Guida alla termoformatura

La plastica può avere dimensioni, tipologie, colori e caratteristiche differenti. Questa sua varietà la rende un materiale essenziale per i produttori interessati alla realizzazione di prototipi e parti per uso finale. La termoformatura è un processo di produzione che fornisce loro soluzioni versatili per la lavorazione dei fogli di plastica. 

In questa guida completa scoprirai i vari processi, materiali e attrezzature per la termoformatura, nonché i metodi di creazione degli stampi, tra i quali processi avanzati come la stampa 3D.

La termoformatura è un processo di produzione di plastica che consiste nel riscaldare un foglio di plastica e conferirgli una forma specifica grazie a degli stampi. La plastica sagomata viene in seguito raffreddata e rifilata fino a ottenere la parte finita. Il processo viene eseguito usando una macchina per la termoformatura che serve a riscaldare e stirare un foglio di materiale termoplastico duttile al di sopra dello stampo. Le macchine per la termoformatura moderne sono generalmente progettate per gestire il processo di rifilatura e taglio. In quelle convenzionali, invece, le stesse operazioni possono essere svolte esternamente.

Le termoplastiche sono i materiali utilizzati per la termoformatura. Queste includono ABS (acrilonitrile-butadiene-stirene), polistirene, policarbonato, PETG (polietilene tereftalato glicole), ecc. La scelta del materiale dipende dal progetto di produzione e dalle caratteristiche richieste dell'articolo che si desidera produrre. 

La termoformatura viene utilizzata nella produzione di imballaggi per prodotti agricoli, articoli farmaceutici, beni di consumo, elettrodomestici e altro. Tuttavia, può anche essere usata per la produzione di parti per uso finale resistenti, come componenti di velivoli, attrezzature per la manipolazione dei materiali, interni di automobili e attrezzature mediche.

Rispetto ad altri processi di produzione convenzionali, la termoformatura consente di produrre imballaggi in volumi sia ridotti che elevati, a costi accessibili. Un altro grande vantaggio della termoformatura è la possibilità di utilizzare quasi tutti i tipi di termoplastiche per produrre articoli per uso finale di alta qualità e in modo rapido. 

Vi sono però anche degli svantaggi, tra cui l'impossibilità di produrre design con pareti sottili, lo spessore non omogeneo e la limitata versatilità nella produzione di parti con geometrie complesse. Consultando questa guida, i produttori interessati alla termoformatura possono scoprire come impiegare al meglio questa tecnica, in modo tale da limitarne gli svantaggi e migliorare la produttività, riducendo al contempo i costi.

La termoformatura è un processo di produzione universale che raggruppa tutti i modi utilizzati dai produttori per dare forma a fogli di plastica riscaldati. Sia i produttori scelgono il processo di formatura sottovuoto, sia quelli che utilizzano la formatura a pressione, stanno ricorrendo a processi di termoformatura.

Sebbene esista un'ampia gamma di processi, le tecniche di termoformatura più popolari sono le seguenti: 

1. Formatura sottovuoto: questo processo di termoformatura utilizza un ambiente sottovuoto per dare forma al foglio. Innanzitutto, il foglio di plastica viene riscaldato per garantirne la flessibilità. In seguito, la macchina per la formatura sottovuoto rimuove l'aria, spingendo il foglio contro uno stampo. La formatura sottovuoto è nota per la sua convenienza e per la rapidità del processo di produzione. 

2. Formatura a pressione: il processo di formatura a pressione prevede anch'esso il riscaldamento del foglio di plastica e l'utilizzo di un ambiente sottovuoto per rimuovere l'aria e spingere il foglio contro uno stampo. Ma in questo caso c'è un passaggio in più. Una volta rimossa l'aria, un apposito strumento applica una pressione per garantire che la plastica sagomata mantenga la sua forma finale. La formatura a pressione viene utilizzata quando il processo di termoformatura richiede livelli di dettaglio più elevati.

3. Formatura meccanica: questo processo prevede l'uso di una forza meccanica diretta per sagomare un foglio di plastica preriscaldato. Un punzone comprime un foglio duttile in uno spazio tra il punzone e lo stampo, imprimendo così le caratteristiche superficiali sul foglio di plastica. Si usa la termoformatura meccanica quando sono necessari alti livelli di precisione e dettaglio. 

