Come creare uno stampo: una guida per professionisti

L'introduzione degli stampi durante l'Età del bronzo ha contribuito a rendere meno approssimativi i processi di fabbricazione dei nostri antenati. Con l'evoluzione tecnologica abbiamo assistito alla nascita di stampaggio a iniezione, termoformatura e fusione, tutte tecniche che ancora oggi vengono usate per realizzare gli stampi con cui vengono prodotte la maggior parte dei componenti in plastica, silicone, gomma, composito e metallo che utilizziamo tutti i giorni.

Chiunque voglia sfruttare queste tecniche per lavoro o per hobby deve sapere come vengono realizzati e utilizzati gli stampi e come si può ottimizzarne l'uso per rispettare specifici requisiti di rendimento. 

In questa guida esaustiva troverai informazioni dettagliate su come iniziare a creare stampi. Potrai approfondire i singoli processi e scoprire come scegliere la tecnica più adatta, quali strumenti permettono di ottimizzare il processo e qual è il ruolo della stampa 3D. Inoltre, in ogni sezione ti forniremo collegamenti a contenuti integrativi che ti aiuteranno a realizzare al meglio il tuo progetto.

Molti processi di fabbricazione prevedono la modellazione di materiali grezzi malleabili con uno strumento, una struttura o un telaio fisso e appositamente progettato, più noto come "stampo". Gli stampi possono avere una forma concava (stampo negativo) o convessa (stampo positivo) in base al design finale desiderato dal produttore. 

Gli stampi sono fondamentali per questi processi di fabbricazione, poiché consentono di produrre in serie un design specifico. Gli stampi possono essere creati con numerosi materiali, tra cui metallo, plastica, ceramica, legno e schiuma. Dopo essere stato progettato e sviluppato, lo stampo viene inserito all'interno di un'attrezzatura dedicata e usato per lavorare un materiale grezzo, ad esempio una termoplastica, che prende forma attorno o all'interno dello stampo. Una volta solidificato, il materiale avrà acquisito la forma del prodotto finale. 

Quindi, che tipo di componenti si possono produrre con gli stampi? Di fatto qualsiasi, dai prototipi alle parti per uso finale più complesse. Le tecniche di stampaggio vengono usate per realizzare componenti per il settore automobilistico, prodotti per consumatori, imballaggi, gioielli, dispositivi medici e molto altro ancora. È praticamente impossibile trovare un prodotto funzionale che non contenga almeno un componente realizzato tramite stampaggio.

Gli stampi sono fondamentali in numerosi processi di fabbricazione, in quanto fungono da modello originale per la produzione in massa di articoli. Tra i processi in cui vengono usati gli stampi possiamo ricordare: 

• Stampaggio a iniezione. Questo è uno dei processi di fabbricazione più diffusi per le parti in termoplastica, silicone o gomma. È una tecnologia economica ed estremamente ripetibile che permette di ottenere parti di alta qualità per la produzione in serie. In questo processo, lo stampo sviluppato viene inserito in un apparecchio per lo stampaggio a iniezione, quindi si versa al suo interno la termoplastica riscaldata o il materiale grezzo liquefatto. Una volta completata la solidificazione, la parte finale viene espulsa dall'apparecchio e il processo viene ripetuto in rapida successione.

• Termoformatura. Questo processo prevede che un foglio di plastica venga riscaldato e formato attorno a uno stampo, in modo da conferirgli una forma specifica. L'attrezzatura per la termoformatura usa lo stampo per produrre la parte finita. In base al tipo di processo, lo stampo può essere riempito con un materiale grezzo malleabile oppure stampato o compresso all'interno del materiale grezzo. In alternativa, il materiale riscaldato viene fatto aderire allo stampo tramite la creazione di sottovuoto. La termoformatura è il metodo più comunemente usato per la produzione di imballaggi, ma permette anche di creare parti per uso finale di lunga durata.

• Fusione. Durante questo processo, lo stampo viene riempito con metallo fuso o un altro materiale liquefatto, che una volta raffreddato e indurito acquisisce la forma del prodotto finale. La fusione viene comunemente usata per creare parti in metallo, silicone e plastica.

• Stampaggio a compressione. Questo processo di fabbricazione prevede che una determinata quantità di materiale di stampaggio, normalmente preriscaldato, venga compressa nella forma desiderata usando due stampi riscaldati. Questa tecnica viene in genere considerata un'alternativa allo stampaggio a iniezione per la produzione di parti relativamente semplici su piccola e media scala.

• Stampaggio per soffiaggio. Questa tecnica è simile alla soffiatura del vetro. Un apparecchio inietta dell'aria in un pezzo di materiale, in genere plastica o vetro, riscaldato a forma di provetta, che si trova all'interno di uno stampo. Man mano che l'aria entra nel pezzo, la pressione lo fa gonfiare fino ad assumere la forma dello stampo. Lo stampaggio per soffiaggio viene comunemente usato per produrre prodotti cavi, ad esempio le bottiglie. 

• Laminazione di compositi. In questo processo, diversi strati di materiali ad alte prestazioni, come fibra di carbonio, fibra di vetro e kevlar, vengono inseriti in uno stampo. La parte in composito viene creata attraverso un metodo tra laminazione a umido (wet lay-up), laminazione pre-preg o stampaggio a trasferimento resina.

Esistono numerosi tipi di stampi utilizzabili come soluzione per la fabbricazione di attrezzature con i processi descritti in precedenza. Ad esempio, nella fusione dell'alluminio si usano all'incirca sette tipi di stampo, tra cui gli stampi per la fusione in sabbia, gli stampi in ceramica e le scocche. Per semplificarne la classificazione, vengono divisi in queste categorie: 

• Il tipo più semplice sono gli stampi a componente singolo, dotati di superfici uniformi per tutte le parti dell'oggetto da stampare. Questi stampi possono essere usati anche per riprodurre design o oggetti che presentano una superficie piana. Anche se possono essere realizzati a partire da un modello CAD, in genere vengono creati da un modello master fisico. 

