Come viene utilizzato il TPU nel settore dello stampaggio a iniezione?

Le materie plastiche elastiche e termoplastiche comunemente utilizzate per lo stampaggio a iniezione includono prodotti in schiuma poliuretanica autopelle, flessibili, viscoelastici e gomma termoplastica stampata a iniezione (TPR), elastomeri termoplastici (TPE) e uretano termoplastico (TPU). Il TPU, o poliuretano termoplastico, è un materiale amato da molti settori perché può essere fuso e modellato nuovamente come i termoplastici, ma mantiene comunque proprietà elastiche. Un’area in cui questo materiale versatile brilla davvero è nello stampaggio a iniezione; nient’altro offre sia flessibilità che resistenza esattamente nello stesso modo. Questo articolo approfondisce le proprietà fondamentali del TPU, il processo di stampaggio a iniezione, le applicazioni pratiche, fornendo una guida completa per i professionisti del settore.

Proprietà fondamentali del TPU

Il TPU è un elastomero termoplastico prodotto dalla reazione di diisocianati (come MDI o TDI), polioli polieteri o poliesteri ed estensori di catena. Presenta le seguenti proprietà chiave:

Elasticità e flessibilità

Il TPU è una scelta eccellente per gli articoli che devono essere molto elastici, perché la sua elasticità è la stessa in un’ampia gamma di temperature. Questo materiale resiste bene anche in condizioni di freddo, non diventa fragile. La resistenza alla trazione e l’allungamento a rottura del TPU gli consentono di rimanere stabile sotto stress meccanico, rendendolo ideale per le applicazioni che richiedono elevate prestazioni meccaniche.

Resistenza all’abrasione

Il TPU ha un’ottima resistenza allo strappo e all’abrasione. Ciò significa che è perfetto per la realizzazione di prodotti che devono sopportare un’usura elevata, come le suole delle scarpe o i nastri trasportatori. La sua resistenza all’abrasione non si limita agli ambienti di utilizzo ordinario: il TPU è in grado di mantenere le sue proprietà fisiche anche in caso di utilizzo ad alta intensità e frequenza, prolungando così la durata del prodotto.

Resistenza agli oli e alle sostanze chimiche

In particolare, in ambienti in cui la resistenza agli agenti chimici e agli oli è fondamentale, come l’industria automobilistica e petrolifera. Il TPU è in grado di mantenere la propria integrità e funzionalità anche in ambienti difficili, rappresentando una scelta affidabile per le applicazioni più impegnative.

Trasparenza

Grazie alla sua trasparenza, il TPU è adatto ai prodotti che necessitano di materiale trasparente, come le custodie per telefoni e i prodotti medicali. Il TPU ha un’elevata trasparenza e un’alta trasmissione della luce che, nella maggior parte dei casi, garantiscono una chiara visibilità; inoltre, ha un’elevata resistenza fisica e può essere realizzato per resistere a condizioni difficili.

Resistenza agli agenti atmosferici

Grazie all’eccellente resistenza ai raggi UV e agli agenti atmosferici, il poliuretano termoplastico (TPU) è perfetto per l’uso all’aperto. Anche dopo lunghi periodi di esposizione al sole, non perde molto le sue proprietà fisiche, il che significa che i prodotti a base di TPU, come gli attrezzi da esterno e i materiali da costruzione, durano a lungo.

TPU nei processi di stampaggio a iniezione

Il processo di stampaggio a iniezione del TPU è simile a quello di altri termoplastici, ma richiede un controllo preciso dei parametri e delle condizioni di lavorazione perché il TPU ha proprietà uniche. Di seguito è riportata una guida approfondita su come il TPU viene lavorato utilizzando tecniche di stampaggio a iniezione:

Preparazione delle materie prime

Le materie prime TPU (poliuretano termoplastico) sono comunemente sotto forma di pellet di TPU e, prima dello stampaggio a iniezione, è spesso necessaria un’ampia essiccazione per eliminare l’umidità che potrebbe degradare le prestazioni del pezzo prodotto. La temperatura di essiccazione è normalmente impostata nell’intervallo 80-110℃ e sono necessarie 2-4 ore per completare il processo di essiccazione per ridurre il livello di umidità che potrebbe causare alcuni difetti come bolle durante il processo di iniezione. Tuttavia, quando il tasso di applicazione è molto elevato, può essere necessario procedere all’essiccazione sotto vuoto o all’essiccazione con essiccante per rimuovere l’umidità eventualmente ancora presente nel materiale.

