Termoformatura con stampa 3D

Le materie plastiche hanno diverse dimensioni, tipi, colori e caratteristiche come materiali. L’ampia varietà di materie plastiche le rende materiali fondamentali per i produttori interessati alla produzione di prototipi e parti di uso finale. La termoformatura è un processo di produzione che fornisce ai produttori una soluzione versatile per la lavorazione dei fogli di plastica.

In questa guida completa, imparerai i vari processi, materiali e attrezzature di termoformatura, nonché come creare stampi per questo metodo di produzione, inclusi processi avanzati come la stampa 3D.

Cos’è la termoformatura?

La termoformatura è un processo di fabbricazione della plastica che consiste nel riscaldare un foglio di plastica e dargli forme specifiche utilizzando uno stampo. La plastica stampata viene quindi raffreddata e rifilata per produrre la parte finita. Il processo viene eseguito utilizzando una macchina termoformatrice per riscaldare e stirare il foglio termoplastico flessibile sopra lo stampo. Le moderne termoformatrici sono spesso attrezzate per eseguire il processo di rifilatura, mentre con macchine più convenzionali la rifilatura e il raffreddamento possono essere eseguiti esternamente.

I termoplastici sono i materiali utilizzati per la termoformatura. Alcuni di questi materiali sono ABS, polistirene, policarbonato, PETG, ecc. La scelta del materiale dipende dal progetto di fabbricazione e dalle caratteristiche attese dell’oggetto prodotto.

La termoformatura viene utilizzata negli imballaggi per la produzione di prodotti agricoli, farmaceutici, beni di consumo, elettrodomestici, ecc. Viene anche utilizzato nella produzione di parti robuste per uso finale come componenti di aeromobili, attrezzature per la movimentazione dei materiali, interni di automobili e apparecchiature mediche.

Rispetto ad altri processi di produzione tradizionali, la termoformatura consente ai produttori di produrre piccoli e grandi volumi di contenitori e imballaggi a un costo accessibile. La capacità di utilizzare quasi tutti i tipi di materiali termoplastici per produrre rapidamente oggetti di uso finale è un altro importante vantaggio della termoformatura.

Gli svantaggi della termoformatura includono la limitazione alla creazione di design con pareti sottili, spessori irregolari e versatilità limitata per la produzione di parti con geometrie complesse. I produttori interessati a sfruttare la termoformatura possono utilizzare questa guida per imparare a massimizzarne i vantaggi e limitarne gli svantaggi, al fine di migliorare la produttività e ridurre i costi.

Processi di termoformatura

La termoformatura è un processo di produzione che comprende tutti i diversi modi in cui i produttori possono stampare fogli di plastica riscaldati. Un produttore che sceglie il processo di formatura sottovuoto o di formatura a pressione sfrutta la termoformatura.

Sebbene esistano vari processi, le tecniche di termoformatura più diffuse sono le seguenti:

1. Formatura sottovuoto: questo processo di termoformatura utilizza un vuoto per modellare il foglio. Innanzitutto, il foglio di plastica viene riscaldato per renderlo flessibile. La pressa sottovuoto estrae quindi l’aria, costringendo il foglio ad abbracciare uno stampo. Il processo sottovuoto è noto per la sua efficacia in termini di costi e la velocità del processo di produzione.
2. Formatura a pressione: il processo di formatura a pressione è simile in quanto prevede il riscaldamento del foglio di plastica e l’uso del vuoto per rimuovere l’aria e forzare il foglio contro uno stampo. Tuttavia, ha un passo in più. Una pressa applica pressione quando l’aria è stata espulsa in modo che la plastica stampata mantenga meglio la sua forma finale. La formatura a pressione viene utilizzata quando è necessario un livello di dettaglio più elevato del processo di termoformatura.
3. Formatura meccanica: questo processo prevede l’uso della forza meccanica diretta per modellare il foglio di plastica preriscaldato. Un maschio costringe il foglio flessibile a riempire uno spazio tra il maschio e lo stampo, incidendo così motivi superficiali nel foglio di plastica. La termoformatura meccanica viene utilizzata quando sono richiesti precisione e un alto livello di dettaglio.
4. Formatura per stiramento: nella formatura per stiramento, il foglio di plastica riscaldato si avvolge attorno a un mandrino progettato con motivi specifici. Il modello del mandrino viene premuto sul foglio di plastica per formare la parte finita. Il processo di termoformatura è una delle tecniche di termoformatura più convenienti perché gli strumenti necessari sono limitati. Poiché lo spessore del materiale può essere mantenuto, il processo non crea punti deboli nelle parti.
5. Stampaggio con stampo e controstampo: questo processo di termoformatura viene applicato nella produzione di oggetti che richiedono elevati livelli di precisione. Lo stampaggio stampo e controstampo consiste nell’utilizzare uno stampo maschio e uno stampo femmina per sagomare il foglio di plastica riscaldato. La timbratrice applica una forza per comprimere il foglio tra gli stampi. Pertanto, il foglio acquisisce il motivo o la forma che è stato disegnato tra i due stampi.
6. Stampaggio a doppia lamiera: questo processo prevede lo stampaggio di due strati e la loro combinazione per formare un unico oggetto. I fogli di plastica vengono contemporaneamente riscaldati, modellati e uniti per creare un oggetto. Lo stampaggio a doppia lamiera è il processo migliore per realizzare oggetti cavi oa doppia parete.
7. Soffiaggio: il processo di soffiaggio è una tecnica di termoformatura gratuita che non si basa sugli stampi per modellare la plastica riscaldata. In questo caso, la formatrice utilizza getti d’aria per formare una bolla nella plastica fino a quando il disegno finale prende la forma.

