Nell'iniezione e nell'estrusione della plastica il raffreddamento rappresenta spesso la fase più lunga del ciclo; per questo un chiller correttamente dimensionato e un raffreddamento stampi stabile determinano direttamente la produttività dell'impianto. Perché il polimero fuso solidifichi all'interno dello stampo, il calore deve essere sottratto in modo rapido e uniforme. Anche una fluttuazione di pochi gradi nella temperatura superficiale dello stampo allunga il tempo ciclo, sposta le quote del pezzo e aumenta il tasso di scarto. In questo articolo affrontiamo i principi pratici e a orientamento ingegneristico per l'applicazione sul campo nei processi di raffreddamento in iniezione ed estrusione.
Perché il Raffreddamento dello Stampo Determina il Tempo Ciclo?
Nel tempo totale di un ciclo di iniezione, le fasi di riempimento e di compattazione sono relativamente brevi; il tempo effettivo trascorre nel raffreddamento del pezzo fino alla temperatura che ne consente l'estrazione sicura dallo stampo. Quanto più rapidamente e omogeneamente il calore viene sottratto dallo stampo, tanto più breve risulta la fase di raffreddamento. Tuttavia l'obiettivo non è soltanto la velocità: il raffreddamento deve essere equilibrato. Se una zona dello stampo si raffredda rapidamente e un'altra lentamente, sul pezzo compaiono deformazioni, risucchi, tensioni interne e deviazioni dimensionali.
Per questo un raffreddamento stampi stabile è la variabile critica che influenza contemporaneamente tempo ciclo, qualità del pezzo e tasso di scarto. Un circuito di raffreddamento ben progettato consente di ottenere dallo stesso stampo più pezzi all'ora e con meno scarti. Nell'estrusione, invece, il tema è il raffreddamento stabile del profilo, del tubo o del film dopo la calibrazione; l'oscillazione della temperatura dell'acqua si riflette direttamente sulla tolleranza dimensionale e sulla qualità superficiale.
Chiller di Processo Dedicato o Sistema Centralizzato?
Nell'architettura del chiller per iniezione plastica esistono due approcci fondamentali. Il chiller di processo dedicato alla singola macchina risponde in modo puntuale al fabbisogno termico di quello stampo e la variazione di carico su una macchina non influenza le altre; anche manutenzione e messa in servizio possono essere gestite per singola macchina. In un sistema centralizzato o condiviso, invece, un'unica sorgente di raffreddamento alimenta più macchine. Ciò offre vantaggi in termini di occupazione a terra, ridondanza comune ed efficienza complessiva; tuttavia, poiché le oscillazioni di carico tra le macchine possono farsi sentire sul circuito comune, è necessario impostare con cura il bilanciamento idronico e l'automazione.
La scelta corretta dipende dal numero di macchine, dal fatto che gli stampi richiedano o meno temperature diverse tra loro e dalle aspettative di flessibilità produttiva. Nelle officine che effettuano frequenti cambi stampo e fanno lavorare ciascuno stampo a una temperatura diversa, un'infrastruttura di raffreddamento centralizzata alimentata da un controllo di temperatura per macchina (mold temperature controller) è spesso la soluzione più equilibrata.
Stabilità della Temperatura, ΔT e Portata nel Circuito Stampo
Le prestazioni del circuito stampo dipendono dalla gestione congiunta di tre grandezze: temperatura dell'acqua di ingresso, ΔT (differenza di temperatura ingresso-uscita) e portata. Nei canali dello stampo il flusso deve essere turbolento; con flusso laminare il trasferimento di calore si indebolisce e la superficie dello stampo non si raffredda in modo uniforme. Come principio pratico generale, nel circuito si punta a un ΔT ragionevole (nella maggior parte delle applicazioni di iniezione dell'ordine di pochi gradi); se il ΔT diventa troppo grande si crea una differenza di temperatura tra il lato ingresso e il lato uscita dello stampo, mentre se viene mantenuto troppo piccolo si generano portate e consumi energetici della pompa inutilmente elevati.
