Come evitare i segni di sformatura nelle parti in plastica stampate a iniezione

Introduzione

I sink mark sono uno dei difetti più comuni nelle parti in plastica stampate a iniezione. Si presentano come piccole depressioni superficiali, solitamente opposte a nervature spesse, bossoli, perni di fissaggio, piastre di montaggio o altre aree con accumuli locali di materiale.

La causa principale è la contrazione volumetrica non uniforme. Quando una sezione spessa si raffredda e si contrae dopo che la superficie esterna si è già solidificata, il materiale interno potrebbe non ricevere sufficiente compensazione durante la fase di riempimento. Di conseguenza, la superficie viene tirata verso l’interno, formando un sink mark visibile.

Per acquirenti e ingegneri stranieri, i sink mark non rappresentano solo un problema estetico. Possono indicare rischi legati alla progettazione dello spessore delle pareti, alla configurazione di nervature e bossoli, alla posizione degli imbuti di iniezione, alla pressione di riempimento, alla disposizione del sistema di raffreddamento o alla scelta del materiale. Se tali rischi non vengono esaminati prima della realizzazione dello stampo, potrebbe essere necessario effettuare ripetuti test, apportare modifiche al progetto o adattare lo stampo stesso.

Presso Xu Feng, esaminiamo i disegni delle parti in plastica e i modelli 3D prima della realizzazione dello stampo, verificando lo spessore delle pareti, la progettazione delle nervature, la struttura dei bossoli, la contrazione del materiale, la posizione degli imbuti di iniezione, i rischi legati al raffreddamento e i requisiti estetici della superficie. L’obiettivo è individuare i rischi di sink mark ancor prima dell’inizio della produzione dello stampo.

Problema

I sink mark si verificano di solito quando una zona della parte in plastica è molto più spessa rispetto alle pareti circostanti. Poiché la zona più spessa impiega più tempo a raffreddarsi, continua a contrarsi anche dopo che si è già formata la crosta superficiale. Se la pressione di riempimento non riesce a fornire efficacemente materiale aggiuntivo in quella zona, sulla superficie opposta può comparire una depressione.

Tra le caratteristiche tipiche dei disegni che possono causare sink mark figurano:

Nervature spesse collegate a pareti esterne visibili
Bossoli solidi, perni di fissaggio o colonne di montaggio
Piastre di montaggio spesse o blocchi di rinforzo
Transizioni brusche da pareti sottili a sezioni spesse
Accumuli locali di materiale vicino agli angoli, alle intersezioni o alle nervature
Strutture interne posizionate dietro le superfici estetiche
Spessore della parete non uniforme attorno alle aree funzionali o di assemblaggio

In molti progetti, la parte esterna può apparire semplice, ma la struttura interna può generare sezioni localmente più spesse. Queste aree sono spesso la vera causa dei segni di affondamento.

Rischio di produzione

Se i rischi di segni di affondamento non vengono valutati prima della realizzazione dello stampo, il progetto potrebbe incorrere in diversi problemi produttivi.

Le superfici visibili possono non soddisfare i requisiti estetici, soprattutto per alloggiamenti, coperture, pannelli e componenti plastici rivolti ai consumatori.
I segni di affondamento vicino a viti, clip, nervature o superfici di assemblaggio possono influenzare l’accettazione da parte del cliente oppure la resistenza locale del componente.
Le sezioni spesse possono richiedere tempi di raffreddamento più lunghi, aumentando così i tempi di ciclo e i costi del pezzo.
Potrebbero essere necessari ripetuti test dello stampo per regolare la pressione di riempimento, il tempo di mantenimento, la temperatura della massa fusa, la temperatura dello stampo, le dimensioni dell’imbocco o le condizioni di raffreddamento.
Se la causa principale deriva dalla geometria del pezzo, la sola modifica del processo potrebbe non risolvere il difetto; potrebbe quindi essere necessaria una modifica del design o dello stampo.

Punti da considerare nella revisione DFM

1. Spessore uniforme delle pareti

Uno spessore uniforme delle pareti è la prima regola progettuale per ridurre i segni di affondamento. Grandi variazioni di spessore provocano un raffreddamento disomogeneo e una contrazione irregolare. Durante la revisione DFM, è opportuno individuare precocemente le zone localmente più spesse, i repentini cambiamenti di spessore e gli accumuli di materiale non necessari.