Materiali termoformati

La termoformatura viene utilizzata per produrre contenitori e imballaggi per alimenti, componenti aeronautici, giocattoli, pallet e altri oggetti in plastica. Di conseguenza, i produttori devono considerare una vasta gamma di materiali plastici prima di avviare un ciclo di produzione. Questi sono alcuni dei materiali più comunemente usati per la termoformatura:

1. Polipropilene (PP): il polipropilene è il materiale plastico più utilizzato per la termoformatura in termini di valore e volume. Viene spesso utilizzato per la produzione di imballaggi, ventagli, giocattoli e altri articoli in plastica. Il polipropilene viene utilizzato per le sue proprietà intrinseche, come l’eccellente resistenza agli agenti chimici, alle sollecitazioni e al calore. Inoltre, il polipropilene è un materiale conveniente e può essere utilizzato con i vari processi di termoformatura qui descritti.
2. Polistirene (PS): questo polimero idrocarburico aromatico fornisce ai produttori una plastica trasparente, dura e fragile con cui lavorare. Uno degli usi più comuni del polistirene è come materiale termoformante per imballaggio, in quanto offre qualità come la resistenza all’aria e all’acqua. I produttori utilizzano il polistirolo per realizzare imballaggi per alimenti, scatole di gioielli, copertine per CD e articoli per la casa.
3. Polietilentereftalato (PET): il PET offre buone proprietà barriera contro alcoli e oli essenziali, buona resistenza agli agenti chimici e un alto grado di resistenza agli urti e alla trazione. Viene spesso utilizzato per il confezionamento di bibite, bottiglie d’acqua e molti prodotti alimentari.
4. Polietilene a bassa densità (LDPE): l’LDPE è un materiale termoplastico resistente agli agenti chimici e ai raggi UV. Inoltre, questa plastica è flessibile e ha un’elevata resistenza alla trazione. I produttori possono utilizzare l’LDPE per realizzare pellicole per imballaggio resistenti agli agenti chimici, DVD, isolamento dei cavi, contenitori e oggetti.
5. Polietilene ad alta densità (HDPE): l’HDPE è simile all’LDPE nelle sue caratteristiche di base ed è noto per la sua resistenza agli agenti chimici, ai raggi UV e all’acqua. È un materiale termoplastico resistente che può essere utilizzato per realizzare film da imballaggio, bottiglie soffiate, contenitori, tubi e sacchetti di plastica.
6. Cloruro di polivinile (PVC): il PVC è un’altra plastica popolare utilizzata per realizzare tubi, telai di finestre, interni di automobili, articoli per la casa, pacchi e scarpe. Il PVC può essere sviluppato per essere rigido o flessibile a seconda delle esigenze del produttore. Questo materiale termoplastico è anche denso, durevole e resistente all’acqua. È importante notare che il PVC non è completamente resistente alle sostanze chimiche e può reagire con il cloro.
7. Policarbonato (PC): i policarbonati sono materiali duri e resistenti che possono sopportare grandi sollecitazioni di deformazione plastica senza incrinarsi o rompersi. Sono resistenti al calore e al fuoco e hanno buone proprietà di isolamento elettrico. Alcune gradazioni di policarbonato sono trasparenti, specialmente se viste alla luce visibile. I policarbonati sono utilizzati per lenti per occhiali in plastica, dispositivi medici, componenti automobilistici, dispositivi di protezione (occhiali di sicurezza e caschi), vetri antiproiettile, fari di automobili e nel settore edile.
8. Acetato di cellulosa: i produttori che cercano materiali termoplastici più rispettosi dell’ambiente potrebbero voler prendere in considerazione l’acetato di cellulosa. Questo materiale termoplastico è costituito da risorse rinnovabili come la pasta di legno lavorata. L’acetato di cellulosa è generalmente incolore e trasparente. Viene utilizzato per realizzare articoli per la casa, pellicole per imballaggio, cornici di vetro e involucri per farmaci.
9. Polimetilmetacrilato (PMMA): le proprietà del PMMA includono elevata tenacità, resistenza agli agenti atmosferici, durata e trasparenza. I produttori sfruttano il PMMA per realizzare lenti, fari per veicoli e imballaggi trasparenti. La durata del PMMA garantisce che le parti per uso finale servano al loro scopo a lungo termine.
10. Acrilonitrile butadiene stirene (ABS): le caratteristiche dell’ABS sono, tra le altre, la sua rigidità, la sua resistenza alle abrasioni e la sua resistenza alle basse temperature. I produttori possono sfruttare la termoformatura e l’ABS per produrre imballaggi elettronici, imballaggi per alimenti ed elettrodomestici.