Parametri di iniezione

1. Controllo della temperatura: il TPU viene lavorato tra 180-230℃. Il calore può deteriorarne le proprietà fisiche, quindi un controllo accurato è essenziale per la qualità finale. Poiché il TPU ha in genere una temperatura di fusione leggermente inferiore a molti altri termoplastici, richiede una regolazione più precisa delle apparecchiature.

2. Velocità di iniezione: si consiglia una velocità media per evitare tensioni interne e bolle causate da un’iniezione troppo rapida. La velocità influenza l’uniformità di riempimento e le proprietà meccaniche; a velocità eccessive l’aria resta intrappolata nel materiale e genera bolle.

3. Controllo della pressione: pressione e tempo di mantenimento devono garantire stabilità dimensionale e una buona superficie. Una pressione eccessiva crea tensioni interne, mentre un tempo insufficiente provoca ritiro e deformazioni. Il tempo dipende soprattutto dallo spessore e dalla complessità del prodotto.

Progettazione di stampi

La progettazione dello stampo influisce notevolmente sui prodotti in TPU. Sebbene il TPU scorra bene, canali e punti di iniezione devono essere dimensionati correttamente per evitare riempimenti incompleti. Occorre inoltre impostare un adeguato angolo di sformo per non danneggiare il pezzo. Finitura superficiale e temperatura dello stampo prevengono difetti, uniformano il raffreddamento e riducono il ciclo. Punti chiave nella progettazione di stampi a iniezione per TPU:

Questa distribuzione dipende dalle condizioni di stampaggio, ad esempio dalla durezza della materia prima, dallo spessore del pezzo, dalla forma del pezzo, dalla temperatura di stampaggio e dalla temperatura dello stampo. Per quanto riguarda l’intervallo di ritiro tipico, le due fonti più importanti non indicano un valore specifico di s, che varia tipicamente tra 0,005-0,020 cm/cm. Ad esempio, una barra rettangolare di 100×10×2 mm si assottiglierà al cancello nella direzione della lunghezza e il ritiro nella direzione del flusso sarà di 2-3 volte maggiore se la durezza è 75A piuttosto che 60D. Come mostrato nella figura 1, vi è una relazione tra la durezza del TPU e lo spessore del pezzo con il tasso di ritiro. Come illustrato in precedenza, per la durezza del TPU compresa tra 78A e 90A, il tasso di ritiro del pezzo diminuisce all’aumentare dello spessore, mentre quando è compreso tra 95A e 74D, il tasso di ritiro aumenta leggermente all’aumentare dello spessore.

Il canale di distribuzione principale è il passaggio che collega l’ugello della macchina per stampaggio a iniezione al sottocanale o alle cavità all’interno dello stampo: questo canale si espande verso l’interno con un angolo superiore a 2 gradi per facilitare la rimozione dei residui del canale. Il sottocanale negli stampi a più cavità collega il canale principale a ciascuna cavità e dovrebbero essere equamente distanziati o bilanciati nello stampo. La sezione trasversale dei canali può essere rotonda, semicircolare o rettangolare e il suo diametro ideale dovrebbe essere compreso tra 6 e 9 mm. La superficie del canale dovrebbe essere lucidata come quella della cavità dello stampo per ridurre la resistenza al flusso del materiale e aumentare la velocità di riempimento dello stampo.

