Che cos’è una pressa a iniezione completamente elettrica?

Che cos’è una pressa a iniezione completamente elettrica e in cosa differisce da una pressa idraulica?

Una macchina di stampaggio a iniezione completamente elettrica aziona ogni asse di movimento, ossia iniezione, plastificazione, chiusura, espulsione e carrello, utilizzando servomotori indipendenti a controllo elettronico anziché i cilindri e le pompe idrauliche delle macchine convenzionali. In una macchina idraulica, una pompa in funzione continua mantiene la pressione del sistema e le valvole idrauliche dirigono tale pressione per azionare ogni funzione in sequenza o simultaneamente. In una macchina completamente elettrica, ogni servomotore si attiva soltanto quando è richiesta la propria funzione, prelevando energia su richiesta e recuperando energia cinetica mediante frenatura rigenerativa durante la decelerazione. Questa differenza architetturale fondamentale determina i notevoli vantaggi della macchina elettrica in termini di consumo energetico, precisione, pulizia e ripetibilità.

Nel nostro stabilimento utilizziamo sia macchine idrauliche sia completamente elettriche e le differenze operative sono immediatamente evidenti. Le macchine elettriche sono più silenziose: non hanno il rumore costante della pompa idraulica. Sono più pulite: non vi è fluido idraulico che possa perdere, da sostituire o smaltire. Si avviano più rapidamente: l’olio idraulico non richiede preriscaldamento. E sono più precise: il controllo della posizione mediante servomotori offre risoluzione e ripetibilità che il controllo con valvole idrauliche non può eguagliare. Per le applicazioni adatte, la macchina elettrica è una tecnologia nettamente superiore. Occorre stabilire se l’applicazione giustifichi il maggiore costo iniziale dell’investimento.

Quanta energia risparmia una macchina completamente elettrica rispetto a una idraulica?

Il consumo energetico è l’ambito nel quale le presse completamente elettriche offrono il vantaggio più significativo e più facilmente quantificabile. Una tradizionale pompa idraulica¹ a cilindrata fissa funziona continuamente alla massima velocità, indipendentemente dalla richiesta della macchina: durante chiusura, raffreddamento e inattività eroga quasi la portata massima, mentre le valvole limitatrici dissipano l’energia in eccesso sotto forma di calore. È uno spreco enorme: le presse idrauliche consumano il 50–80% della potenza di picco anche quando non svolgono alcun lavoro utile. I servomotori elettrici, invece, assorbono energia solo quando accelerano un carico e la recuperano in decelerazione mediante frenata rigenerativa. Durante il raffreddamento, che rappresenta il 60–75% del tempo ciclo, le presse elettriche assorbono soltanto la potenza minima necessaria a mantenere in temperatura le fasce riscaldanti.

Nella pratica, abbiamo misurato risparmi energetici del 50–70% sostituendo presse idrauliche con equivalenti elettriche che eseguivano cicli identici sugli stessi prodotti. I risparmi aumentano quando si eseguono cicli brevi (nei quali la quota del tempo di raffreddamento è inferiore e quella dei movimenti della pressa è superiore) o quando più presse operano in uno stabilimento con un costo energetico condiviso. La tabella seguente mostra i valori di riferimento del consumo energetico per presse di tonnellaggio equivalente appartenenti a diverse tipologie:

Quali vantaggi offrono le macchine elettriche in termini di precisione e ripetibilità?

Il vantaggio di precisione delle macchine elettriche deriva dalla superiorità fondamentale del controllo di posizione servo ad anello chiuso rispetto alle valvole idrauliche. Un servomotore con encoder ottico conosce la posizione entro una frazione di grado di rotazione, traducendosi in precisione submillimetrica della vite e dell’asse di chiusura. I sistemi idraulici, anche ben mantenuti con valvole proporzionali, presentano variabilità intrinseca dovuta a temperatura dell’olio, usura delle valvole e fluttuazioni di pressione. In migliaia di cicli, queste piccole variazioni si accumulano in incoerenze tra stampate che incidono su peso, dimensioni e qualità estetica.

Abbiamo misurato una variazione del peso della stampata di ±0.02 g su macchine elettriche che lavorano policarbonato di grado ottico, pari a circa lo 0.1% del peso della stampata. La stessa cavità su una macchina idraulica mostra una variazione di ±0.08–0.12 g in condizioni simili. Per i pezzi in cui la costanza dimensionale è critica — componenti ottici a parete sottile, componenti di precisione per dispositivi medici, alloggiamenti di connettori con tolleranze strette — questa differenza di ripetibilità si traduce direttamente in rese maggiori e meno pezzi fuori specifica. La tabella seguente mostra i parametri di precisione dei diversi tipi di macchina:

Quali applicazioni sono più adatte alle presse a iniezione completamente elettriche?