• Gli stampi a due componenti sono un ottimo strumento per lo stampaggio di forme più complicate. I componenti vengono fissati all'altezza di una linea di separazione e le parti finali rispecchiano le caratteristiche di entrambi i componenti del design del modello o del modello master. In genere, i singoli componenti vengono sviluppati da uno stampo ottenuto con un modello master o un modello CAD.

• Gli stampi a più componenti sono l'ideale per la creazione di forme più complesse che richiedono un approccio diverso rispetto allo sviluppo di uno stampo a uno o due componenti. Questi stampi prendono in considerazione tutti i diversi aspetti o caratteristiche del modello, che sono rispecchiati da ciascun componente. 

• Gli stampi multi-cavità presentano diverse cavità, ciascuna con la forma della stessa parte, il che consente di fabbricare un numero maggiore di parti per singolo ciclo e aumentare così la produttività.

Un'altra caratteristica cruciale che contribuisce a classificare i diversi tipi di stampo è il tasso di riutilizzabilità, ovvero la quantità di parti che il produttore prevede di poter creare da ciascun stampo. In base a questo criterio, possiamo stabilire altre due categorie:

• Stampi monouso o usa e getta. Questi stampi possono produrre soltanto un oggetto e vengono distrutti durante il processo di rimozione. In genere vengono prodotti in sabbia, argilla, silicone, cera o plastica.

• Stampi riutilizzabili o permanenti. Questi stampi possono essere utilizzati per più cicli, in campagne di produzione di qualsiasi dimensione. Per i volumi di produzione ridotti, gli stampi possono essere di silicone, schiuma, legno, plastica o alluminio, pertanto a volte vengono detti "stampi morbidi". Per volumi più elevati che richiedono una maggiore resistenza all'usura, è possibile usare un metallo rigido come l'acciaio (in questo caso, si parla di "stampi rigidi"). 

Per scegliere la tecnica di realizzazione più adatta a ciascuna applicazione occorre considerare diversi fattori, tra cui il materiale della parte finale, il processo di fabbricazione, la forma del modello e il volume di produzione. 

Ecco una guida semplificata, che elenca le diverse fasi del processo per aiutarti a scegliere: 

Un piano generale di produzione permette di stabilire nel dettaglio le aspettative relative a un progetto, le scadenze e il budget a disposizione. Se devi creare un numero limitato di parti personalizzate, farai scelte diverse rispetto a quelle che faresti per produrre in massa migliaia di unità di uno stesso articolo. I criteri di sviluppo variano in base al progetto, ma in genere includono design della parte, dimensioni, materiale, qualità, tolleranza, scadenze, volumi di produzione, vincoli di costi e altro ancora. 

Nello sviluppo di prodotti, il documento iniziale in cui vengono illustrati tutti questi criteri è spesso il documento di specifica dei requisiti di prodotto, mentre nella distinta base vengono elencati nel dettaglio parti, articoli, assemblaggi e altri materiali necessari per creare il prodotto in questione.

Il processo di fabbricazione per una specifica parte dipende molto dai criteri di sviluppo. In alcuni casi, uno specifico progetto coinvolge più di un processo. Come regola generale, scegli il processo che ti consente di creare la parte finale con una qualità sufficiente per le tue esigenze, al minor costo e nel rispetto di tutti gli altri criteri di sviluppo. È molto probabile che i fattori più importanti per la tua decisione siano la scelta del materiale e il volume di produzione.

Per le parti in plastica, puoi leggere la nostra Guida ai processi di produzione delle materie plastiche.

Una volta identificato il processo di fabbricazione adatto, è il momento di scegliere il tipo di stampo da utilizzare. Anche in questo caso, la scelta dipende in gran parte dai criteri di sviluppo. Anche se i fattori specifici sono legati al processo di fabbricazione, ecco alcune delle principali considerazioni da fare nella scelta di una tecnica di realizzazione dello stampo:

• Design della parte. Prova a semplificare il più possibile il design e ad allinearlo alle regole del processo di fabbricazione selezionato, così da poter scegliere la tecnica più conveniente a livello di costi. Per i design più semplici, possono essere sufficienti stampi realizzati con tecniche manuali, mentre i design più complessi spesso richiedono stampi a più componenti e tecniche di produzione digitale, come la stampa 3D o la lavorazione meccanica CNC. 

• Volume di produzione. I cicli di produzione con volumi elevati richiedono stampi resistenti, in grado di replicare modelli in modo accurato senza usurarsi dopo pochi utilizzi. Tuttavia, realizzarli richiede un notevole impegno in termini di tempo e budget. Per la produzione di parti una tantum o in lotti di piccole dimensioni, potrebbe essere più efficiente scegliere stampi più economici e rapidi da realizzare, come quelli usa e getta o morbidi, che possono essere gettati non appena mostrano segni di usura irreparabile.

• Qualità. Tolleranze rigide richiedono stampi e strumenti più accurati, ad esempio quelli di fabbricazione digitali; inoltre gli stampi devono essere più resistenti, così da garantire una qualità omogenea tra tutti i cicli di produzione.

• Scadenze. Un fornitore di servizi può impiegare anche mesi per creare e consegnare uno stampo di metallo complesso. Se hai scadenze strette, prova a cercare alternative che ti permettano di ridurre i tempi di produzione, come la creazione rapida di attrezzature con stampa 3D.

• Materiale. I materiali con punto di fusione elevato o molto abrasivi richiedono stampi più resistenti, in grado di creare la quantità necessaria di parti senza degradarsi.