La cavità per i proiettili freddi è una cavità situata all’estremità del canale primario e destinata a immagazzinare il materiale freddo extra generato tra due colpi e a evitare che provochi l’ostruzione del canale secondario o della porta. Il materiale freddo inserito nella cavità può anche creare rapidamente lo stress interno del prodotto. Il pozzetto di stoccaggio del materiale freddo dovrebbe avere un diametro di 8-10 mm e una profondità di circa 6 mm.

Il punto di iniezione è il passaggio che collega il canale principale o secondario alla cavità. Di norma ha una sezione inferiore a quella del canale ed è la parte più piccola del sistema di canali; deve inoltre essere corto. Può avere qualsiasi forma, ad esempio rettangolare o circolare, e le dimensioni dipendono dallo spessore dei prodotti. Per prodotti con spessore < 4mm, diametro = 1mm, e per spessori di 4-8mm, diametro = 1. Per spessori di parete inferiori a 8 mm, il diametro è 1. 4 mm; per spessori compresi tra 8 mm e 4 mm, il diametro è 2; oltre 4mm è 2. 0-2. 7 mm. La posizione del punto viene generalmente scelta nella parte più spessa del prodotto, dove incida poco su estetica e funzione, a 90 gradi rispetto alla parete dello stampo, così da eliminare cavità da ritiro e segni di flusso vorticoso.

Gli sfiati sono aperture a forma di fessura nello stampo per liberare l’aria all’interno della cavità dello stampo, poiché il suo intrappolamento può causare difetti come vuoti, linee di saldatura scadenti o riempimento incompleto dello stampo, nonché bruciature sul prodotto a causa della compressione dell’aria che provoca la generazione di calore e, a sua volta, lo sviluppo di tensioni interne. Lo sfiato può essere effettuato al termine del flusso di colata nella cavità o sulla superficie di divisione dello stampo; in genere, si tratta di 0,15 mm di profondità e 6 mm di larghezza.

Condizioni di stampaggio a iniezione del TPU

I parametri di temperatura, pressione e tempo dello stampaggio a iniezione del TPU sono decisivi per ottenere plastificazione, fluidità e raffreddamento corretti. Aspetto e prestazioni delle parti dipendono dal loro corretto controllo; un processo stabile produce pezzi uniformi, con una tonalità omogenea tra bianco e beige.

Temperatura

I parametri che possono essere regolati durante lo stampaggio del TPU sono la temperatura del cilindro, la temperatura dell’ugello e la temperatura dello stampo. I primi due agiscono in larga misura sulla plastificazione e sul flusso del TPU, mentre il terzo influisce sul flusso e sulla velocità di raffreddamento.

1. Temperatura del cilindro: si sceglie in base alla durezza del TPU; maggiore è la durezza, maggiori sono temperatura di fusione e temperatura finale del cilindro. L’intervallo di lavorazione è 177-232 °C. La temperatura aumenta gradualmente dalla tramoggia, sul retro, verso l’ugello anteriore, permettendo al TPU di riscaldarsi con regolarità durante la plastificazione.

2. Temperatura dell’ugello: di norma è leggermente inferiore alla temperatura massima del cilindro per evitare colature con un ugello passante. Con un ugello autosigillante, invece, può essere impostata entro l’intervallo della temperatura massima del cilindro.

3. Temperatura dello stampo: incide fortemente sulle caratteristiche e sulla rugosità delle parti in TPU, in funzione della cristallinità e delle dimensioni. È regolata con un fluido a temperatura controllata, per esempio acqua. Per Texin 480A l’intervallo adatto è 20-30°C, per 591A è 30-50°C e per 355D è 40-65°C. L’intervallo tipico del TPU è 10-60 C. Temperature basse solidificano prematuramente parte del fuso, creando linee di flusso, limitando la crescita degli sferuliti e causando ritiro post-stampaggio e variazioni prestazionali.

Pressione

La pressione o forza nello stampaggio a iniezione comprende la pressione di plastificazione, detta anche contropressione e pressione di iniezione. Al momento dell’estrazione della vite, la pressione sulla parte superiore della massa fusa è la contropressione, controllata dalla valvola di troppopieno. Una contropressione più elevata aumenta la temperatura della colata, diminuisce il tasso di plastificazione, garantisce temperature migliori nella colata, favorisce la miscelazione dei coloranti e aiuta a rimuovere i gas presenti nella colata, ma prolunga il ciclo di stampaggio. Va notato che la contropressione del TPU varia generalmente tra 0,3-4 MPa.

