Come stimare il costo dello stampaggio a iniezione?

Tuttavia, poiché questi costi si distribuiscono su centinaia o migliaia di parti, lo stampaggio a iniezione è il processo ideale per la produzione di massa di parti in plastica in modo conveniente.

In questa guida presentiamo un'analisi esaustiva dei diversi fattori che determinano il costo totale dello stampaggio a iniezione.

Lo stampaggio a iniezione è uno dei processi più diffusi nella produzione di articoli in plastica. È ampiamente usato per la produzione in serie di parti identiche con tolleranze strette. È una tecnologia economica ed estremamente ripetibile che permette di ottenere parti di alta qualità per la produzione in serie.

È un processo rapido e intensivo che prevede l'utilizzo di temperature e pressioni elevate per iniettare materiale fuso all’interno di uno stampo. Il materiale scelto dipende dall'ambito del progetto di produzione I materiali più usati sono le termoplastiche come ABS, PS, PE, PC, PP o TPU, ma è possibile stampare a iniezione anche utilizzando metalli e ceramiche. Lo stampo è costituito da una cavità che accoglie il materiale fuso ed è progettata per riprodurre fedelmente le caratteristiche finali della parte.

Solitamente il fattore principale che determina il costo nello stampaggio a iniezione è il costo dello stampo, noto anche come costo dell'attrezzatura. I costi di progettazione e produzione di uno stampo dipendono dal volume di produzione richiesto, dalla complessità del design della parte, dal materiale in cui verrà realizzato lo stampo e dal processo utilizzato per realizzarlo.

Gli stampi semplici per la produzione con volumi ridotti stampati in 3D possono costare appena 100 $, mentre i costi di progettazione e produzione di stampi complessi per la produzione di volumi elevati può raggiungere i 100 000 $. Malgrado i notevoli costi fissi iniziali, il processo di stampaggio a iniezione è caratterizzato da costi variabili bassi, grazie a materiali termoplastici economici, tempi di ciclo brevi e diminuzione progressiva della manodopera richiesta grazie all'automazione e alle economie di scala. Questo significa che i costi variabili di produzione sono bassi, che il processo è più efficiente e che il costo per parte diminuisce a volumi più elevati poiché i costi vengono distribuiti su centinaia o migliaia di pezzi.

Per comprendere le diverse tipologie di costi associate allo stampaggio a iniezione, è necessaria un'analisi approfondita del processo.

Per lo stampaggio a iniezione si usano macchine specifiche, che variano da piccole macchine desktop che le aziende possono usare internamente, fino a macchine industriali di grandi dimensioni che vengono utilizzate prevalentemente da fornitori di servizi, produttori a contratto e grandi produttori.

Produrre piccoli volumi di parti è più economico se si utilizzano piccole macchine desktop per lo stampaggio a iniezione e stampi realizzati in 3D. Se non hai dimestichezza con lo stampaggio a iniezione e vuoi sperimentarlo con un investimento limitato, una buona opzione può essere quella di usare un'unità da banco come la Holipress o la Galomb Model-B100. Le attrezzature automatizzate per lo stampaggio a iniezione su piccola scala come la macchina desktop Micromolder o la macchina idraulica Babyplast 10/12 sono buone alternative per la produzione di serie medie di parti di piccole dimensioni.

Le grandi macchine industriali per lo stampaggio a iniezione possono costare da 50 000 a più di 200 000 $. Queste macchine hanno inoltre requisiti più rigorosi per quanto riguarda la struttura in cui saranno istallate e richiedono manodopera qualificata per il funzionamento, la manutenzione e il monitoraggio. Di conseguenza, a meno che lo stampaggio a iniezione non sia una competenza fondamentale, la maggior parte delle imprese esternalizza la produzione di massa a fornitori di servizi e produttori a contratto, per cui i costi delle attrezzature sono inclusi nei costi del servizio.

Come già accennato nell'introduzione, quello dello stampo o dell'attrezzatura è solitamente il costo principale nello stampaggio a iniezione.

Gli stampi per iniezione si realizzano solitamente utilizzando tre metodi:

• Lavorazione meccanica CNC: le macchine a controllo numerico sono gli strumenti maggiormente utilizzati per la produzione di stampi in alluminio e acciaio inossidabile ad alto livello di precisione.