Le macchine completamente elettriche sono la scelta evidente per le applicazioni in cui precisione, pulizia, costo dell’energia o livello di rumore sono requisiti primari. I componenti per dispositivi medicali, come siringhe, raccordi per cateteri e involucri di dispositivi per la somministrazione di farmaci, richiedono il funzionamento privo di contaminazione che soltanto le macchine elettriche garantiscono negli ambienti a camera bianca. I componenti ottici, tra cui lenti, guide di luce e pannelli per display, richiedono la costanza tra una stampata e l’altra che soltanto il controllo dell’iniezione servoassistito può offrire. I componenti per l’elettronica di consumo, come alloggiamenti per connettori, meccanismi di pulsanti e cornici trasparenti per display, beneficiano della ripetibilità che garantisce una qualità estetica uniforme per milioni di cicli. Anche l’imballaggio a parete sottile, nel quale un’iniezione estremamente rapida con profili di velocità precisi è fondamentale per riempire la cavità prima che solidifichi, è un campo d’elezione delle macchine elettriche.

Le presse elettriche sono meno convenienti per pezzi molto grandi, con forza di chiusura superiore a 2.000 tonnellate, dove le soluzioni idrauliche o ibride offrono vantaggi economici, e nella produzione standard di componenti robusti e non critici, dove il sovrapprezzo per la precisione non genera valore aziendale. Anche il servomotore² e i sistemi a vite a ricircolo di sfere delle presse elettriche sono più sensibili agli ambienti contaminati: perdite di refrigerante, trucioli metallici e polveri abrasive possono danneggiare i componenti meccanici di precisione più rapidamente dei robusti cilindri idraulici.

Qual è il confronto del costo totale di proprietà tra presse elettriche e idrauliche?

Il costo iniziale di una macchina completamente elettrica è superiore del 20–40% a quello di una macchina idraulica comparabile. Questo sovrapprezzo viene recuperato grazie ai risparmi sui costi operativi durante la vita della macchina. Un risparmio energetico di $6,000–$13,000 all’anno (per una macchina da 250 tonnellate operativa su tre turni) recupera il sovrapprezzo in 3–5 anni. Ulteriori risparmi derivano dall’eliminazione dei costi di olio idraulico e filtri ($2,000–$5,000 all’anno per macchina), dal minore consumo di acqua di raffreddamento (i sistemi idraulici generano molto calore e richiedono infrastrutture di raffreddamento aggiuntive) e dai minori costi di manutenzione grazie a un numero inferiore di componenti soggetti a usura: nessuna guarnizione idraulica, valvola o manutenzione della pompa. Modelliamo il costo totale di proprietà per ogni decisione di acquisto delle macchine e, nelle applicazioni ad alto utilizzo, le macchine elettriche mostrano costantemente un costo totale su 10 anni inferiore nonostante il prezzo di acquisto più elevato.

Anche il profilo di manutenzione delle presse elettriche è sensibilmente diverso. Le viti a ricircolo di sfere³ e i servomotori sono molto affidabili, ma richiedono lubrificazione periodica e, infine, la sostituzione. Con intervalli tipici di sostituzione di 5–10 milioni di cicli, una pressa che esegue 500.000 cicli l’anno richiederà manutenzione delle viti dopo 10–20 anni: un periodo che rientra nella vita utile della macchina, ma che costituisce un costo programmato da mettere a budget. Guarnizioni, pompe e valvole proporzionali idrauliche richiedono invece interventi più frequenti, soprattutto nelle applicazioni con cicli di lavoro intensivi.

Domande frequenti sulle presse a iniezione completamente elettriche

Sì. Le macchine completamente elettriche lavorano tutti i materiali termoplastici standard, i tecnopolimeri e le resine speciali ad alte prestazioni, ossia la stessa gamma di materiali delle macchine idrauliche. L’unità di iniezione (cilindro, vite, fasce riscaldanti) svolge la stessa funzione. Le macchine elettriche possono generare pressioni di iniezione fino a 2.500 bar e tutte le velocità di iniezione rilevanti a livello commerciale, coprendo l’intera gamma di requisiti relativi a materiali e pezzi.

Sì, in misura sostanziale. Le macchine idrauliche con pompe in funzione continua operano tipicamente a 70–80 dB (A). Le macchine completamente elettriche operano a 60–65 dB (A): una differenza che, a causa della natura logaritmica della scala dei decibel, viene percepita come molto maggiore di quanto suggeriscano i numeri. Negli ambienti produttivi con più macchine, questa riduzione del rumore migliora sensibilmente le condizioni di lavoro e riduce l’affaticamento di operatori e tecnici.