Se una sezione spessa è indispensabile per raggiungere una determinata funzionalità, si può ricorrere alla cavità interna per rimuovere il materiale in eccesso e mantenere uno spessore della parete più uniforme. Protolabs raccomanda inoltre di evitare variazioni nello spessore delle pareti e di eseguire cavità nelle aree più spesse, al fine di ridurre il rischio di affondamento.^[1]

2. Spessore delle nervature

Le nervature migliorano la rigidità senza aumentare lo spessore complessivo della parete, ma nervature troppo spesse possono causare segni di affondamento sulla superficie opposta.

Una linea guida comune nella progettazione DFM prevede di mantenere lo spessore delle nervature intorno al 40–60% dello spessore della parete adiacente, a seconda del materiale, dei requisiti estetici e della struttura del componente. Per superfici ad alta lucentezza o particolarmente visibili, un rapporto più basso risulta generalmente più sicuro. Protolabs sottolinea che i bossaggi dovrebbero rispettare la regola del 40–60% rispetto allo spessore della parete circostante per evitare affondamenti, mentre Xometry afferma che lo spessore delle nervature non dovrebbe superare in genere il 60% dello spessore nominale della parete. ^[2][3]

3. Progettazione di bossoli e perni a vite

I bossaggi e i perni filettati sono fonti comuni di difetti di ritiro poiché spesso generano sezioni circolari spesse alla base. Durante la revisione DFM, è opportuno verificare che i bossaggi non presentino spessori eccessivi, non siano posizionati dietro superfici estetiche, non abbiano angoli di sformo insufficienti, non presentino una coreatura scarsa o un’eccessiva quantità di materiale alla radice.

Una struttura migliore è solitamente costituita da un bossaggio con nucleo interno, sostenuto da nervature o rinforzi più sottili, anziché da un blocco pieno. Hubs raccomanda inoltre di scavare le sezioni spesse e di utilizzare nervature per aumentare la rigidità, avvertendo però che uno spessore eccessivo delle nervature può causare difetti di ritiro. ^[4]

4. Transizioni di spessore uniformi

Le transizioni brusche da sezioni sottili a spesse aumentano la differenza di ritiro e la concentrazione delle tensioni. Transizioni morbide, raggi e smussi favoriscono un flusso del materiale più uniforme e riducono le differenze locali di raffreddamento.

Per una progettazione DFM pratica, le transizioni da spesso a sottile dovrebbero essere graduali. L’angolo esatto di transizione dipende dalla funzione del particolare, dal materiale, dal design dello stampo e dai requisiti estetici, ma il principio fondamentale è evitare accumuli improvvisi di materiale.

5. Posizione delle superfici estetiche

Se nervature, bossaggi o piastre di montaggio si trovano direttamente dietro una superficie visibile, il rischio di difetti di ritiro evidenti aumenta notevolmente. Le superfici estetiche devono essere chiaramente indicate sul disegno 2D prima della progettazione dello stampo.

Ciò aiuta il fornitore a decidere se lo spessore delle nervature, la posizione dei bossaggi, la collocazione degli ugelli, la texture, il raffreddamento o il controllo del processo richiedano attenzioni particolari.

6. Posizione del punto di iniezione e traiettoria di riempimento

La posizione dell’ugello influisce su come la materia fusa riempie la cavità e su come la pressione di compattazione raggiunge le sezioni spesse. Se l’ugello è troppo lontano da un’area spessa o si solidifica troppo presto, la pressione di compattazione potrebbe non compensare efficacemente il ritiro.

Durante la fase di DFM e la progettazione dello stampo, le aree spesse vanno valutate insieme alla posizione dell’ugello, alle dimensioni dell’ugello, alla lunghezza del flusso, alle perdite di pressione e al tempo previsto di solidificazione dell’ugello.

7. Progettazione del raffreddamento

Un raffreddamento non uniforme può rendere più difficile il controllo dei difetti di ritiro. Le sezioni spesse possono richiedere un supporto di raffreddamento migliore, ad esempio canali di raffreddamento ottimizzati, inserti locali con maggiore conducibilità termica o un miglior equilibrio della temperatura nello stampo.

Autodesk segnala che i risultati relativi ai difetti di ritiro ottenuti tramite Moldflow possono aiutare a identificare possibili criticità progettuali o di processo in corrispondenza di elementi quali nervature, oltre a permettere di stimare la probabilità e la profondità dei difetti stessi. ^[5]

8. Comportamento della contrazione del materiale

I diversi materiali plastici presentano ritiri differenti. PP, PE, PA, POM, ABS, PC, PMMA e le varianti rinforzate con fibra di vetro possono comportarsi in modo molto diverso durante lo stampaggio. I materiali caricati con fibre possono ridurre il ritiro complessivo, ma possono anche generare un ritiro direzionale, a seconda dell’orientamento delle fibre.