  La lavorazione meccanica CNC sottrae materiale utilizzando uno strumento rotante su una parte fissa. È in grado di produrre stampi con un design della cavità molto complesso, ma per farlo potrebbero essere necessari numerose sostituzioni dello strumento rotante, che rallenterebbero il processo. Ne consegue aumento proporzionale dei costi rispetto alla complessità. Le macchine a controllo numerico sono strumenti industriali che richiedono una forza lavoro specializzata e uno spazio dedicato, perciò molte aziende esternalizzano la produzione degli stampi a fornitori di servizi.

• Elettroerosione (EDM): l'elettroerosione viene generalmente impiegata per creare stampi dai design molto complessi che sono estremamente difficili da realizzare con i metodi di lavorazione tradizionali.

  L'elettroerosione prevede l'utilizzo di due elettrodi, uno sulla parte da lavorare, uno sull'utensile di lavorazione per creare uno stampo della forma desiderata. I due elettrodi sono separati da un fluido dielettrico e sottoposti a tensioni che causano scariche di corrente regolari. Queste ultime servono a modellare l'elettrodo della parte nello stampo finale. L'elettroerosione è estremamente precisa e generalmente non richiede alcun intervento di post-elaborazione ulteriore. Analogamente alla lavorazione meccanica CNC, anche l'elettroerosione è un processo industriale che molte aziende esternalizzano alle officine meccaniche.

• Stampa 3D: la stampa 3D è una soluzione efficace per realizzare stampi a iniezione in modo rapido e a basso costo.

  Richiede un'attrezzatura molto limitata e permette di risparmiare il tempo necessario alla lavorazione CNC, dando modo alla manodopera specializzata di dedicarsi a compiti ad alto valore aggiunto. I produttori possono trarre vantaggio dalla velocità e dalla flessibilità della stampa 3D in-house per creare stampi che possono essere utilizzati su macchine per lo stampaggio sia desktop, sia industriali. Un ulteriore vantaggio per lo sviluppo del prodotto è la possibilità di eseguire iterazioni sul design e testare il materiale per l'utilizzo finale prima di investire nelle attrezzature definitive per la produzione di massa. La tecnologia di stampa 3D stereolitografica (SLA) è la scelta ideale per lo stampaggio a iniezione. La caratteristica finitura superficiale liscia permette di realizzare stampi adatti alla produzione di parti finali ad alta precisione e facilita la rimozione delle parti dallo stampo stesso. Le stampe 3D prodotte mediante stereolitografia sono legate chimicamente in modo tale da essere completamente dense e isotropiche. Le stampanti SLA desktop, come quelle prodotte da Formlabs, hanno un costo iniziale inferiore ai 5000 $ e si possono integrare facilmente in qualsiasi workflow perché sono semplici da implementare, da utilizzare e da mantenere in condizioni ottimali.

Lo sviluppo di stampi più complessi richiede competenze tecniche. Di conseguenza, le aziende spesso esternalizzano aspetti specifici del processo di stampaggio a iniezione, come la progettazione e la produzione dello stampo.

Per le aziende che dispongono delle attrezzature e degli strumenti per lo stampaggio a iniezione, creare gli stampi internamente sarebbe l'opzione meno costosa, ammesso che si abbiano le competenze tecniche necessarie. Se gli strumenti necessari per lo stampaggio a iniezione non sono facilmente disponibili, allora l'esternalizzazione riduce il costo associato alla creazione di uno stampo.

Gli stampi semplici per volumi ridotti realizzati in 3D possono essere prodotti su una stampante 3D SLA per soli 100 €. Il costo di uno stampo in alluminio per la produzione di volumi medi (circa 1000-5000 unità) oscilla tra i 2000 e i 5000 $. Per stampi dalle geometrie più complesse e progettati per produzioni di oltre 10 000 unità, il costo dello stampo può variare da 5000 a 100 000 $.

A seconda dei requisiti delle parti finali, per lo stampaggio a iniezione si può utilizzare un'ampia varietà di materie plastiche, tra cui ABS, PS, PE, PC, PP o TPU.

Il prezzo d'acquisto dei materiali per gli stampi varia a seconda del materiale scelto. I pellet delle termoplastiche costano all'incirca 1-5 $ al kg.

Il costo del materiale dipende dal design del modello, dal materiale scelto e dalla quantità di materiale usato per eseguire il processo di stampaggio a iniezione.

L'attrezzatura associata allo stampaggio a iniezione è in genere autoregolante e sfrutta l'automazione per completare il lavoro. Le macchine a controllo numerico, quelle per l'elettroerosione e le stampanti 3D industriali si basano sulle specifiche del progetto CAD per produrre uno stampo. Anche le macchine per lo stampaggio a iniezione sfruttano l'automazione per iniettare i materiali nello stampo e quelle industriali spesso raffreddano ed espellono la parte in modo automatico.

