stirenico | 190–230 | 10–30 |
| PC | 280–310 | TPE stirenico | 200–240 | 60–80* |
| PA6 | ≥ 1° per 25 mm di profondità di estrazione | TPE a base PA | 220–250 | 10–30 |
| PP | 200–230 | TPE/TPV olefinico | 180–220 | 10–20 |
| PC/ABS | 250–280 | TPE stirenico | 200–240 | 30–50 |
*PC + TPE stirenico porta il divario di temperatura oltre 40°C. La combinazione funziona comunque perché il TPE si degrada gradualmente, ma occorre prevedere tempi ciclo più lunghi e un controllo del processo più rigoroso. Abbiamo utilizzato con successo questa combinazione sulle nostre macchine a doppia iniezione, ma richiede più stampate di validazione rispetto alle coppie ABS/TPE.
"La temperatura dello stampo influisce sull'adesione nel bicomponente tanto quanto la temperatura del fuso."True
Una superficie calda dello stampo (80–100 °C) mantiene l'interfaccia della prima stampata al di sopra della Tg abbastanza a lungo da consentire l'interdiffusione del secondo materiale. Uno stampo troppo freddo raffredda bruscamente la superficie di giunzione prima che possa svilupparsi l'adesione chimica, anche se i due materiali sono compatibili.
"Una temperatura del fuso più alta nella seconda iniezione migliora sempre l’adesione."False
Una temperatura eccessiva del secondo stampaggio può degradare la superficie del primo, causando sacche di gas, scolorimento o deformazione dimensionale. La temperatura ottimale è la minima necessaria all'interdiffusione, in genere 20–30°C sopra il punto di fusione del materiale di rivestimento, non oltre.
Come scegliere la coppia di materiali giusta per il proprio progetto?
Selezionare una coppia di materiali per il bi-iniezione non significa scegliere il legame più resistente, ma adeguarlo ai requisiti funzionali del componente. Ecco il quadro decisionale che esaminiamo con ogni cliente.
Passaggio 1: definire la funzione del legame. Il rivestimento è puramente estetico, per esempio per creare un contrasto cromatico? Deve essere impermeabile, quindi garantire la tenuta? È una superficie soft-touch impugnata ripetutamente? Oppure è strutturale e trasferisce il carico tra i due materiali? La resistenza richiesta al legame varia di un ordine di grandezza tra questi casi d’uso.
Passaggio 2: partire dal substrato. Il materiale del substrato è generalmente determinato dai requisiti strutturali, termici o chimici del pezzo. Se occorre resistenza al calore, si parte da PC o PA; se serve resistenza chimica, forse dal PP. Una volta definito il substrato, la scelta dei materiali di rivestimento si restringe notevolmente.
Passaggio 3: abbinare la composizione chimica del rivestimento a quella del substrato. È qui che la maggior parte dei progetti fallisce. Usate questa scorciatoia: TPE stirenici per substrati in ABS/PC/PC-ABS, TPE a base poliammidica per substrati in nylon e TPE/TPV olefinici per substrati in PP. In caso di dubbi, chiedete al fornitore dei materiali la tabella di compatibilità per la doppia iniezione: tutti i principali produttori di TPE ne pubblicano una.
Passaggio 4: validare con iniezioni di prova. Non saltate mai questa fase. Stampate una piastrina piatta del substrato, quindi sovrastampate il materiale di rivestimento su metà della superficie. Eseguite una prova di trazione e una prova con nastro adesivo. Se il rivestimento si separa nettamente all’interfaccia, esiste un problema di adesione. Se si lacera in modo coesivo, cioè il materiale di rivestimento si rompe prima che ceda il legame, l’adesione è solida.
Un consiglio pratico: se il progetto richiede una coppia di materiali diversa dalle combinazioni “standard” elencate sopra, prevedete tempo e budget aggiuntivi per la validazione. Le coppie non standard non sono impossibili — abbiamo fatto aderire sovrastrati in PEEK su substrati in PPS per clienti aerospaziali — ma richiedono maggiore sviluppo del processo, tassi di scarto più elevati durante l’avviamento e lead time più lunghi.