La scelta del materiale deve essere valutata insieme allo spessore delle pareti, alle dimensioni del particolare, alla progettazione delle nervature, alla posizione dell’ugello e ai requisiti estetici.

Suggerimenti pratici

Per i progetti reali, la risoluzione dei problemi relativi ai sink mark dovrebbe seguire un ordine pratico: innanzitutto l’adeguamento del processo, poi l’ottimizzazione degli stampi e, se necessario, la modifica del materiale o del design. Questa sequenza consente di ridurre le modifiche non necessarie allo stampo, affrontando comunque la causa principale.

Livello di risoluzione dei problemi	Azioni tipiche	Quando utilizzare	Note
1. Regolazione del processo	Aumentare la pressione/la durata della fase di riempimento, regolare la temperatura della fusione e dello stampo, ottimizzare la velocità di iniezione e prolungare il tempo di raffreddamento	Metodo di prova più rapido quando i sink mark sono lievi o legati al processo	Verificare tramite il peso del pezzo, l’aspetto estetico e la stabilità dimensionale
2. Ottimizzazione degli utensili	Regolare le dimensioni/la posizione dell’orifizio di iniezione, migliorare il raffreddamento locale, modificare le zone spesse, aggiungere elementi di cavità o ottimizzare gli inserti	Quando l’adeguamento del processo non riesce a risolvere i sink mark	Più efficace per problemi di causa primaria, ma richiede interventi sullo stampo
3. Modifica del materiale o del design	Utilizzare resine a bassa contrazione, grade rinforzate con fibra di vetro, ottimizzare lo spessore delle pareti o riprogettare la struttura	Quando il rischio di ritiro è correlato al materiale o alla geometria del prodotto	Da valutare, se possibile, prima della realizzazione degli stampi di produzione

1. Ottimizzare la pressione di riempimento e il tempo di mantenimento

Poiché i sink mark si formano spesso durante la fase di riempimento e raffreddamento, la pressione di riempimento e il tempo di mantenimento sono solitamente i primi parametri di processo da esaminare. Secondo Autodesk Moldflow, il modo più efficace per ridurre o eliminare i sink mark consiste nel controllare correttamente la pressione di riempimento.^[6]

Nelle prove di stampaggio, la pressione di riempimento può essere aumentata gradualmente entro un intervallo di lavorazione sicuro. Il tempo di mantenimento dovrebbe essere sufficientemente lungo affinché la cavità di colata si solidifichi e il peso del pezzo si stabilizzi. Un metodo pratico per verificare il tempo di mantenimento è quello basato sul peso del pezzo: aumentare il tempo di mantenimento passo dopo passo finché il peso del pezzo stampato non registra più variazioni significative.

Alcune fabbriche possono avviare le prove con una pressione di riempimento pari circa all’80-90% della pressione di riempimento, ma questo non deve essere considerato una regola universale. La configurazione finale dipende dal tipo di resina, dallo spessore del pezzo, dalla geometria della cavità di colata, dalla capacità della macchina, dalla struttura dello stampo e dal rischio di flash.

2. Regolare con attenzione la temperatura di fusione e la temperatura dello stampo

Una temperatura di fusione più elevata può ridurre la viscosità e migliorare la fluidità del materiale nelle zone spesse, favorendo così la compensazione della pressione di riempimento. Tuttavia, una temperatura di fusione troppo alta può comportare un aumento dei tempi di ciclo, un maggiore rischio di degradazione o problemi di ritiro.

Anche la temperatura dello stampo influisce sulla solidificazione superficiale e sull’intervallo di riempimento. Per alcune aree a parete spessa, una temperatura locale leggermente più elevata può ritardare la formazione della crosta superficiale e consentire una migliore compensazione della pressione. Tuttavia, ciò deve essere bilanciato con i tempi di raffreddamento, i tempi di ciclo e la stabilità dimensionale.

3. Ottimizzare la velocità di iniezione

La velocità di iniezione influisce sull’equilibrio del riempimento, sull’orientamento molecolare, sulla densità locale e sulla trasmissione della pressione. Per le sezioni spesse, una strategia di riempimento più graduale può ridurre le variazioni di densità e favorire un migliore trasferimento della pressione di riempimento successiva. Tuttavia, la velocità di iniezione deve anche evitare cortocircuiti, segni di flusso, getto o taglio eccessivo.

