Tecnologia skinmelt: prestazioni senza compromessi nello stampaggio di plastica riciclata
Estetica e proprietà meccaniche sono due aspetti difficili da coniugare nelle materie plastiche riciclate. Ma se l’estetica di un pezzo stampato può essere facilmente migliorata con lavorazioni post-produzione (verniciatura, coating con film decorativi…), ottimizzare le prestazioni è invece più complicato. È necessario pensare in modo differente, imparando a trovare i limiti dei materiali e a progettare geometrie che li compensino. In pratica, a seguire la logica del design from recycling.
Componenti sandwich con nucleo in riciclato
Anche la tecnologia gioca un ruolo fondamentale nella ricerca del miglior compromesso possibile tra il contenuto di materiale riciclato e le prestazioni. Il processo skinmelt di ENGEL centra l’obiettivo anche nella produzione di parti con requisiti elevati, perché è pensato per la produzione di laminati sandwich formati da un nucleo in plastica riciclata e da una pelle in plastica vergine, che conferisce un ottimo aspetto estetico.
A differenza della co-iniezione tradizionale, il processo skinmelt prevede che i due fusi vengano stratificati ancora prima di essere iniettati in sequenza nel cilindro di iniezione principale. Il polimero che costituisce la superficie (la resina vergine) entra per primo nella cavità dello stampo e quindi viene premuto contro la parete dell’impronta dal successivo flusso di materiale riciclato, che formerà il nucleo. La proporzione di plastica rigenerata utilizzabile è determinata soprattutto dalla geometria del manufatto e dalla modalità di riempimento dell’impronta, ma svolgono un ruolo importante anche la posizione del punto di iniezione e il rapporto tra le viscosità dei due polimeri.
Bi-iniezione a due piani
Una delle applicazioni proposte da ENGEL è la produzione di casse per logistica (foto di apertura) contenenti oltre il 50% di Systalen, un polipropilene ottenuto dalla raccolta domestica sviluppato da Der Grune Punkt - Duales System Deutschland GmbH. Nucleo e pelle del manufatto sono realizzati con lo stesso polimero, l’uno rigenerato e l’altro vergine, così da permettere un facile riciclo al termine del ciclo di vita. Cuore dell’isola è una pressa a iniezione a due piani ENGEL duo 3660H/1560W/450 combi provvista di due unità di plastificazione in esecuzione compatta: l’unità dedicata alla pelle è montata ad angolo sopra l’unità di iniezione orizzontale dove viene fuso il materiale riciclato.
Un’altra peculiarità della soluzione è che l’intero processo viene visualizzato sul monitor dell’unità di controllo CC300 della macchina, consentendo così la regolazione precisa del rapporto di miscelazione, ottimizzando quindi la proporzione di rigenerato. Sulla macchina è installato uno stampo a un’impronta realizzato da HAIDLMAIR GmbH.
Prestazioni certificate
L’idoneità all’utilizzo nella logistica delle casse in laminato sandwich è stata verificata dall’istituto austriaco TCKT - Transfercenter für Kunststofftechnik attraverso test di impilamento. Nel corso delle prove, tre casse impilate sono state sottoposte a una forza applicata impostando il dispositivo di compressione a una velocità costante di 10 millimetri al minuto e registrando i segnali di forza e deformazione (figura 1).
I risultati sono stati confrontati con quelli ottenuti da test condotti su casse identiche prodotte completamente in materiale vergine e in materiale riciclato. È interessante notare che quelle in plastica riciclata mostrano una maggiore resistenza alla compressione e raggiungono valori più elevati di forza massima applicata e deformazione risultante fino al raggiungimento della rispettiva forza massima. Tuttavia, sia l’andamento delle curve forza/deformazione (figura 2) sia l’entità della deviazione standard dei valori di deformazione alla forza massima rilevati su tre prove ripetute (figura 3) mostrano che quando si utilizza la plastica riciclata è necessario tenere conto di una significativa dispersione delle proprietà.
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I test sulle casse in materiale vergine, invece, evidenziano profili abbastanza uniformi nelle tre prove e deviazioni standard di minore entità. I contenitori prodotti con il processo skinmelt, analogamente a quelli interamente in materiale riciclato, mostrano una lieve tendenza a una maggiore dispersione delle proprietà, ma non si osserva alcuna diminuzione della forza massima raggiungibile. La capacità di carico apparentemente più elevata del materiale riciclato non si traduce in una maggiore stabilità delle casse skinmelt, perché nelle nervature di rinforzo sui bordi è presente una quantità relativamente bassa di plastica riciclata. Questa conclusione è dimostrata da prove distruttive.
Significa quindi che per produrle (almeno per quanto riguarda le prestazioni di impilamento) è possibile utilizzare per il nucleo un materiale rigenerato di minore resistenza, di conseguenza più economico. È pur vero però che da tutte le prove condotte con plastiche post consumo emerge una maggiore dispersione dei risultati, comportamento che deve essere adeguatamente considerato nella fase di progettazione, ad esempio introducendo coefficienti di sicurezza adeguati.
L’influenza del riciclato sulle prestazioni meccaniche
Per assicurarsi della completa affidabilità delle casse realizzate con il processo skinmelt, ENGEL ha commissionato all’Institute of Polymeric Materials and Testing dell’Università Johannes Kepler di Linz (Austria) prove di resistenza all’impatto e al servizio in continuo. In particolare, sono stati valutati il modulo di Young, la durezza Shore D, la resistenza e l’allungamento a rottura. I test sono stati effettuati utilizzando dei provini (tipo 5A in conformità con la EN ISO 527-2) prelevati sulle diverse pareti laterali delle casse, indentificate come la posizione più adatta per due ragioni:
I risultati delle prove sono riportati nella figura 4. La misura della durezza Shore D conferma che, come evidenziato dai test di impilamento, le casse in materiale vergine sono equivalenti a quelle con struttura a sandwich. Il polimero della pelle, infatti, maschera la maggiore durezza superficiale di quello che compone il nucleo.
Il modulo di Young, la resistenza e l’allungamento a rottura sono stati determinati mediante test di trazione monotonici applicando una velocità costante di 10 millimetri al minuto. Dai risultati emerge che mentre le differenze del modulo di Young dei tre diversi tipi di casse non sono particolarmente significative, lo sono invece quelle dei valori di resistenza del materiale riciclato (28 MPa) e di quello vergine (23 MPa), il che influisce (anche se in misura minore) sulla resistenza del laminato sandwich.
Il confronto tra i valori di allungamento a rottura evidenzia che l’impiego di polimeri ottenuti da post consumo riduce significativamente la capacità di deformazione plastica, anche se presenti solo nel nucleo. Rispetto a tutte le altre prove, in questo caso si nota un aumento notevole della deviazione standard, che non dovrebbe però influenzare in modo rilevante un gran numero di proprietà e funzionalità del prodotto.
Sicurezza e funzionalità anche con le plastiche riciclate
Da quanto emerso dai risultati dei test, in linea di principio, nulla sembra opporsi all’uso sicuro di plastica riciclata, soprattutto quando la funzionalità dei manufatti dipende dal comportamento elastico del materiale o dal comportamento pre-snervamento. Nei casi in cui funzionalità e sicurezza dipendono principalmente dalla deformazione plastica, dall’assorbimento di energia e dal comportamento post-snervamento è invece necessario acquisire ulteriori e solide competenze sull’impiego di polimeri rigenerati da impiegare fin dalla progettazione del manufatto.
Autore: Nicoletta Boniardi, ENGEL Italia