Nei progetti in cui non è possibile ottenere un legame chimico, lo stampaggio con inserti[3] o gli elementi di incastro meccanico nella progettazione dello stampo diventano una garanzia. Inserite sottosquadri, fori passanti o superfici testurizzate nella geometria del substrato, affinché il rivestimento abbia un appiglio fisico. È una soluzione meno elegante del legame chimico, ma affidabile se realizzata correttamente.
Quali difetti indicano un’incompatibilità tra i materiali?
Se lo stampo è già stato costruito e i primi pezzi escono dalla pressa, ecco cosa controllare. Questi difetti non indicano sempre un abbinamento errato dei materiali, poiché contano anche i parametri di processo, ma sono segnali importanti.
Delaminazione all’interfaccia: è il segnale più evidente. Se il rivestimento può essere staccato dal substrato con una forza moderata, oppure si separa durante una normale prova di trazione, il legame chimico è fallito. Controllate anzitutto la tabella di compatibilità dei materiali, quindi esaminate la temperatura dello stampo e la velocità di iniezione.
Deformazione dopo il raffreddamento: quando il substrato e il rivestimento presentano tassi di ritiro molto diversi, con uno scarto superiore all’1%, il raffreddamento non uniforme deforma il pezzo. È un fenomeno comune nelle coppie amorfo-su-semicristallino. Modificare la posizione dei punti di iniezione e il tempo di raffreddamento può aiutare, ma se la differenza di ritiro è eccessiva occorre riconsiderare la scelta di base dei materiali.
Difetti superficiali lungo la linea di giunzione: ventagliature, striature argentate o scolorimenti lungo l’interfaccia tra i due materiali indicano solitamente che la temperatura del fuso della seconda iniezione è troppo elevata e provoca un degrado localizzato del substrato. Riducete la temperatura della seconda iniezione di 10–15°C e verificate se i difetti diminuiscono.
Materozze fredde o riempimento incompleto del rivestimento: se il materiale di rivestimento non riempie completamente la seconda cavità, la superficie di giunzione potrebbe essersi raffreddata sotto la soglia necessaria all’adesione chimica. È un problema di processo, dovuto a uno stampo troppo freddo o a un intervallo eccessivo tra le iniezioni, non di materiale; tuttavia produce lo stesso problema funzionale: un legame debole.
Nella nostra esperienza, circa il 70% dei problemi di adesione nello stampaggio a iniezione bicomponente è riconducibile alla selezione dei materiali, non al processo. Il restante 30% dipende dal processo, solitamente dalla temperatura dello stampo o dalla velocità d’iniezione. Se avete verificato che la coppia di materiali è compatibile ma osservate ancora delaminazione, controllate le seguenti variabili di processo prima di cambiare materiali:
- Temperatura dello stampo in entrambe le cavità (puntare a 80–100°C per le resine tecniche)
- Tempo di attesa tra la prima e la seconda stampata (più breve = migliore per l’adesione)
- Velocità di iniezione della seconda dose (un riempimento più rapido riduce il raffreddamento prima che la cavità sia piena)
- Pressione di mantenimento sulla seconda stampata (mantiene la pressione di contatto all’interfaccia di adesione)
Con oltre 120 addetti alla produzione e un processo di controllo qualita in 6 fasi (IQC → campionamento in processo → ispezione del processo → ispezione dell'imballaggio → FQC → OQC), rileviamo i difetti di adesione in fase di campionamento prima che raggiungano la piena produzione. I nostri oltre 30 project manager anglofoni assicurano che, quando viene rilevato un problema di adesione, il ciclo di feedback verso il team di ingegneria si chiuda entro 24 ore.
stampaggio a doppia iniezione: processo specializzato di stampaggio a iniezione nel quale due materiali diversi vengono iniettati in sequenza nello stesso stampo per produrre un pezzo multimateriale in un unico ciclo. ↩
adesione chimica: nell'unione dei polimeri, l'adesione chimica indica l'interdiffusione delle catene polimeriche attraverso l'interfaccia dei materiali, misurata mediante resistenza alla pelatura in N/mm secondo ASTM D903. ↩
temperatura di transizione vetrosa: la temperatura di transizione vetrosa (Tg) è l'intervallo termico nel quale un polimero amorfo passa da uno stato vetroso rigido a uno stato gommoso, generalmente misurato mediante DMA a 1 Hz. ↩
tasso di ritiro: nello stampaggio a iniezione, il tasso di ritiro è la riduzione dimensionale di un pezzo stampato durante il raffreddamento, espressa come percentuale delle dimensioni della cavità dello stampo, e varia dallo 0,4% per i materiali amorfi al 2,5% per quelli semicristallini. ↩
Domande frequenti
È possibile utilizzare due colori diversi dello stesso materiale nello stampaggio bicomponente?