4. Prolungare il tempo di raffreddamento quando necessario

Se il pezzo viene espulso prima che le sezioni spesse si siano sufficientemente solidificate, il ritiro post‑espulsione può proseguire e le fosse di ritiro diventano più evidenti. Prolungare il tempo di raffreddamento può migliorare la stabilità dimensionale, soprattutto nei pezzi dotati di bossoli, nervature o piastrine di montaggio spesse. Lo svantaggio è l’aumento dei tempi di ciclo; pertanto, le modifiche al sistema di raffreddamento vanno valutate tenendo conto dell’impatto sui costi.

5. Migliorare la posizione e le dimensioni del punto di iniezione

Se una sezione spessa non riesce a ricevere sufficiente pressione di riempimento, potrebbe essere necessario rivedere la posizione o le dimensioni della cavità di colata. In generale, le aree spesse dovrebbero essere collocate più vicino ai percorsi efficaci di riempimento, quando possibile. Cavità di colata più grandi o meglio posizionate possono ridurre le perdite di pressione e ritardare la chiusura della cavità, permettendo una maggiore compensazione del ritiro volumetrico.

Per nuovi stampi, la strategia relativa alle cavità di colata dovrebbe essere rivista prima della messa in produzione. Per stampi esistenti, la modifica delle cavità di colata può risultare utile, ma può influire sull’aspetto estetico, sulle linee di saldatura, sull’equilibrio del flusso e sui requisiti di rifinitura.

6. Rafforzare il raffreddamento locale

Per gravi fosse di ritiro causate da concentrazioni locali di calore, la progettazione del sistema di raffreddamento è spesso più importante della semplice regolazione dei parametri. Possibili miglioramenti dello stampo includono l’aggiunta di canali di raffreddamento vicino alle sezioni spesse, l’impiego di inserti ad alta conducibilità termica, come il rame berillio, dove opportuno, oppure il perfezionamento della disposizione dei canali di raffreddamento.

Per parti complesse, il raffreddamento conformale o circuiti di raffreddamento ottimizzati possono contribuire a ridurre i punti caldi e migliorare l’uniformità del ritiro. La distanza esatta dei canali di raffreddamento e la loro configurazione devono essere valutate in base alla struttura dello stampo, al materiale utilizzato, all’acciaio dello stampo, alla resistenza degli inserti e ai requisiti di manutenzione.

7. Ridurre l’accumulo locale di materiale nella progettazione dello stampo o del pezzo

Se la sezione di plastica spessa è la causa principale, la soluzione più efficace consiste nel ridurre l’accumulo di materiale. Ciò può includere la fresatura delle sezioni spesse, la riduzione dello spessore delle nervature, l’assottigliamento delle radici dei bossoli, l’aggiunta di strutture cave o la modifica della disposizione dei rinforzi.

Per le nervature, si utilizza comunemente una guida sullo spessore della parete pari a 40-60%, ma per superfici estetiche ad alta lucentezza possono essere necessarie nervature più sottili. Per i bossoli, un bossolo cavo sorretto da sottili nervature risulta generalmente più sicuro rispetto a un montante cilindrico pieno.

8. Considerare materiali a bassa contrazione o riempiti

Se la plastica selezionata presenta un’elevata contrazione, si può valutare il cambio di materiale. I materiali caricati con vetro tendono a contrarsi complessivamente meno rispetto alla resina non caricata, ma possono introdurre una contrazione anisotropa e influenzare resistenza, aspetto, linee di saldatura, usura degli stampi e finitura superficiale.

Il cambiamento del materiale dovrebbe essere valutato insieme ai requisiti di prestazione del prodotto, alle tolleranze dimensionali, all’aspetto, ai requisiti di certificazione e al costo.

9. Utilizzare l’analisi del flusso di stampaggio per le parti ad alto rischio

Per componenti con sezioni spesse, elevate esigenze estetiche, nervature complesse o attrezzature costose, l’analisi del flusso di stampaggio può aiutare a individuare le aree ad alto rischio di contrazione prima della realizzazione dello stampo. Autodesk spiega che i risultati relativi ai sink mark possono prevedere il comportamento di affossamento nelle zone opposte, come ad esempio le nervature. ^[5]

L’analisi del flusso di stampaggio non deve sostituire il giudizio ingegneristico, ma risulta utile per verificare la posizione dei punti di iniezione, l’equilibrio del flusso, la pressione di riempimento, la configurazione del raffreddamento, la contrazione volumetrica e i possibili punti caldi prima di procedere alla lavorazione dell’acciaio.