I costi della manodopera includono:

• Costi di installazione e configurazione: con questo termine si intende il tempo impiegato per configurare l'attrezzatura utilizzata per produrre lo stampo e il prodotto finale.

• Costi di riparazione: le attività di riparazione e manutenzione comportano la sostituzione di componenti difettosi e l'utilizzo di strumenti appositi per eseguire i processi di manutenzione.

   

• Costi di monitoraggio: malgrado il ricorso all'automazione, gli operatori che lavorano con le attrezzature sono tenuti a monitorare l'avanzamento del processo di stampaggio a iniezione.

  Al costo totale dello stampaggio a iniezione si aggiungono i salari degli operatori accumulati durante il processo. 

Se la produzione si effettua internamente, tali costi vengono inseriti all'interno di quelli per la manodopera. Se invece lo stampaggio a iniezione viene esternalizzato, la manodopera e il margine di profitto del fornitore di servizi vengono aggiunti ai costi del servizio.

La seguente tabella illustra i costi associati allo stampaggio a iniezione di un ipotetico articolo in plastica, come un alloggiamento di piccole dimensioni per un dispositivo elettronico, al fine di rendere più comprensibile le dinamiche economiche dello stampaggio a iniezione:

^{* In questo esempio, i costi dell'attrezzatura non sono calcolati tra i costi di produzione, poiché il costo degli strumenti può essere distribuito tra più progetti. L'acquisto di una macchina per lo stampaggio a iniezione desktop e di una stampante 3D SLA consente alle aziende di avviare lo stampaggio a iniezione per meno di 10 000 $.}

I tre scenari offerti nella tabella mostrano i metodi e i tipi di stampo che determinano il costo per parte più basso a seconda del volume di produzione.

In generale, lo stampaggio a iniezione è più efficiente a volumi più elevati, perché i costi vengono distribuiti su migliaia di parti. Tuttavia, sebbene il costo per parte sia leggermente più alto nello stampaggio a iniezione per volumi ridotti, è comunque sostanzialmente più conveniente rispetto ad altri metodi di produzione.

La produzione di volumi medi è più vantaggiosa con stampi in alluminio lavorato che hanno un costo inferiore a quelli tradizionali in acciaio, ma sono sufficientemente resistenti da durare per qualche migliaio di iniezioni, a seconda di fattori quali il materiale e il design. Nella maggior parte dei casi, lo stampaggio a iniezione con volumi ridotti è praticabile solo se si utilizzano stampi realizzati in 3D. Nel nostro esempio, se dovessimo usare uno stampo in alluminio per produrre 100 parti, il costo sarebbe di 30 $ per ciascuna parte, mentre uno stampo tradizionale in acciaio porterebbe a un costo di 200 $ per parte.

I costi dell'attrezzatura per lo stampaggio a iniezione sono molto alti e dipendono da una serie di parametri e dalla complessità del design. Gli stampi a iniezione sono normalmente realizzati tramite lavorazione meccanica CNC a partire da alluminio o acciaio per utensili, sottoposti a elettroerosione per dare forma a una parte, oppure stampati in 3D. La parte realizzata tramite lavorazione meccanica o stampata in 3D viene poi rifinita per raggiungere le caratteristiche desiderate. Lo stampo finito include elementi quali le geometrie superficiali caratteristiche della parte, un sistema di canali che guida il flusso dei materiali iniettati, nonché canali di raffreddamento per fare in modo che lo stampo si raffreddi rapidamente.

È importante ricordare che la maggior parte del processo di stampaggio a iniezione è dedicato al raffreddamento. Quanto più velocemente uno stampo si raffredda, tanto più velocemente il materiale iniettato si solidificherà e prima si potrà ripetere il ciclo di produzione. Per questo motivo, i canali di raffreddamento hanno un ruolo fondamentale, soprattutto per la produzione con volumi elevati, e andrebbero inclusi durante la progettazione dello stampo. Nella produzione con volumi ridotti utilizzando stampi realizzati in 3D, invece, un'opzione è il raffreddamento manuale con aria compressa.

Altre variabili che influiscono sul processo di stampaggio a iniezione e sono direttamente correlate ai costi dello stampo includono: 

• Dimensione della parte: maggiori sono le dimensioni dell'oggetto o della parte da stampare, più grande dovrà essere lo stampo.

  Le parti più grandi necessitano di una maggiore quantità di materiale iniettato per completare i cicli di produzione. La progettazione di stampi di grandi dimensioni solitamente ha un costo maggiore rispetto alla produzione degli stessi design di dimensioni inferiori.

