Con Smart Mold e GAPP, ritorniamo a parlare del Sirmax Group, di cui eravamo occupati a proposito dell’acquisizione della SER (Società Europea Rigenerazione) di Salsomaggiore e della sua politica di espansione a livello globale nel settore delle materie plastiche riciclate.
Sintetizzandone l’attività, l’azienda che ha base a Cittadella (PD) acquisisce polimeri prodotti dall’industria petrolchimica e li nobilita aggiungendo cariche minerali o fibre di rinforzo (tipicamente di vetro) e altri additivi per elevarne le caratteristiche chimico-fisiche, creando il cosiddetto compound.
Un processo che genera i granuli di materiale derivati dal processo di estrusione che sono poi venduti alle aziende di trasformazione e utilizzati sulle presse di stampaggio a iniezione per creare manufatti tecnici durevoli destinati all’industria dell’elettrodomestico, dell’automobile, dell’arredamento e altri settori merceologici.
Con l’acquisizione della SER, Sirmax ha completato il suo processo produttivo inserendosi nell’economia circolare attraverso il riciclo di polietilene ad alta densità (HD-PE derivato tipicamente da bottiglie di sapone e detersivi usati) e polipropilene (PP derivato da contenitori alimentari usati), il primo destinato a manufatti di basso livello tecnico, l’altro a componenti con caratteristiche meccaniche più elevate.
Sia i compound cosiddetti vergini sia quelli contenenti del riciclato hanno ovviamente caratteristiche ben note ai produttori che sono dunque in prima linea nel suggerire ai propri clienti le scelte più opportune in base alla complessità geometrica e alle caratteristiche meccaniche del manufatto che andranno a creare tramite lo stampaggio a iniezione.
Per questo, tra i servizi offerti da Sirmax Group, c’è anche quello di affiancamento del cliente già in fase progettuale, in modo da sviluppare il concept del componente tenendo anche conto del materiale di cui sarà costituito.
Sirmax con Smart Mold
Nel 2020, Sirmax ha acquisito il 50% di uno spin-off nato all’Università di Padova e cresciuto nell’ambito della tecnologia ingegneristica relativa allo stampaggio a iniezione della plastica.
Per approfondire gli obiettivi e i servizi che Smart Mold può offrire ai clienti Sirmax, abbiamo intervistato Giovanni Lucchetta, professore associato nel Dipartimento di Ingegneria industriale dell’Università di Padova, nonché fondatore, socio e riferimento tecnico per Smart Mold.
“Per Smart Mold l’acquisizione da parte di Sirmax è stata l’occasione per fare un importante passo avanti, entrando sul mercato e potendo così verificare dal vero la validità delle soluzioni sviluppate”, esordisce Lucchetta.
Questo ha consentito di allargare i propri confini proponendosi, in modo autonomo, anche a realtà industriali diverse da Sirmax.
“Oggi possiamo dire che l’attività di Smart Mold è suddivisa equamente tra Sirmax e mercato esterno. L’unico vincolo, ovviamente, e non poter collaborare coi concorrenti diretti di Sirmax”.
Smart Mold è stata creata sulla base di un pacchetto di idee nate in ambito accademico che per essere continuamente sviluppate, essendo i finanziamenti per le start-up in Italia piuttosto limitati, ha richiesto uno sdoppiamento dell’attività e la creazione di una sezione dedicata all’ingegnerizzazione, a cominciare dall’analisi di un prodotto, passando alle simulazioni strutturali per arrivare al design degli stampi con le simulazioni del processo di stampaggio.
“Una delle nostre specialità è lo sviluppo di applicazioni ‘lightweight’, ovvero di componenti leggeri e performanti derivati dall’unione dell’analisi strutturale con l’utilizzo di compound rinforzati con fibre”.
“Applicazioni che presentano una serie di criticità sulle quali Smart Mold ha acquisito un’esperienza tale da consentirle di trovare soluzioni per una grande varietà di casistiche”.
Con Sirmax e Smart Mold al fianco del cliente
Questa sinergia porta vantaggi a tutti, anche al cliente che si rivolge a Sirmax per acquistare il compound reputato più adatto per il componente che deve realizzare.
“Nel caso specifico”, prosegue Lucchetta, “forniamo al cliente TIER1 di Sirmax il servizio di ingegnerizzazione partendo dal suo modello 3D, iniziando dalla definizione e dalla caratterizzazione del materiale consigliato e facendo le prime simulazioni strutturali preliminari, considerando il materiale come isotropo con caratteristiche di resistenza ‘medie’”.
“A questa fase seguono le simulazioni di processo che portano all’ottimizzazione del disegno dello stampo (quantità e posizione dei punti di iniezione e dei canali di raffreddamento) e di conseguenza alla determinazione delle linee di giunzione e dell’orientamento delle fibre”.