4. Formatura a drappeggio: nella formatura a drappeggio, un foglio di plastica riscaldato viene posizionato su un mandrino caratterizzato da una struttura specifica. La struttura del mandrino viene quindi pressata sul foglio di plastica per dare forma alla parte finita. Il processo di formatura a drappeggio è una delle tecniche di termoformatura più convenienti perché è richiesto un numero limitato di attrezzature. Inoltre, poiché lo spessore del materiale può essere mantenuto, le parti non contengono punti deboli derivanti dal processo. 

5. Formatura a stampi accoppiati: questo processo di termoformatura viene applicato nella produzione di articoli che richiedono un livello di precisione più alto. Il processo di formatura a stampi accoppiati prevede l'uso di uno stampo maschio e di uno stampo femmina per sagomare il foglio di plastica riscaldato. La macchina per la formatura applica una forza sufficiente a unire tra loro gli stampi, serrandoli con in mezzo il foglio di plastica. Di conseguenza, il foglio all'interno dei due stampi ne assume la forma e le caratteristiche.

6. Formatura a foglio doppio: questo processo prevede la formatura di due strati che vengono immediatamente combinati per creare un solo articolo. I fogli di plastica vengono riscaldati simultaneamente, sagomati e uniti tra loro per produrre un solo articolo. Il processo di formatura a foglio doppio è utilizzato soprattutto per produrre articoli cavi o con doppie pareti. 

7. Formatura con stampo negativo: si tratta di una tecnica di termoformatura a forma libera in cui non si usano stampi per dare forma alla plastica riscaldata. In questo caso, la macchina per la formatura utilizza getti d'aria per gonfiare la plastica in una forma a bolla fino a ottenere il design finale.

La termoformatura viene impiegata per la produzione di imballaggi per alimenti, componenti di velivoli, giocattoli, pallet e altri articoli in plastica. Per questo motivo è necessario che i produttori passino in rassegna una vasta gamma di materiali plastici prima di iniziare il ciclo di produzione. Le plastiche più utilizzate per la termoformatura sono: 

1. Polipropilene (PP): il PP è il materiale plastico più popolare per la termoformatura in termini di convenienza e volumi. Viene utilizzato generalmente nella produzione di imballaggi per alimenti, ventilatori, giocattoli e altri articoli in plastica. Il polipropilene viene scelto per via delle sue eccellenti proprietà intrinseche di resistenza agli agenti chimici, alle sollecitazioni e al calore. Inoltre, è un materiale conveniente che può essere usato con i vari processi di termoformatura presentati. 

2. Polistirene (PS): è un polimero idrocarburico aromatico ideale per i produttori che cercano una plastica trasparente, rigida e fragile. È ampiamente usato come materiale di imballaggio termoformato poiché offre qualità come resistenza all'acqua e all'aria. I produttori usano il polistirene per produrre imballaggi per alimenti, cofanetti per gioielli, custodie di CD e articoli di uso domestico. 

3. Polietilene tereftalato (PET): il PET fornisce ottime proprietà di barriera contro alcol e oli essenziali, una buona resistenza agli agenti chimici, un alto grado di resistenza agli urti e un carico di rottura elevato. Viene generalmente utilizzato per bottiglie di bevande gassate e acqua, nonché per molti altri prodotti alimentari.

4. Polietilene a bassa densità (LDPE): l'LDPE è una termoplastica resistente agli agenti chimici e ai raggi UV. È inoltre una plastica flessibile, con un carico di rottura elevato. I produttori possono utilizzarla per produrre pellicole di imballaggio, DVD, isolanti per cavi, contenitori e articoli resistenti agli agenti chimici. 

5. Polietilene ad alta densità (HDPE): l'HDPE ha caratteristiche di base simili a quelle dell'LDPE ed è resistente agli agenti chimici, ai raggi UV e all'acqua. È una termoplastica resistente che può essere usata per produrre film di imballaggio, bottiglie soffiate, contenitori, tubi e sacchetti di plastica. 

6. Cloruro di polivinile (PVC): il PVC è un'altra plastica comunemente impiegata nella produzione di tubi, intelaiature per finestre, interni di automobili, articoli di uso domestico, imballaggi e calzature. Può essere sviluppato con struttura rigida o flessibile a seconda delle esigenze del produttore. Inoltre, è una termoplastica densa, resistente e idrorepellente. È importante sottolineare che il PVC non è del tutto resistente agli agenti chimici e potrebbe reagire con il cloro.