Sì. Lo stampaggio bicomponente con lo stesso materiale (ad es. ABS nero + ABS bianco) produce legami eccellenti perché la composizione chimica è identica. È la forma più semplice di stampaggio a iniezione bicolore, comunemente utilizzata per alloggiamenti di prodotti di consumo, pulsanti e componenti di marca in cui il contrasto cromatico è l’unico requisito.
Qual è la forza minima di adesione richiesta per i pezzi stampati in due iniezioni?
Non esiste un unico standard — dipende dall’applicazione. Per rivestimenti estetici bastano in genere 1–2 N/mm di resistenza alla pelatura. Per guarnizioni funzionali o superfici morbide soggette a uso ripetuto, puntare a 3–5 N/mm. Per giunti strutturali che trasferiscono carico, almeno 5 N/mm. Verificare l’adesione a strappo secondo ISO 4624 o ASTM D4541.
Lo stampaggio bicomponente costa più del sovrastampaggio?
Le attrezzature per lo stampaggio bicomponente costano il 30–50% in più degli stampi standard a causa del meccanismo rotante e delle doppie unità di iniezione. Tuttavia, il costo per pezzo è spesso inferiore perché il ciclo è più rapido: si ottiene un componente multimateriale finito in un solo ciclo anziché in due operazioni di stampaggio separate. Per volumi superiori a 10.000 pezzi, lo stampaggio bicomponente è generalmente più conveniente del sovrastampaggio.
Il TPU può essere utilizzato nello stampaggio a due iniezioni?
Sì. Il TPU aderisce bene a substrati polari come PC, ABS e PA. È una scelta diffusa per dispositivi indossabili e medicali grazie alla biocompatibilità e alla resistenza all’abrasione. Le temperature di lavorazione vanno da 190–230°C e si sovrappongono bene a quelle della maggior parte dei termoplastici tecnici. Lo svantaggio principale è il tempo ciclo più lungo: il TPU richiede più raffreddamento dei TPE stirenici.
Come si verifica la compatibilità dei materiali prima di realizzare l’attrezzatura?
La prova più affidabile prima dello stampo consiste nello stampare in sequenza piastre piane di entrambi i materiali con uno stampo di prova, quindi eseguire prove di pelatura ASTM D903 e di adesione a reticolo ASTM D3359. La maggior parte dei fornitori di TPE offre schede con la resistenza alla pelatura misurata su substrati comuni: richiederle prima di finalizzare la scelta.
È possibile utilizzare materiali riciclati nello stampaggio a due componenti?
Nell’iniezione del substrato, sì, con percentuali standard di rimacinato (in genere 15–30%). Nell’iniezione dello strato di rivestimento è più rischioso, perché il rimacinato può alterare la chimica superficiale e la viscosità del fuso, influendo direttamente sull’adesione. Se è necessario utilizzare materiale riciclato, convalidate l’adesione con la miscela di rimacinato effettiva prima della produzione.
Cosa succede se la prima iniezione si raffredda troppo prima della seconda?
Il legame si indebolisce notevolmente. Quando la temperatura superficiale del substrato scende al di sotto della sua Tg, la mobilità molecolare all’interfaccia diminuisce e il secondo materiale non riesce a interdiffondersi. Il risultato è una scarsa adesione, che si basa sull’incastro meccanico anziché sul legame chimico. Per questo motivo è fondamentale controllare il tempo di ciclo tra le iniezioni.
Serve assistenza nella scelta dei materiali per lo stampaggio a due componenti?
Scegliere la corretta coppia di materiali per lo stampaggio multi-shot è essenziale prima di costruire lo stampo. ZetarMold esegue produzioni bi-iniezione fin dagli inizi a Shanghai, con 45 macchine, comprese unità dedicate, e oltre 400 materiali disponibili per le prove. I nostri ingegneri possono convalidare la coppia con iniezioni di prova prima dell’investimento nello stampo di produzione.
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