Tempo

Il tempo necessario per effettuare un’iniezione è chiamato ciclo di stampaggio. Comprende il riempimento dello stampo, il mantenimento, il raffreddamento e altri tempi (come l’apertura dello stampo, l’estrazione del pezzo, la chiusura dello stampo e così via). Questo ciclo influisce sulla quantità di lavoro svolto e sull’utilizzo della macchina. I cicli di stampaggio del TPU dipendono dalla durezza del materiale, dallo spessore del pezzo e dalla sua complessità. I materiali più duri richiedono meno tempo, i pezzi più spessi richiedono più tempo e i pezzi complicati richiedono più tempo. Anche la temperatura dello stampo influisce sul ciclo. I cicli di stampaggio del TPU sono solitamente di 20-60 secondi.

Post-trattamento delle parti

A causa della plastificazione non uniforme nel cilindro o delle diverse velocità di raffreddamento nella cavità dello stampo, il TPU presenta spesso cristallizzazioni, orientamenti e ritiri non uniformi, con conseguenti tensioni interne, soprattutto nei pezzi a parete spessa o con inserti metallici. Questi pezzi possono presentare proprietà meccaniche ridotte, striature argentate in superficie o addirittura deformazioni e crepe durante lo stoccaggio e l’uso. Questi problemi possono essere risolti con la ricottura dei pezzi. La temperatura di ricottura dipende dalla durezza del TPU: una durezza maggiore richiede temperature più elevate.

Stampaggio a inserti

Per soddisfare i requisiti di resistenza per l’assemblaggio e l’uso, le parti in TPU necessitano spesso di inserti metallici. Gli inserti metallici vengono inseriti nello stampo nel punto desiderato, quindi viene iniettato il TPU intorno ad essi per ottenere un pezzo unico. Le parti in TPU con inserti possono avere problemi di mancata adesione del TPU al metallo, perché il metallo e il TPU hanno proprietà termiche diverse e si ritirano a velocità diverse. È possibile risolvere questo problema riscaldando gli inserti metallici prima di applicare il TPU, riducendo la differenza di temperatura quando si inietta il TPU, raffreddando il TPU più lentamente intorno al metallo, facendo in modo che il TPU si restringa in modo uniforme e non sottoponendo il TPU a uno stress eccessivo intorno al metallo.

Riciclaggio e riutilizzo dei rottami

Durante la lavorazione del TPU, gli scarti dei canali principali, dei canali secondari e delle parti difettose possono essere riciclati e riutilizzati. L’esperimento mostra che il materiale riciclato 100% senza miscelazione di nuovo materiale presenta solo una leggera diminuzione delle proprietà meccaniche, che è adatta all’uso. Per mantenere le migliori proprietà fisiche e meccaniche e le condizioni di iniezione, il rapporto di riciclaggio consigliato è 25-30%. Il materiale riciclato deve essere dello stesso tipo e grado del materiale nuovo, evitare di utilizzare materiale riciclato contaminato o ricotto e non conservare il materiale riciclato per troppo tempo. È meglio pellettizzarlo ed essiccarlo per l’uso immediato. Il materiale riciclato ha generalmente una viscosità di fusione più bassa, per cui è necessario adattare le condizioni di stampaggio.

Applicazioni pratiche del TPU in vari settori

Le proprietà uniche del TPU ne hanno determinato l’ampia applicazione in numerosi settori. Di seguito sono riportate le principali aree di applicazione e un’analisi dettagliata:

Industria automobilistica

1. Cruscotti e pannelli di comando: flessibilità e resistenza all’abrasione rendono il TPU adatto agli interni automobilistici. I componenti sono piacevoli al tatto, assorbono l’energia degli urti e contribuiscono ad attenuare rumori e vibrazioni, migliorando comfort e sicurezza.