7. Policarbonato (PC): i policarbonati sono materiali forti e robusti che possono subire ​​notevoli deformazioni plastiche senza incrinarsi o rompersi. Resistono alle alte temperature, sono ignifughi e hanno buone proprietà di isolamento elettrico. Inoltre, alcuni gradi di PC sono otticamente trasparenti e altamente trasparenti alla luce visibile. I PC sono utilizzati per lenti in plastica di occhiali, dispositivi medici, componenti e fanali di autoveicoli, dispositivi di protezione (lenti, caschi di sicurezza), vetri antiproiettile e persino nell'edilizia.

8. Acetato di cellulosa: i produttori che desiderano materiali termoplastici ecologici possono scegliere l'acetato di cellulosa. Si tratta di una termoplastica proveniente da risorse rinnovabili come la polpa di legno lavorata. L'acetato di cellulosa è generalmente incolore e trasparente. È utilizzato per produrre articoli di uso domestico, pellicole di imballaggio, montature di occhiali e blister per pillole. 

9. Polimetilmetacrilato (PMMA): le proprietà del PMMA includono alta resistenza, trasparenza e resistenza agli agenti climatici. I produttori utilizzano il PMMA per produrre lenti, fanali per veicoli e imballaggi trasparenti. La resistenza del PMMA garantisce che le parti per uso finale abbiano una lunga durata. 

10. Acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS): le caratteristiche dell'ABS includono rigidità, resistenza all'abrasione e resistenza alle basse temperature. I produttori possono adottare la termoformatura e l'ABS per produrre imballaggi per dispositivi elettronici, contenitori per alimenti ed elettrodomestici. 

Altri materiali adatti includono politetrafluoroetilene (PTFE), poliammide e polietilene tereftalato (PET). La scelta del materiale dipende dalla tecnica di termoformatura che si intende adottare e dai requisiti del progetto. La seguente tabella delle applicazioni aiuta a compiere la scelta migliore per ogni progetto. 

La differenza dimensionale tra i fogli di plastica usati nella termoformatura consente di distinguere tra la termoformatura di calibro sottile e di calibro pesante. L'attrezzatura per la termoformatura di calibro sottile impiega fogli sottili provenienti da bobine di plastica. La termoformatura di calibro pesante (o spesso) impiega invece fogli di plastica spessi. Le variazioni di spessore hanno un ruolo cruciale quando si tratta di scegliere l'attrezzatura per la termoformatura. 

Ad esempio, i produttori di bicchieri di plastica e imballaggi per alimenti optano per la termoformatura di calibro sottile, che è più adatta a produrre articoli sottili. Al contrario, la produzione di pallet e contenitori richiede la termoformatura di calibro pesante e attrezzature di supporto appropriate. L'attrezzatura per la termoformatura di calibro pesante è progettata per la produzione in volumi da ridotti a medi, mentre quella per la termoformatura di calibro sottile è destinata alla produzione in grandi volumi. 

di seguito riportiamo una panoramica delle differenze tra la termoformatura di calibro pesante e di calibro sottile:

Ogni processo di termoformatura richiede attrezzature specializzate adeguate. Ad esempio, per la formatura sottovuoto, la formatura a pressione, la formatura a foglio doppio o la formatura a drappeggio, sono necessari macchinari diversi tra loro.

L'attrezzatura per la termoformatura può essere ulteriormente suddivisa in categorie definite dai relativi casi d'uso. Queste categorie sono: attrezzatura per termoformatura da banco, industriale e fai-da-te. Le aziende produttrici e gli appassionati possono scegliere tra queste opzioni a seconda dell'applicazione. 

Per scegliere l'attrezzatura per la termoformatura corretta, occorre considerare le seguenti specifiche di prodotto: 

• Area di formatura: si riferisce allo spazio di lavoro nel quale viene formato il modello o il design della plastica. All'interno dell'area di formatura si trovano gli stampi, il punzone o il meccanismo che conferiscono al foglio di plastica preriscaldato le caratteristiche desiderate.