Altri materiali che i produttori possono utilizzare includono politetrafluoroetilene (PTFE), poliammide e polietilene tereftalato (PET). Il materiale scelto dipenderà dalla tecnica di termoformatura da utilizzare e dai requisiti del progetto. Questa tabella delle applicazioni può aiutarti a scegliere il materiale giusto per i tuoi potenziali progetti.

Stampi per termoformatura

Le tecniche di termoformatura più comuni utilizzano stampi modellati per conferire al foglio di plastica la parte finita: formatura sottovuoto, formatura a pressione, formatura di stampi e controstampi, formatura meccanica e stampaggio a doppia lamiera.

Gli stampi necessari per il processo di termoformatura possono essere sviluppati utilizzando vari processi di produzione, come intaglio a mano dal legno, lavorazione CNC da plastica, schiuma strutturale, fibra di vetro, compositi o metalli; Stampa 3D di polimeri o colata di gesso o metallo.

Il design degli stampi e il corretto processo per produrli dipendono dal design del pezzo e dai seguenti fattori:

• Volume di produzione: gli stampi in legno, gesso, compositi e in plastica stampati in 3D sono in genere i più convenienti per parti personalizzate, prototipi o produzioni a basso volume, mentre stampi in polimero o composito stampati in 3D, lavorati o stampati in 3D sono ideali anche per volumi di produzione medi. Per la produzione ad alto volume, gli stampi in metallo sono i più comuni, grazie alla loro migliore conduttività termica e resistenza, offrendo un migliore controllo della temperatura della superficie dello stampo, una maggiore uniformità tra le parti, tempi di ciclo ridotti e una maggiore durata.
• Progettazione delle parti: Realizzare gli stampi a mano con il legno può essere l’ideale per stampi semplici, ma per parti con geometrie complesse che richiedono precisione, la fusione e strumenti digitali come la lavorazione o la stampa 3D sono i migliori.
• Temperatura di termoformatura: a seconda del materiale da termoformare, lo stampo potrebbe richiedere una maggiore resistenza termica. L’inclusione dei canali di raffreddamento nello stampo può migliorare le velocità di raffreddamento e l’uniformità delle parti, nonché ridurre i tempi di ciclo.
• Forze di termoformatura: lo strumento deve essere sufficientemente forte da resistere alle forze coinvolte nel processo di termoformatura, come le forze del vuoto, le pressioni o le sollecitazioni meccaniche. L’intensità di queste forze dipenderà dal tipo di materiale, dalla sagoma della parte e dai requisiti di qualità della parte, come la finitura superficiale e il livello di dettaglio.
• Caratteristiche di progettazione dello stampo: lo stampo dovrebbe includere elementi essenziali come prese d’aria multiple per far circolare l’aria dal processo di stampaggio e angoli di sformo per separare la parte dallo stampo.
• Finitura della superficie dello stampo: i requisiti di qualità delle parti come la finitura superficiale, il livello di dettaglio, l’accuratezza dimensionale e la stabilità devono essere presi in considerazione durante la produzione dell’utensile.

