Maschere stampate 3D nei processi di metallizzazione della plastica

La metallizzazione su plastica nell'industria automobilistica

Auto, camion, autobus e biciclette hanno in comune parti metallizzate, cioè rivestite con un sottile strato di metallo. Alcuni esempi di metallizzazione avvengono su componenti come loghi, luci, interni, ottiche e touch screen, che servono sia a proteggere i componenti, soprattutto se esterni ed esposti alle intemperie (aumentando così la durata e riducendo la manutenzione), sia a renderli esteticamente più gradevoli.

Che cos'è la metallizzazione?

Molte parti metallizzate, se toccate, si rivelano essere fatte di plastica metallizzata. La metallizzazione è un processo che conferisce alle plastiche proprietà che non possiedono di per sé, come la conducibilità elettrica e la resistenza all'abrasione: i rivestimenti possono essere in alluminio, zinco o in una combinazione di vari metalli a seconda del substrato. Esistono diversi processi di metallizzazione:

• a freddo;
• sotto vuoto;
• termica.

Il processo di base prevede innanzitutto l'eliminazione di difetti e imperfezioni dalla superficie del componente, per poi procedere con l'applicazione del rivestimento metallico con una delle tecniche sopra elencate; infine avviene la pulizia e la lucidatura del componente, per eliminare eventuali residui indesiderati e ottenere l'aspetto voluto.

La mascheratura per metallizzare la plastica

Un aspetto molto importante della metallizzazione delle materie plastiche, come di altre tecniche di rivestimento, è la copertura delle aree in cui il metallo non deve essere depositato. Le maschere sono un tipo di attrezzatura non sempre utilizzata, ma le ragioni per il loro impiego sono varie: da scopi estetici, all'aumento della resistenza, dall'abrasione di un'area specifica alla creazione di una superficie riflettente. Quando vengono utilizzate in linee di produzione ad alto volume, il loro scopo principale è quello di standardizzare e automatizzare il processo di metallizzazione.

Le maschere sono realizzate con una varietà di materiali, dalle plastiche caricate con fibre di vetro all'alluminio. Il processo di produzione va di pari passo con quello del componente, perché la maschera è progettata per adattarsi a esso e deve rispettare tolleranze strette, per evitare che il metallo si infiltri tra la maschera e il componente.

Man mano che vengono utilizzate, le maschere si ricoprono di strati di metallo depositato e quindi devono essere pulite regolarmente. Questa operazione viene eseguita con diverse tecniche a seconda del metallo depositato e del substrato. Anche con il lavaggio, dopo qualche tempo la qualità della superficie delle maschere diventa troppo bassa per essere utilizzabile, quindi è necessario sostituirle con altre nuove.

Il problema della produzione tradizionale di maschere

A differenza dei componenti mascherati, che sono spesso prodotti in serie a basso prezzo con tecniche come lo stampaggio a iniezione, il numero di maschere necessarie nelle metallizzazioni è relativamente limitato: questo fa automaticamente lievitare il costo per maschera, che può variare da poche centinaia di dollari a un migliaio o più.

Inoltre, le maschere sono spesso realizzate a partire da materiale di magazzino e lavorate con macchine CNC, un processo lungo e laborioso che può richiedere diversi giorni, se non settimane, a seconda della complessità della maschera. Questo rallenta l'intero processo di produzione, poiché la metallizzazione non può avvenire senza maschere.

Il risultato è che spesso le aziende devono lavorare sulla complessità e sul costo della produzione delle maschere più che sui componenti stessi. Questo non solo rallenta il processo, ma può anche portare a una realizzazione di componenti di qualità inferiore e potenzialmente a una minore soddisfazione dei clienti, con conseguente perdita di opportunità commerciali.

La soluzione Roboze: la stampa 3D nei processi di metallizzazione

Utilizzando una combinazione di materiali di stampa 3D avanzati, le stampanti più precise e ripetibili del mercato e sfruttando la libertà di progettazione insita nella produzione additiva, Roboze ha sviluppato una suite di soluzioni per la produzione di maschere in 3D per i processi di rivestimento e metallizzazione.

I polimeri ad alte prestazioni in cui Roboze è specializzata sono una classe di materiali plastici che offrono proprietà meccaniche, termiche e chimiche superiori a quelle dei materiali plastici di consumo o tecnici. L'ULTEM™ AM9085F fa parte di questa famiglia di polimeri e possiede proprietà eccezionali che includono un'elevata resistenza termica (temperatura di deflessione termica di 175°C a 1,82 MPa), un'ampia compatibilità chimica, resistenza alle radiazioni e un basso degassamento (rilascio di particelle d'aria intrappolate quando esposte a pressioni molto basse).

ARGO 500 è una stampante 3D FFF di altissimo livello per la produzione industriale, che vanta la massima precisione e ripetibilità al mondo. È dotata di un sistema a doppio estrusore, in cui il materiale principale della parte e il materiale di supporto vengono stampati con due estrusori diversi, entrambi montati sulla stessa testa. Roboze ha sviluppato un materiale breakaway per ULTEM™ AM9085F che riduce notevolmente i tempi di rimozione del supporto.

Esempio applicativo: maschera 3D per la copertura dei fanali di un'auto

In questa applicazione era necessario metallizzare la copertura dei fanali posteriori di un'automobile. La maschera è stata utilizzata per coprire le aree esterne e consentire il deposito del metallo solo all'interno della copertura dei fari.

La maschera, mostrata qui sotto, è stata originariamente realizzata utilizzando epossidica in due parti modellata con la colata e poi rifinita con la lavorazione CNC. Le maschere dovevano essere chimicamente resistenti al metallo depositato e al processo di pulizia, che prevedeva l'uso di sostanze chimiche corrosive. Poiché il processo di metallizzazione utilizzato prevedeva il vuoto, il materiale della maschera doveva anche avere un basso livello di degassamento.

I volumi di produzione erano bassi, un paio di centinaia per un'intera serie di involucri leggeri che potevano durare fino a 5 anni, ed è stato necessario contattare due aziende esterne, una per progettare la maschera e l'altra per produrla.

Il processo di produzione delle maschere prevedeva la fusione, quindi era necessario realizzare degli stampi per le maschere, il che aumentava notevolmente i costi. Delle poche centinaia di maschere ordinate, solo l'80% circa è stato utilizzato, mentre le altre sono state conservate come ricambi per 15 anni, occupando spazio nei magazzini e aumentando ulteriormente i costi.

La soluzione di Roboze è stata quella di stampare la maschera con ULTEM™ AM9085F e supporti breakaway, utilizzando una ARGO 500. Questa soluzione presenta diversi vantaggi rispetto alla produzione tradizionale:

• L'ULTEM™ AM9085F è uno dei materiali più resistenti agli agenti chimici del portfolio Roboze, quindi può sopravvivere al processo di pulizia;
• Ha proprietà di basso degassamento (è qualificato per l'uso nei veicoli spaziali), il che significa che è adatto per l'uso nella metallizzazione sotto vuoto;
• L'utilizzo di una stampante 3D a doppio estrusore e di supporti breakway aumenta la libertà di progettazione e riduce notevolmente la necessità di post-produzione, limitandosi a una levigatura per lisciare le aree di contatto tra la maschera e il componente;
• La creazione di un “gemello” digitale permette di evitare scorte di magazzino e di stampare la parte on-demand e just-in-time, eliminando la necessità di produrre lo stampo e riducendo notevolmente i tempi di consegna.