Lo stampaggio ad iniezione del PLA

“Opportunita’ Applicative del PLA: Problematiche e Aspettative”
Alessandria, 25 Febbraio 2014
H. Falletta – M. Zaccone
LO STAMPAGGIO AD INIEZIONE DEL PLA
Quali finalità?
Proplast
è un centro di ricerca privato,
organizzato in forma consortile,
rappresentativo della filiera
produttiva del settore
delle materie
plastiche
Dove siamo?
1998
2008
Il consorzio
185 Aziende
13 Università
9 Associazioni industriali
3 Fondazioni ed enti locali
210 soci totali
Mercato Biopolimeri
E’ prevista, per la capacità
produttiva globale delle
bioplastiche, una crescita
del 400% entro il 2017.
Mercato Biopolimeri
Le bioplastiche sono in grado di rispondere alle esigenze
del mercato?
Prezzo
Valore aggiunto ma costi più
elevati rispetto a quelli dei
polimeri tradizionali
Performance
Limitazioni riguardanti alcune
caratteristiche
(meccaniche,
termiche)
Processing
Possibili problematiche con le
attrezzature esistenti
Test su processabilità PLA
Attività svolte:
1. Deumidificazione
2. Plastificazione
3. Viscosità da stampaggio
4. Ritiro allo stampaggio
Deumidificazione
PLA 3251 D Nature Works
Umidità di partenza (da sacco integro): 200 ppm
Ciclo di deumidificazione: 90°C per 4 ore
Umidità residua: 0 ppm (inferiore ai 100 ppm)
Fonte: Scheda tecnica Nature Works
È consigliata una
→umidità massima di 250ppm,
→anche se, per sicurezza, è preferibile un livello di 100-150ppm
Deumidificazione
TEMPO MEDIO DI DEUMIDIFICAZIONE E TEMPERATURA DELL’ARIA
DI PROCESSO PER ALCUNI MATERIALI PLASTICI
Materiale
PLA
ABS
PA
PBT
PC
PE
PET iniezione
PMMA
PP
PVC
Temperatura
[°C]
100 - 60
80
75
120 - 140
120
85
120 - 150
80
90
70
Tempo
[h]
2-7
2-3
3-5
3-4
2-3
1
3-4
3-4
1 - 1,5
1
Parametri di stampaggio
Gradi standard richiedono:
→ temperature di stampaggio: 180 - 210 C
→ temperature dello stampo: 10 - 30 C
Per i gradi resistenti al calore, rispettivamente
→ temperature di stampaggio: 190 - 210 C
→ temperature dello stampo: 100 - 120 C
I parametri di caricamento (dosaggio) del materiale non seguono particolari
accorgimenti.
Plastificazione
Caratteristiche viti:
1. L/D 24 - Rapporto di compressione 2:1
2. L/D 24 - Rapporto di compressione 1.6:1
Plastificazione
Parametri di stampaggio:
Temp. Cilindro: da 180 C a 200 C
Dosaggio macchina: 50%
Particolare stampato:
Provino ISO 527 - A
successivamente caratterizzato a
trazione
Rotazione vite: 120 mm/s
Contropressione: 50 bar
Velocità di iniezione: 40 mm/sec
Mantenimento: 1000 bar – 10 s
Temp. Stampo: 25 C
Tempo ciclo: 58 s
Tutti i parametri rimangono costanti
Plastificazione
Risultati:
Vite 1
Tempo
Dosaggio
Tempo
iniezione
Pressione
commutaz.
Tempo
ciclo
Punto di
commutaz.
Picco di
pressione
cuscino
10.26
2.35
443
57.7
9
521
3
Tempo
Dosaggio
Tempo
iniezione
Pressione
commutaz.
Tempo
ciclo
Punto di
commutaz.
Picco di
pressione
cuscino
10.26
2.35
448
57.7
9
550
3
Vite 2
Plastificazione
Test a trazione - ISO 527
Risultati:
Vite 1
Vite 2
Viscosità da stampaggio: obiettivo del test
Obiettivi del test:
1. Valutazione della sua viscosità direttamente da macchina
2. Analisi del comportamento reologico del PLA: è newtoniano?
Viscosità da stampaggio: fasi del test
1. Determinazione dei parametri di stampaggio (dipendenti dal particolare
realizzato)
2. Stampaggio del manufatto con costanza di tutti i parametri tranne che la
velocità di iniezione che viene fatta variare dal valore massimo al valore
minimo consentiti dalla macchina.
3. Analisi dei dati di stampaggio (in particolare tempo di iniezione e pressione di
commutazione) ed estrapolazione della curva di flusso
4. Confronto delle curve ottenute da macchina con quelle ricavate da reometro
capillare.