Realizzazione stampi per termoformatura con stampa 3D

I metodi tradizionali per la produzione di stampi sono spesso costosi, richiedono manodopera manuale e hanno tempi di consegna lunghi, che possono limitare l’efficienza dei processi di termoformatura.

Molte aziende si stanno rivolgendo alla stampa 3D stereolitografica (SLA) per creare stampi per processi di termoformatura (noti anche come utensili rapidi), perché offre tempi di produzione rapidi a un prezzo basso, soprattutto con piccole tirature di produzione, parti personalizzate e altro ancora. La stampa 3D offre inoltre una libertà di progettazione senza precedenti per creare stampi complessi e dettagliati.

Alcuni dei vantaggi dell’utilizzo della stampa 3D per lo sviluppo di stampi per termoformatura sono i seguenti:

• Velocità: le stampanti 3D possono creare stampi di piccole e medie dimensioni per la termoformatura (nella maggior parte dei casi, in meno di 24 ore).
• Redditività: la stampa 3D consente ai produttori di ridurre i costi di produzione degli stampi, aumentando notevolmente la redditività della termoformatura per piccole serie e pezzi personalizzati.
• Progettazioni di stampi complessi: la stampa 3D elimina le sfide dello sviluppo di stampi con geometrie complesse utilizzando i processi di produzione tradizionali. Ad esempio, la stampa 3D consente di includere dettagli di progettazione difficili da lavorare e il processo di stampaggio può essere migliorato aggiungendo più prese d’aria per un migliore allungamento o pressione. I produttori possono anche sfruttare la stampante 3D per sviluppare stampi complessi per processi di termoformatura, come lo stampaggio a doppia lamiera e la formatura di stampi e controstampi.
• Prototipazione rapida di stampi: la stampa 3D offre ai produttori la possibilità di iterare e testare diversi modelli di stampi in modo rapido e a basso costo. Gli stampi stampati in 3D possono quindi essere utilizzati direttamente per la produzione di parti personalizzate e la produzione a basso volume (come il lancio rapido del prodotto) fino alla consegna dello stampo finale.
• Più opzioni di materiali: la stampa 3D offre un’ampia gamma di materiali, quindi i produttori possono sperimentare stampi con diversi livelli di costo, qualità, resistenza al calore e durata.
• Finitura superficiale: le tecnologie di stampa 3D SLA e a base di resina consentono una finitura superficiale liscia e un alto livello di dettaglio.
• Facilità d’uso: le stampanti 3D SLA desktop e da banco possono essere integrate senza problemi in qualsiasi flusso di lavoro di termoformatura, poiché sono facili da incorporare, utilizzare e mantenere, liberando il tuo tempo CNC e gli operatori qualificati per altre attività importanti.

Per produrre prototipi con materiali termoplastici, la società di sviluppo prodotto Glassboard sfrutta la velocità di stampa di Draft Resin per produrre rapidamente stampi e prototipi in policarbonato termoformato come gusci di caschi o imballaggi. Si possono ottenere forme complicate per stampi che sarebbero difficili da produrre tradizionalmente, come piccoli dettagli e fori per una distribuzione del vuoto ancora migliore sulla superficie.

In passato, il produttore di cosmetici Lush ha realizzato a mano gli stampi principali per i suoi prodotti popolari. Tuttavia, di recente si sono rivolti alla stampa 3D per creare stampi colati sottovuoto con design dettagliati e strutturati, consentendo ai propri dipendenti di portare le idee dall’idea alla realtà in meno di 24 ore e testare oltre mille idee di design ogni anno.

Gli stampi per termoformatura stampati in 3D sono ideali anche per la produzione a costi contenuti di parti personalizzate per l’uso finale. Ad esempio, lo stampaggio sottovuoto e la formatura a pressione su modelli stampati in 3D è il metodo comune per produrre allineatori ortodontici trasparenti.