Quando richiedere una revisione al fornitore

È opportuno richiedere al proprio fornitore una revisione DFM prima della realizzazione degli stampi qualora il componente in plastica presenti:

Superfici esterne visibili
Nervature poste dietro le pareti esterne
Bossoli, perni a vite o elementi inserti
Spessori di parete irregolari o sezioni localmente spesse
Piastre di montaggio spesse o blocchi di rinforzo
Grandi superfici piane
Elevati requisiti di assemblaggio
Elevate esigenze relative all’aspetto lucido o testurizzato
Pianificazione di uno stampo prototipo o di uno stampo di produzione

Una revisione precoce del DFM aiuta a identificare se il rischio di sink mark è principalmente causato dalla progettazione del pezzo, dai parametri di stampaggio, dalla struttura dello stampo, dal design del raffreddamento o dalla scelta dei materiali. Di solito è più semplice ed economico prevenire i sink mark prima della realizzazione dello stampo piuttosto che correggerli dopo la prova dello stampo.

Conclusione

I sink mark nelle parti in plastica stampate a iniezione sono principalmente dovuti a una contrazione volumetrica non uniforme e a un’insufficiente compensazione della fase di riempimento nelle sezioni spesse. Il rischio aumenta quando un componente presenta spessori di parete irregolari, nervature spesse, bossoli solidi, accumuli localizzati di materiale, una posizione sfavorevole del punto di iniezione, una fase di riempimento insufficiente o un raffreddamento disomogeneo.

Il metodo di prevenzione migliore consiste nel verificare la progettazione prima della realizzazione dello stampo: mantenere lo spessore delle pareti il più uniforme possibile, eseguire cavità nei punti più spessi, progettare adeguatamente nervature e bossoli, utilizzare transizioni morbide, contrassegnare chiaramente le superfici estetiche e analizzare il comportamento di ritiro del materiale.

Durante la prova dello stampo, occorre innanzitutto controllare la regolazione del processo, in particolare la pressione di riempimento, il tempo di tenuta, la temperatura del melt, la temperatura dello stampo, la velocità di iniezione e il tempo di raffreddamento. Se la messa a punto del processo non riesce a risolvere il problema, potrebbe essere necessaria l’ottimizzazione dello stampo, il miglioramento del sistema di raffreddamento, la modifica del punto di iniezione, il cambio del materiale o la riprogettazione del componente.

CTA

Hai una parte in plastica con nervature, bossoli, perni filettati o requisiti relativi alle superfici estetiche?

Carica il tuo disegno 2D e il file CAD 3D per l’analisi DFM. Il nostro team può aiutarti a valutare i rischi di sink mark, lo spessore delle pareti, la fattibilità dello stampo, i rischi legati al punto di iniezione e al raffreddamento, oltre a suggerire possibili miglioramenti progettuali prima di procedere con il preventivo.

Riferimenti

[1] Protolabs, Difetti dello stampaggio a iniezione e come prevenirli. https://www.protolabs.com/en-gb/resources/blog/injection-moulding-defects-and-how-to-prevent-them/

[2] Protolabs, Linee guida sullo spessore delle pareti nello stampaggio a iniezione. https://www.protolabs.com/resources/design-tips/improving-part-design-with-uniform-wall-thickness/

[3] Xometry, Nervature in plastica per la progettazione dello stampaggio a iniezione. https://www.xometry.com/resources/injection-molding/plastic-ribs-for-injection-molding-design/

[4] Hubs, Guida alla progettazione dello stampaggio a iniezione. https://www.hubs.com/guides/injection-molding/

[5] Autodesk, Risoluzione dei difetti visivi. https://www.autodesk.com/blogs/design-and-manufacturing/resolving-visual-defects/

[6] Guida Autodesk Moldflow, Risoluzione dei problemi di impronte di affondamento e vuoti. https://help.autodesk.com/view/MOLDFLOW/2013/ENU/caas.html?url=caas%2Fvhelp%2Fhelp-dev-autodesk-com%2Fv%2FSimulation-Moldflow%2Fenu%2F2013%2FHelp%2F3Insight-360%2F5146-Troubles5146%2F5159-Molding-5159%2F5173-Troubles5173.html