Le macchine ibride utilizzano pompe idrauliche a cilindrata variabile controllate da servomotori anziché le convenzionali pompe a portata fissa, riducendo il consumo energetico a circa metà strada tra quello delle macchine idrauliche fisse e quello delle completamente elettriche. Offrono una migliore efficienza energetica rispetto alle macchine idrauliche convenzionali, con un costo di capitale inferiore rispetto alle completamente elettriche. Rimangono adatte alle applicazioni di grande tonnellaggio, in cui la tecnologia a vite a ricircolo di sfere completamente elettrica incontra difficoltà meccaniche, e alle attività non ancora pronte a impegnarsi completamente nella tecnologia elettrica.

Le viti a ricircolo di sfere richiedono lubrificazione periodica (generalmente mediante sistemi automatici sulle macchine moderne), controllo dell’usura agli intervalli di manutenzione e sostituzione finale dopo 5–15 milioni di cicli, a seconda del carico. Sulle nostre macchine elettriche programmiamo l’ispezione delle viti a ricircolo di sfere ogni 2 milioni di cicli. La sostituzione è una manutenzione pianificata che considera i tempi di approvvigionamento dei ricambi, non un intervento di emergenza per guasto; risulta quindi gestibile con un’adeguata pianificazione della manutenzione preventiva.

Le macchine elettriche sono la scelta preferita per il microstampaggio a iniezione. La precisione dell’iniezione controllata da servomotori, con una risoluzione della posizione della vite nell’ordine dei centesimi di millimetro, è essenziale quando i volumi di iniezione si misurano in frazioni di grammo. Per questo gli specialisti del microstampaggio utilizzano quasi esclusivamente macchine elettriche. Le iniezioni inferiori al grammo per cateteri medicali, componenti di apparecchi acustici e dispositivi microfluidici richiedono la precisione di controllo dell’iniezione che solo le macchine elettriche possono offrire.

Le macchine completamente elettriche raggiungono in genere tempi ciclo complessivi piu rapidi rispetto alle macchine idrauliche per diversi motivi: il movimento di chiusura azionato da servomotori puo essere piu rapido e controllato con maggiore precisione rispetto al movimento idraulico; il movimento simultaneo su piu assi (iniezione durante l’espulsione della stampata precedente) e piu facile da coordinare con controllori servo; risposte piu rapide e uniformi agli obiettivi di posizione riducono il tempo di assestamento in ogni fase. Per un tipico ciclo idraulico di 30 secondi, una macchina elettrica ben ottimizzata puo raggiungere 25–28 secondi, con una riduzione del tempo ciclo del 7–17%.

Sintesi

Una pressa a iniezione completamente elettrica sostituisce i sistemi idraulici delle macchine tradizionali con servomotori indipendenti su ciascun asse, offrendo tre vantaggi decisivi: riduzione dei consumi del 50–70% grazie all’assorbimento di potenza su richiesta e alla frenata rigenerativa; precisione nettamente superiore grazie al controllo di posizione ad anello chiuso dei servomotori, con ripetibilità inferiore al millimetro; compatibilità con le camere bianche, senza rischio di contaminazione da olio idraulico. Il sovrapprezzo iniziale del 20–40% rispetto alle presse idrauliche viene in genere recuperato in 3–5 anni grazie al risparmio di energia e manutenzione, rendendo le presse elettriche la scelta migliore in termini di costo totale di proprietà per produzioni ad alto utilizzo di pezzi di precisione. Nel nostro stabilimento impieghiamo presse completamente elettriche per dispositivi medici, componenti ottici ed elettronica di consumo di precisione, dove i vantaggi prestazionali giustificano l’investimento. Nelle applicazioni in cui precisione e pulizia sono fondamentali, la pressa completamente elettrica non è più un’opzione premium, ma lo standard. Consulta la nostra Guida completa allo stampaggio a iniezione per una panoramica generale. Consulta la nostra Guida completa allo stampaggio a iniezione per una panoramica generale.

1. Pompa idraulica: dispositivo meccanico che converte la potenza rotatoria di un motore elettrico in un flusso di fluido idraulico pressurizzato; nelle presse a iniezione tradizionali mantiene costantemente la pressione del sistema per azionare chiusura, iniezione ed espulsione tramite valvole direzionali. ↩

2. Servomotore: attuatore rotativo o lineare dotato di controllo ad anello chiuso di posizione, velocità e coppia mediante il segnale elettronico di un encoder; precisione ed efficienza energetica su richiesta ne fanno la tecnologia di azionamento principale delle presse a iniezione completamente elettriche. ↩

3. Vite a ricircolo di sfere: attuatore lineare meccanico di precisione che converte il moto rotatorio di un servomotore in moto lineare mediante sfere ricircolanti in una scanalatura elicoidale; nelle presse a iniezione elettriche aziona gli assi di iniezione, chiusura ed espulsione con elevata efficienza e precisione di posizionamento. ↩

Richiedi prezzi competitivi, feedback DFM e tempistiche di produzione al team tecnico di ZetarMold.

Richiedete un preventivo gratuito →