Punti pratici da tenere presenti nell'applicazione:
- Garantire una portata sufficiente a mantenere il flusso turbolento nei canali dello stampo; un canale strozzato o ostruito compromette localmente il raffreddamento.
- Mantenere costante la temperatura dell'acqua di ingresso; se il set point del chiller oscilla, oscillano anche tempo ciclo e quota del pezzo.
- Nelle applicazioni che richiedono basse temperature dello stampo, valutare insieme l'umidità ambientale e la temperatura superficiale per prevenire il rischio di condensa (formazione di rugiada).
- Alle basse temperature in presenza di umidità e sulle linee a rischio di congelamento, utilizzare glicole nella giusta proporzione; considerare l'effetto del glicole su viscosità e trasferimento di calore nella scelta della portata.
- Rendere monitorabili temperatura di mandata-ritorno e portata di ogni macchina; in un circuito che lavora alla cieca il problema si nota solo quando aumentano gli scarti.
Qualità dell'Acqua, Circuito Chiuso e Filtrazione
L'aspetto più trascurato del raffreddamento stampi è la qualità dell'acqua. Poiché i canali dello stampo sono stretti, calcare, prodotti di corrosione e contaminazione biologica vi si accumulano rapidamente. Anche un sottile strato di calcare o di sporco si comporta come un isolante: aumenta la temperatura superficiale dello stampo, riduce il trasferimento di calore e allunga la fase di raffreddamento. Nel tempo la sezione del canale si restringe, la portata cala e una zona inizia a raffreddarsi in modo diverso dalle altre; il risultato è che il ciclo si allunga e, contemporaneamente, la qualità del pezzo peggiora.
Per questo è importante progettare il lato processo come circuito chiuso. In un circuito chiuso l'acqua circola sempre tra gli stessi stampo e chiller; con un adeguato trattamento dell'acqua, la filtrazione e, quando necessario, l'uso di inibitori, i canali restano puliti. Nei sistemi aperti (ad esempio i circuiti collegati a una torre evaporativa) il carico di minerali e sporco è molto più elevato; in questi casi separare il circuito stampo con uno scambiatore è un modo efficace per proteggere i delicati canali dello stampo. Includere la pulizia dei filtri e del circuito nella manutenzione periodica è un investimento di gran lunga inferiore ai successivi costi di scarto e fermo macchina.
Efficienza Tutto l'Anno: Nota sul Free Cooling
Poiché i processi di lavorazione della plastica funzionano generalmente tutto l'anno senza interruzioni, nei mesi in cui la temperatura dell'aria esterna scende raffreddare una parte del circuito stampo con il free cooling (raffreddamento gratuito), senza il carico del compressore meccanico, offre una notevole opportunità di risparmio energetico distribuita nell'arco dell'anno. Il contributo reale di questa soluzione dipende dal clima, dalla temperatura dell'acqua obiettivo e dalle ore di funzionamento; per questo la possibilità di free cooling va valutata separatamente per ogni progetto.
Breve Checklist per l'Applicazione sul Campo
Per mantenere le prestazioni di raffreddamento nell'iniezione e nell'estrusione della plastica, monitorare regolarmente in officina i seguenti punti aiuta a tenere in equilibrio tempo ciclo e tasso di scarto: la stabilità della temperatura di set point del chiller, i valori di ΔT mandata-ritorno dello stampo, le portate nei canali, la qualità dell'acqua e lo stato dei filtri, oltre al rischio di condensa. Questi cinque punti coprono la causa profonda della maggior parte dei problemi di qualità ed efficienza.
Planer, in quanto produttore di soluzioni chiller ad aria e ad acqua per le linee di iniezione ed estrusione del settore plastico, consiglia di valutare congiuntamente la stabilità della temperatura e l'impostazione della qualità dell'acqua del vostro circuito di raffreddamento stampi; per il dimensionamento della capacità e la progettazione del circuito più adatti alla vostra applicazione potete rivolgervi al team di ingegneria e assistenza di Planer.