• Profondità di imbutitura: la profondità o rapporto di imbutitura è fondamentale per comprendere il processo di termoformatura. Il rapporto di imbutitura permette ai produttori di decidere quale calibro della plastica è richiesto per ciascun progetto di termoformatura. Conoscere la profondità di imbutitura dell'attrezzatura, invece, permette di determinare lo spessore della parte in plastica e la superficie occupata dal foglio di plastica durante il processo di termoformatura. 

• Dimensioni della macchina: le dimensioni dell'attrezzatura per la termoformatura determinano le dimensioni dei componenti o delle parti in plastica che l'attrezzatura scelta sarà in grado di produrre. L'attrezzatura desktop per termoformatura è compatta, di conseguenza le dimensioni di formatura saranno limitate. Le soluzioni industriali sono invece molto più grandi. 

• Forza di serraggio: alcune attrezzature per la termoformatura, ad esempio i macchinari per la formatura a pressione, a foglio doppio e a stampi accoppiati, serrano il foglio di plastica per formare la parte finita. La forza di serraggio è un fattore importante perché aiuta a determinare il tipo di materiale che può essere impiegato. 

• Possibilità di sostituire i componenti: la valutazione della possibilità di sostituire determinati componenti di una macchina per la termoformatura può aiutare i produttori a determinare la velocità con la quale la strumentazione può essere modificata. Più rapidamente può essere svolta questa operazione, più aumenteranno l'efficienza e la convenienza dell'attrezzatura in ambito produttivo. 

Una volta stabilite le caratteristiche, i produttori possono scegliere una macchina per la termoformatura tra le seguenti categorie: 

• Attrezzatura industriale per la termoformatura: si tratta di macchine di grandi dimensioni costruite per la produzione in volumi medio-grandi. Gli apparecchi industriali per la formatura sottovuoto sono compatibili con una gamma più ampia di materiali e spessore dei fogli, offrono una maggiore profondità di imbutitura e hanno forze di vuoto o pressione maggiori. Questo permettono di formare parti con dettagli complessi e intricati, con una qualità simile a quella tipica dello stampaggio a iniezione. Esempi di attrezzature industriali per la termoformatura includono le macchine per la formatura sottovuoto GN, Ridat, Formech e Belovac. Il costo dell'attrezzatura industriale per la termoformatura parte da circa 10 000 dollari, ma può andare ben oltre questa cifra. 

• Attrezzatura desktop per la termoformatura: le termoformatrici desktop sono caratterizzate da dimensioni ridotte e scelta di materiali limitata. Inoltre esercitano forze inferiori. Produttori, sviluppatori di prodotto e hobbisti utilizzano l'attrezzatura desktop per la termoformatura per la prototipazione, la creazione di parti personalizzate e la produzione con volumi ridotti. Il costo delle attrezzature parte da meno di 1000 dollari, con un'ampia gamma di opzioni disponibili a meno di 10 000 dollari. Alcuni esempi sono Formech, Mayku e Smartform.

• Attrezzatura fai-da-te per la termoformatura: gli appassionati che vogliono sperimentare la termoformatura possono scegliere di produrre autonomamente le proprie attrezzature per la produzione con volumi ridotti. Generalmente, questo approccio è più economico rispetto all'acquisto di apparecchiature tradizionali, ma è più impegnativo e richiede un certo livello di esperienza. 

Le tecniche di termoformatura più comuni impiegano stampi testurizzati per formare i fogli di plastica e ottenere le parti finite. Tra queste vi sono la formatura sottovuoto, la formatura a pressione, la formatura a stampi accoppiati, la formatura meccanica e la formatura a foglio doppio. 

Gli stampi necessari nel processo di termoformatura possono essere realizzati usando vari processi di produzione, tra cui la scultura manuale di legno, la lavorazione meccanica CNC di diversi materiali (plastica, schiuma strutturale, fibra di vetro, compositi ingegneristici o metalli), stampa 3D di polimeri o colata di gesso o metallo.

Il design dello stampo e il processo più corretto per produrlo dipendono dal design delle parti e dai seguenti fattori:

• Volume di produzione: gli stampi in legno, gesso, compositi e plastica stampata in 3D sono generalmente i più economici per le parti personalizzate, i prototipi e la produzione con volumi ridotti. Gli stampi in polimeri e compositi stampati in 3D, lavorati a macchina o colati sono invece ideali per lotti di medie dimensioni. Per la produzione di grandi volumi, gli stampi metallici sono i più diffusi perché hanno migliori conduttività termica e stabilità. Queste caratteristiche consentono un migliore controllo della temperatura superficiale dello stampo, una maggiore uniformità tra le parti, nonché tempi di ciclo ridotti e migliore resistenza.