“Riportiamo infine queste informazioni negli input dell’analisi strutturale di partenza, aumentandone l’accuratezza per poter lavorare con coefficienti di sicurezza più bassi, condizione fondamentale nel caso il cliente punti alla massima riduzione del peso del componente”.
Il polipropilene, specialità Sirmax
Questo materiale, che ricordiamo fu industrializzato alla fine degli anni ’50 da Montedison col nome commerciale di Moplen, è ancora oggi estremamente diffuso e copre una vastissima gamma di applicazioni tali da assorbire una produzione su scala globale di decine di milioni di tonnellate/anno.
È un materiale assai utilizzato dall’industria automotive, che lo impiega ad esempio per grandi pezzi stampati come i paraurti oppure le strutture estetiche degli interni, ed è quello su cui Sirmax ha sviluppato una grande esperienza applicativa.
“Se consideriamo ad esempio la realizzazione di una middle-console di un’auto, caso concreto analizzato per un grande costruttore tedesco”, ci spiega Lucchetta, “ci si chiede innanzitutto quale potrebbe essere la carica di fibre di rinforzo da considerare in una prima fase preliminare di analisi”.
“Questa può variare dal 15% al 40%, con un impatto sulle proprietà meccaniche, sul peso specifico, sulla fluidità e sulla possibilità di ottenere spessori ridotti”.
“Tipicamente si parte considerando pareti piene e si va a individuare la concentrazione di fibra più idonea, considerando il materiale come isotropo”.
“Definito il tipo di PP, si iniziano a rimuove sezioni di parete, a ridurre gli spessori e, in buona sostanza, a modificare la geometria per alleggerire il componente nel rispetto di tutti i load case previsti dal Costruttore”.
“Giunti a un design quasi definito, si passa alla simulazione del processo, definendo i punti di iniezione e andando a individuare le zone ad altra concentrazione di stress”.
Design a misura di materiale, oltre che di prodotto
“Si interviene quindi sul design aumentando, ad esempio, i raggi di raccordo, e cambiando i punti di iniezione per sportare le linee di giunzione, che costituiscono sempre un punto debole del pezzo, in zone non soggette a tensioni elevate”.
“Quest’ultima fase è tanto più necessaria e accurata quanto più il cliente richiede il contenimento del peso del componente”.
Material Card: indispensabile per essere fornitori affidabili
Un processo complesso ma che diventa sempre più necessario, oltre che indispensabile per quei fornitori TIER1 a cui il cliente OEM chiede di documentare questa attività, di fornire la ‘material card’ con caratterizzazione a elevati strain rate (BMW chiede strain rate di 1.000 s-1, il doppio rispetto agli altri OEM) e, per ridurre i costi e velocizzare il processo, non concede investimenti per realizzare stampi pilota.
“La tendenza degli OEM è proprio questa, non finanziare stampi pilota e fornire matematiche dei componenti molto sfidanti”.
“Abbiamo recentemente analizzato una consolle centrale di una grossa berlina tedesca. Il pezzo è lungo un metro e ha uno spessore di 1,5 mm con una miriade di fori di alleggerimento”.
“Geometrie che senza simulazioni è impossibile sviluppare a tavolino”.
Materiali ad hoc per l’applicazione
Lavorare in simbiosi con un ‘compoundatore’ come Sirmax consente a Smart Mold di poter sviluppare materiali contenenti una determinata percentuale di riciclato che, nati per un’applicazione particolare, possono poi arricchire il portfolio Sirmax.
“Abbiamo sviluppato una procedura che prevede la modellazione delle proprietà meccaniche del compound in funzione del contenuto di riciclato”.
“Questo, in funzione della percentuale con cui va a sostituire il polipropilene ‘vergine’, va a diminuire la maggior parte delle proprietà meccaniche del compound”, aggiunge Lucchetta.
In effetti, oltre a questo, l’analisi deve tener conto di numerosi fattori che, seppur controllati nel processo di riciclo, incidono sulla costanza delle caratteristiche.
È il caso dei contaminanti, la cui separazione è costantemente oggetto di studi e sperimentazione ma che ad oggi non è ancora totale.
Tra i contaminanti presenti nel polipropilene riciclato da post consumo, ad esempio, troviamo biossido di titanio, che quando viene a contatto con le fibre di vetro le spezza, diminuendo la resistenza del compound.
“Non esiste, a oggi, un compound con polipropilene riciclato da post consumo che abbia caratteristiche identiche al vergine”, precisa Lucchetta.