2. Guarnizioni dei fari: devono resistere alle intemperie e sigillare efficacemente. Il TPU sopporta caldo e freddo, impedisce all’acqua piovana di entrare nel faro e ne prolunga la durata. La resistenza ai raggi UV evita degrado e ingiallimento dopo una lunga esposizione al sole.

3. Paraurti: il TPU è molto usato nel settore automobilistico, soprattutto per i paraurti. La sua elasticità assorbe molta energia durante gli urti e protegge il veicolo; l’elevata resistenza all’abrasione aumenta inoltre la durata e contribuisce alla sicurezza di pedoni e altri veicoli.

Industria medica

Il TPU viene utilizzato soprattutto in apparecchiature e articoli medici che vengono utilizzati una volta e poi scartati in campo medico. Questo lo rende adatto alla produzione di cateteri, tubi per infusione, guanti chirurgici e altri articoli che devono essere biocompatibili e facilmente sterilizzabili. Ecco alcune applicazioni specifiche:

1. Cateteri medicali: sono molto flessibili e biocompatibili, quindi possono restare a lungo nel corpo senza provocare reazioni. I cateteri in TPU non reagiscono con i fluidi, mantengono l’integrità meccanica in numerose condizioni cliniche e riducono il disagio del paziente.

2. Guanti chirurgici: i guanti in TPU sono morbidi e resistenti, garantiscono flessibilità e comfort ai chirurghi e riducono la contaminazione batterica. Resistono inoltre a perforazioni e sostanze chimiche, risultando più sicuri e affidabili.

3. Tubi per infusione: il TPU mantiene le proprie caratteristiche durante l’infusione e non interagisce con i reagenti, un requisito fondamentale per questi dispositivi. I tubi in TPU ostacolano l’adesione di sangue e farmaci, riducendo il rischio di infezione.

Industria elettronica ed elettrica

1. Custodie per telefoni: il TPU combina trasparenza e resistenza agli urti. Protegge il telefono dai danni dovuti alle cadute senza alterarne aspetto e maneggevolezza, e offre grande versatilità di colori e design.

2. Guaine per cavi: grazie all’elevata resistenza ad abrasione e oli, il TPU è molto usato nelle guaine. Protegge i cavi in climi difficili, ne aumenta la durata e resta flessibile sia alle alte sia alle basse temperature, risultando adatto alle applicazioni industriali.

Calzature e tessuti

1. Suole per scarpe sportive: elasticità e forte resistenza all’abrasione rendono il TPU ideale per le suole. Sono leggere e robuste, offrono un’ammortizzazione adeguata durante lo sport e migliorano il comfort. Il materiale consente strutture diverse per le esigenze delle varie discipline.

2. Tessuti funzionali: i film in TPU sono impiegati come strati impermeabili e traspiranti nell’abbigliamento per sport all’aperto e uso militare. Mantengono impermeabilità e traspirabilità anche in condizioni severe, con umidità e sollecitazioni elevate.

Conclusione

Grazie alle migliori proprietà del TPU, è ampiamente utilizzato nell’industria dello stampaggio a iniezione. Grazie all’evoluzione tecnologica e alla padronanza dello stampaggio a iniezione e dei suoi problemi di lavorazione, i campi di applicazione del TPU si amplieranno ulteriormente. In futuro, il posto del TPU nel processo di stampaggio a iniezione diventerà utile, quando aumenteranno le nuove tecnologie e la domanda dei clienti, offrendo alte prestazioni in diversi campi.

La conoscenza delle caratteristiche fondamentali del TPU, della tecnologia di stampaggio a iniezione, delle applicazioni, della lavorazione, dei problemi e delle contromisure, nonché degli sviluppi futuri, favorirà un impiego più ampio di questo materiale ad alte prestazioni e nuove possibilità per il settore. Queste informazioni aiutano gli operatori a integrare e usare il TPU nel progresso dello stampaggio a iniezione.

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