Viscosità da stampaggio
Macchina utilizzata: Ferromatik ELEKTRA evolution
Forza di chiusura: 110 ton
Diametro vite: 35 mm
Rapporto L/D: 22.9
Cilindrata: 154 cm3
Viscosità da stampaggio
PLA 3251D NatureWorks
3.54
20
1.79
30
1.2
40
0.91
0.282
173 207.60 20760000
186 169.26 16926000
0.833
197 145.78 14578000
213 132.06 13206000
1.351
1.852
viscosità relativa [Pas]
shear rate [sec ¯¹]
viscosità rel. [Pa ·sec]
viscosità rel. [bar ·sec]
109 385.86 38586000
145 259.55 25955000
4,100E+07
3,600E+07
3,100E+07
PLA 3251D
2,600E+07
2,100E+07
1,600E+07
1,100E+07
6,000E+06
1,000E+06
0,1
0.559
0,6
1,1
1,6
2,1
2,6
3,1
3,6
4,1
shear rate [sˉ¹]
1.099
50
0.74
60
0.62
70
0.54
80
90
0.48
0.43
224 120.96 12096000
238 114.24 11424000
247 106.21 10621000
100
0.39
249
97.11
9711000
2.564
110
1000
1.613
2.083
2.326
0.36
262
94.32
9432000
2.778
120
0.33
273
90.09
9009000
3.03
130
0.31
283
87.73
8773000
3.226
140
0.29
288
83.52
8352000
3.448
150
0.28
298
83.44
8344000
3.571
160
0.27
304
82.08
8208000
3.704
Viscosità [Pa s]
10
p.commutazione [bar]
t.iniezione [sec]
v. iniezione [mm/sec]
4,600E+07
100
Viscosità da
stampaggio
10
Viscosità capillare
1
10
100
1000
Shear Rate [sˉ¹]
10000
100000
Viscosità da stampaggio
PP Moplen HP 400 R
91.6
112.4
123.2
136.1
0.74
0.62
0.54
0.48
0.43
0.39
146.2
152.8
159.3
165.4
170.5
175.8
180.7
184.7
188.6
192.4
197.4
199.5
0.36
0.33
0.31
0.29
0.28
0.27
324.26
201.20
147.84
123.85
108.19
94.74
86.02
79.39
73.32
68.56
65.05
60.95
58.47
55.80
55.27
53.87
32426400
20119600
14784000
12385100
10818800
9473600
8602200
7939200
7331500
6856200
6505200
6095100
5846600
5579600
5527200
5386500
0.282
0.559
0.833
1.099
1.351
1.613
1.852
2.083
2.326
2.564
2.778
3.03
3.226
3.448
3.571
3.704
viscosità relativa [Pas]
shear rate [sec¯¹]
viscosità rel. [Pa·sec]
viscosità rel. [bar·sec]
p.commutazione [bar]
3.54
1.79
1.2
0.91
4,100E+07
3,600E+07
PP Moplen
HP400R
3,100E+07
2,600E+07
2,100E+07
1,600E+07
1,100E+07
6,000E+06
1,000E+06
0,1
1,1
2,1
3,1
4,1
shear rate [sˉ¹]
1000
Viscosità [Pa s]
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
t.iniezione [sec]
v. iniezione [mm/sec]
4,600E+07
100
Viscosità da
stampaggio
Viscosità
capillare
10
1
10
100
1000
Shear Rate [sˉ¹]
10000
100000
Viscosità da stampaggio
PP Moplen
HP400R
1,000E+07
PLA 3251D
1,000E+06
0,1
1
10
shear rate [sˉ¹]
1000
Viscosità [Pa s]
viscosità relativa [Pas]
1,000E+08
100
Viscosità PLA
3251D
10
Viscosità PP
Moplen HP400R
1
10
100
1000
Shear Rate [sˉ¹]
10000
100000
Ritiro allo stampaggio
Norma: UNI EN ISO 294 - 4
l
PLA 3251D
• normale al flusso: 0.09%
• parallelo al flusso: 0.12%
b
Macchina utilizzata: Arburg Allrounder 370s
Forza di chiusura: 50 ton
Diametro vite: 25 mm
Rapporto L/D: 24
Cilindrata: 59 cm3
PP Moplen HP 400 R
• normale al flusso: 1.43%
• parallelo al flusso: 1.43%
Conclusioni
1. Il PLA non presenta cicli di deumidificazione con particolari differenze rispetto
ai dati forniti dal produttore del materiale.
2. Il cambiamento di profilo vite modifica le pressioni in gioco durante il processo
di iniezione, ma non influisce sulle caratteristiche meccaniche del PLA.
3. La viscosità del PLA ottenuta direttamente da macchina, a confronto con
quella ricavata da reometro capillare, rientra nel range di shear rate tipici dello
stampaggio ad iniezione. Il confronto delle curve di viscosità del PLA 3251 D e
del PP Moplen HP400R dimostra che il PLA non possiede un comportamento
reologico newtniano e che tale comportamento è paragonabile a quello del PP.
4. Dalla prova di ritiro allo stampaggio viene confermato, come già dimostrato in
letteratura, il basso ritiro del PLA.