• Design della parte: i design di parti complesse con geometrie intricate necessitano di stampi complessi perché il progetto vada a buon fine.

  Solitamente gli stampi hanno due lati: A e B. Il lato A, noto anche come lato cosmetico, è quello visibile per l'utente. Deve essere liscio ed esteticamente gradevole. Il lato B, invece, include le strutture nascoste che rendono possibile l'utilizzo della parte. La struttura del lato B può presentare nervature, rilievi, ecc. e ha una finitura solitamente molto più grezza rispetto a quella del lato A. Gli stampi i cui lati presentano un design complesso sono generalmente più costosi da fabbricare rispetto a quelli più semplici. I design complessi che includono sottosquadri potrebbero anche richiedere parti laterali e nuclei scorrevoli, il che fa incrementare il costo dello stampo.

• Volume di produzione: il numero di articoli da produrre mediante stampaggio a iniezione determina la tecnologia di produzione e la qualità del materiale da utilizzare per creare lo stampo.

  I progetti con volumi ridotti si prestano all'utilizzo di stampi realizzati in 3D oppure in alluminio lavorato di qualità inferiore, mentre per volumi di produzione elevati saranno necessari stampi in acciaio di alta qualità o, in alcuni casi, anche più di uno stampo, in modo tale da gestire il processo evitando che l'usura comprometta la qualità degli articoli prodotti. Questo influisce sul costo dello stampo, ma è evidente che per i volumi elevati il costo maggiore verrà distribuito su più parti, il che normalmente corrisponde a un costo per parte inferiore.

• Volume della parte e della cavità: il volume della parte si riferisce alla dimensione della cavità di uno stampo.

  Maggiori sono le cavità o il volume totale delle cavità all'interno dello stampo, maggiore sarà il tempo necessario per la stampa. L'aumento del tempo di stampa rallenta il processo di produzione e porta quindi a un aumento dei costi. 

I calcolatori online dei costi dello stampaggio a iniezione o i preventivi dei fornitori di servizi possono essere un buon punto di riferimento e contribuire a stimare il costo dello stampaggio a iniezione di parti specifiche.

Tra i calcolatori dei costi dello stampaggio a iniezione a disposizione ci sono:

• CustomPart

• ICOMold

• 3D Hubs

• Protolabs

Anche le tabelle comparative per il costo dello stampaggio hanno uno scopo simile. I fornitori di servizi che si occupano di stampaggio a iniezione utilizzano tabelle di confronto dei costi per fornire ai potenziali clienti una stima approssimativa del processo. 

Il costo dello stampo è in gran parte definito dalla sua complessità e dal tempo necessario per produrlo. Consigliamo di rispettare i principi del design per la fabbricazione al fine di ridurre i costi delle parti realizzate mediante stampaggio a iniezione.

I costi di produzione dello stampo possono essere ridotti applicando le seguenti linee guida per la progettazione: 

• Valuta il modello CAD per determinarne la fattibilità prima di intraprendere un progetto di stampaggio a iniezione. Elimina potenziali elementi problematici quali angoli appuntiti, sottosquadri e altre geometrie complesse.

• Valuta il design del modello per eliminare gli elementi superflui. In questo modo si potranno ridurre le dimensioni dello stampo e il materiale utilizzato per sviluppare il modello. 

• Adotta un approccio che preveda l'inserimento di un nucleo nella cavità in modo da semplificare il design del lato B dello stampo. Questo approccio comporta l'inserimento delle cavità delle pareti all'interno della base dello stampo, il che riduce la necessità di angoli di sformo stretti e migliora la finitura superficiale.

• Utilizza parti ad accoppiamento automatico per ridurre la necessità di creare più stampi quando si può utilizzare un unico stampo universale per ottenere risultati simili. 

A causa dell'elevato costo delle attrezzature, lo stampaggio a iniezione è spesso considerato adatto solo ai processi di produzione di massa. Tuttavia sfruttare la stampa 3D per fabbricare stampi a iniezione permette di utilizzare questo processo per produrre parti ripetibili di alta qualità per la prototipazione e la produzione con volumi ridotti.

Utilizza stampi a iniezione realizzati in 3D con macchine da banco e industriali per produrre in modo efficiente e conveniente centinaia o migliaia di prototipi funzionali, nonché parti in grado di accelerare lo sviluppo del prodotto, ridurre i costi e i tempi di produzione e, in definitiva, portare sul mercato prodotti migliori.