L’importanza del riciclato
Come ci ha confermato il professor Lucchetta, a oggi non c’è Casa costruttrice di automobili che per ogni nuovo progetto non chieda una riduzione della ‘carbon footprint’.
Ci sono ovviamente vari metodi per ridurre questo impatto, ma un TIER1 che non possa soddisfare questo requisito oggi non viene neppure preso in considerazione.
“Sirmax propone la plastica riciclata definita R-PP o PCR (Post-Consumer Recycled) ottenuta da riciclo meccanico”.
“Altri produttori offrono polimeri ‘vergini’ ottenuti in parte da bio-nafta sfruttando il concetto di ‘mass balance’”.
“Chi opta per la soluzione Sirmax, accetta una leggera perdita di caratteristiche meccaniche ma vuole che questo sia controllabile”.
“Noi di Smart Mold facciamo questo lavoro”.
“Abbiamo dei modelli che indicano di quanto le proprietà decadono con l’aggiunta di riciclato e di quanto varia la viscosità e lanciamo delle simulazioni fino a che non arriviamo a determinare la soglia limite di introduzione del riciclato rispettando i coefficienti di sicurezza”.
Ogni Costruttore adotta parametri personali: qualcuno, ad esempio, richiede lo studio con l’R-PP ma anche che lo stampo possa generare pezzi con prestazioni invariate quando si dovesse passare all’utilizzo di ‘vergine’.
Una cautela in caso di difficoltà di approvvigionamento del riciclato.
La costruzione dello stampo: oltre Smart Mold
Il compito di Smart Mold non si esaurisce con la consegna al cliente del disegno dello stampo completo del layout dei punti di iniezione, canali di riempimento e raffreddamento.
La collaborazione può proseguire con l’affiancamento dello stampista che sviluppa poi il disegno e la costruzione dello stampo di produzione, coi vari movimenti, le estrazioni e gli accessori, incluso il sistema di condizionamento termico.
“Talvolta il dialogo con lo stampista non è facile, specie, come capita spesso, se questo è lontano, magari in Cina”.
“Molti tendono infatti a utilizzare la loro esperienza e a modificare autonomamente le geometrie da noi suggerite per integrarle con le loro”.
“Fortunatamente la maggior parte ci consulta e procede in co-design con noi per rispettare quanto noi abbiamo progettato o eseguire modifiche condivise”.
La catena si chiude, nel caso il cliente lo desiderasse, con il suggerimento di uno stampista che abbia già esperienza operativa con Sirmax e Smart Mold, che può fungere da capo commessa.
GAPP: una soluzione per le linee di giunzione
Come abbiamo accennato, parlando di stampaggio a iniezione di particolari in polipropilene rinforzato con fibra di vetro grande attenzione deve essere posta alle linee di giunzione, ovvero le zone in cui i due fronti di materiale fuso che riempiono la cavità si incontrano e non si compenetrano.
“All’aumentare della percentuale di fibra cala la resistenza della linea di giunzione in rapporto al valore nominale”, precisa Lucchetta.
“Infatti, nella linea di giunzione, poiché le fibre non riescono a compenetrarsi e legarsi ma si dispongono fianco a fianco, tiene solo la matrice”.
“Per dare un numero, la linea di giunzione di un PP caricato al 35% di vetro tiene circa il 20% del valore nominale”.
“Questo porta talvolta a scegliere un materiale diverso, come ad esempio la poliammide (PA) che ha una matrice più resistente del PP, ma è più costosa e ha un maggiore carbon footprint”.
“Ovviamente la prima soluzione è quella di spostare la linea di giunzione in una zona in cui gli stress siano molto bassi, ma questo non sempre è possibile”.
“Per questo in Smart Mold abbiamo affrontato il problema proponendo una tecnologia chiamata Gas Assisted Push-Pull (GAPP). In pratica, in corrispondenza della linea di giunzione nello stampo inseriamo dei piccoli iniettori di gas (azoto puro >99% per evitare ossidazioni) il cui compito è spingere il materiale all’interno della cavità da entrambi i lati della giunzione, per riallineare le fibre”.
“Il vantaggio di questa soluzione brevettata è che può essere implementabile anche su stampi esistenti e può portare a un aumento della resistenza fino al 200%”.
“In pratica quel 20% di cui parlavamo sale all’85% rispetto al valore nominale”.
Il corredo per la pressa
A livello di hardware esterno allo stampo (e alla pressa di iniezione), occorre prevedere una stazione dedicata alla generazione e alla gestione dell’azoto costituita da un generatore di azoto compresso, un ‘booster’ che elevi la pressione del gas ai valori necessari per poter essere iniettato nello stampo e una ‘control unit’ che garantisca il controllo accurato della pressione e la portata di gas da iniettare.
