Le Ricerca Scientifica sui materiali polimerici ha portato allo sviluppo di Polimeri ad Alte Prestazioni idonei per molte applicazioni industriali che un tempo erano monopolio di metalli e leghe metalliche. Abbiamo constatato che ci sono applicazioni in cui i metalli risultano sovradimensionati e vengono scelti, a prescindere da valutazioni ingegneristiche, per continuità con il passato. All'opposto, vi sono casi in cui i polimeri migliorano le prestazioni dei metalli. Un'adeguato livello di conoscenza dei materiali polimerici permetterebbe di selezionare il materiale migliore ed ottimizzare il prodotto da realizzare. GHEPI è specializzata nel Metal Replacement, con esperienze maturate fin dai primi anni ’80 per molteplici applicazioni e settori industriali. E' fondamentale il codesign con Clienti e Fornitori grazie al quale abbiamo raggiunto risultati di assoluto rilievo in termini di miglioramento delle performance e maggiore competitività.

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Laboratorio
Area di specializzazione
Meccatronica e Materiali
Keyword
Riduzione di peso
Polimeri ad alte prestazioni
Stampaggio ad iniezione
Simulazione fluidodinamica
Esterno della sede di GHEPI
Descrizione prodotto

Lo sviluppo di un Progetto di Metal Replacement, gestito dalla funzione di project management, si articola in diversi step, a seconda della complessità del progetto stesso, ovvero della tipologia di applicazione e della numerosità di prodotti da realizzare. Gli step principali dello sviluppo di un Progetto di Metal Replacement sono: definizione dei requisiti di Progetto ed analisi di fattibilità, selezione dei polimeri idonei all’applicazione, analisi comparativa esperienziale, design review sul progetto del Cliente, progettazione e modellazione 3D, simulazione fluidodinamica (analisi CFD), analisi FEM, FMEA di Prodotto e di Processo, risk analysis, prototipazione (rapid prototyping and tooling, additive manufacturing, lavorazione meccanica, stampi pilota). Dopo il consolidamento della fase di engineering si passa alla fase di industrializzazione con la progettazione e costruzione stampo, collaudo stampo e campionatura articolo (prima impostazione dei parametri di processo), sperimentazione con i polimeri selezionati (comportamento in stampaggio, parametri di controllo e piano di campionamento), messa a punto dello stampo e successiva campionatura per la definizione degli standard di processo, process capability.

Aspetti innovativi

Sono riferiti a: funzionalità del prodotto, semplificazione del processo produttivo, tempi e costi. In particolare: riduzione di peso (peso specifico e progettazione); sostenibilità ambientale: il peso inferiore genera un minor dispendio di energia e la riduzione di emissioni di CO2; integrazione funzionale e riduzione delle fasi di lavorazione: un'accurata progettazione può consentire di eliminare componenti singoli da assemblare in seguito e/o lavorazioni di finitura; riduzione del time to market e del lead time; miglioramento delle prestazioni grazie a caratteristiche dei polimeri.

Applicazioni

Le applicazioni potenziali sono molteplici e un primo livello di base è rappresentato da articoli che vengono realizzati in materiali metallici solo per tradizione, ovvero senza un'analisi ingegneristica, con sovradimensionamento delle prestazioni che provoca inutili e significativi sprechi. A seguire vi sono le applicazioni "pensate in plastica" ovvero progettate e industrializzate per i materiali polimerici. Gli ambiti industriali di applicazione sono i più svariati, dalla componentistica meccanica di precisione a prodotti finiti con caratteristiche estetiche.

Confronto interfunzionale durante la fase di simulazione fluidodinamica per la determinazione del punto di iniezione
Esempio di applicazione

Pianale di supporto e scorrimento dei vassoi per macchine automatiche da food-packaging

Descrizione applicazione e risultati

Consiste in un pianale su cui vengono posizionati e devono scorrere i vassoi, riempiti di alimenti, prima di entrare nella macchina automatica per il confezionamento con film estensibile e l'etichettatura. Requisiti del progetto: elevata stabilità dimensionale e geometrica, autolubrificazione superficiale, elevata rigidità e resistenza all’urto. Criticità da affrontare: selezione di un unico polimero per soddisfare requisiti in parte contrastanti (l’anisotropia dovuta alla fibra di vetro ostacola la stabilità dimensionale e geometrica); grandi dimensioni (680x400mm) che amplificano le deformazioni; ritiro post-stampaggio molto differenziato tra longitudinale e trasversale alla fibra; superficie lucida per ottenere la massima autolubrificazione del PTFE. Risultati ottenuti: riduzione di peso del 35% (da 3,4 a 2.2 Kg); integrazione di funzioni con eliminazione delle guide riportate in PTFE e del successivo assemblaggio e della lavorazione di anodizzazione dell'alluminio. Vantaggi diretti: riduzione dei costi superiore al 25% e del Lead time per la riduzione delle fasi di lavorazione. Versione precedente: struttura in alluminio con guide riportate in PTFE, componentistica metallica a disegno e normalizzata per l'assemblaggio di tutti i componenti. Versione Metal Replacement: monoblocco in PA66 20FV e 20PTFE con 1/5 dei componenti precedenti.

Partner coinvolti

Il progetto è stato gestito da GHEPI in codesign con il Cliente e i Fornitori dei polimeri selezionati.

Tempi di realizzazione
2,5 mesi di R&S, 3 per stampo-industrializzazione
Livello di maturità tecnologica
TRL 9 - sistema reale testato in ambiente operativo
Valorizzazione applicazione

Grazie alla progettazione specifica per i polimeri e alle soluzioni proposte, il Progetto ha conseguito i risultati previsti. Elementi di rilievo: riduzione di peso ed integrazione di funzioni con riduzione del numero di componenti e fasi di lavorazione. Ciò conferma la fattibilità del Metal Replacement in applicazioni funzionali soggette a sollecitazioni che richiedono prestazioni meccaniche.

Due viste, inferiore e superiore, dell'articolo "Pianale di supporto e scorrimento dei vassoi"