• Design delle parti: gli stampi artigianali in legno possono essere ideali per gli stampi semplici, ma la colata e gli strumenti digitali come la lavorazione a macchina o la stampa 3D sono più adatti per le parti con geometrie complesse che richiedono precisione e accuratezza.

• Temperatura di termoformatura: a seconda del materiale termoformato, lo stampo potrebbe richiedere una maggiore resistenza termica. L'inserimento di canali di raffreddamento nello stampo può migliorare le velocità di raffreddamento e l'uniformità, nonché ridurre i tempi di ciclo.

• Forze di termoformatura: gli strumenti devono essere sufficientemente resistenti da sopportare le forze di formatura coinvolte nel processo, come forze di vuoto, pressioni o azioni meccaniche. La loro intensità dipenderà dal tipo di materiale, dal calibro del foglio e dai requisiti di qualità delle parti, come la finitura superficiale e il livello di dettagli.

• Caratteristiche di design dello stampo: lo stampo dovrebbe includere caratteristiche essenziali come fori di ventilazione per permettere la circolazione dell'aria durante il processo di formatura e angoli di sformo per agevolare la rimozione delle parti dallo stampo.

• Finitura superficiale dello stampo: quando si producono gli strumenti, è necessario considerare i requisiti di qualità delle parti, come la finitura superficiale, il livello di dettagli, la precisione dimensionale e la stabilità.

I metodi tradizionali per la produzione di stampi sono spesso costosi, impegnativi e comportano lunghi tempi di realizzazione, il che può limitare l'efficienza dei processi di termoformatura. 

Molte aziende ricorrono alla stampa 3D stereolitografica (SLA) per produrre stampi per la termoformatura, seguendo un procedimento che spesso viene definito creazione rapida di attrezzature, in quanto permette di ridurre i tempi di produzione e i costi, soprattutto per lotti di piccole dimensioni, parti personalizzate e progettazione di prototipi. Inoltre, la stampa 3D garantisce una libertà di progettazione senza paragoni per creare stampi dal design complesso. Usa la stampante SLA desktop Form 3+ per produrre stampi di piccole e medie dimensioni e la stampante SLA di formato grande Form 3L per stampi fino a 33,5 × 20 × 30 cm.

I vantaggi della stampa 3D nello sviluppo di stampi per la termoformatura includono: 

• Velocità: in genere le stampanti 3D sono in grado di creare stampi per la termoformatura di piccole e medie dimensioni in meno di 24 ore.

• Convenienza economica: la stampa 3D consente ai produttori di ridurre i costi per la produzione degli stampi, aumentando vertiginosamente la convenienza della termoformatura per i lotti di piccole dimensioni e le parti personalizzate.

• Design di stampi complessi: la stampa 3D elimina i problemi legati allo sviluppo di stampi con geometrie complesse tipici dei processi di produzione tradizionali. Ad esempio, la stampa 3D consente di includere caratteristiche di design difficili da realizzare con la lavorazione meccanica. Inoltre, il processo di formatura può essere migliorato aggiungendo un maggior numero di sfiati per una migliore imbutitura o pressione. I produttori possono anche implementare la stampa 3D per sviluppare stampi complessi per processi di termoformatura come quelli a foglio doppio e a stampi accoppiati. 

• Prototipazione rapida degli stampi: la stampa 3D permette ai produttori di iterare e testare diversi design per gli stampi in modo rapido ed economico. Gli stampi realizzati in 3D possono quindi essere usati direttamente nella produzione di parti personalizzate e con volumi ridotti, ad esempio per la pre-produzione, finché non viene prodotto lo stampo finale.

• Più opzioni per i materiali: la stampa 3D consente di utilizzare un'ampia gamma di materiali e questo permette ai produttori di testare stampi con diverse caratteristiche in termini di costo, qualità, resistenza termica e durevolezza.

• Finitura superficiale: le tecnologie di stampa 3D SLA e a resina consentono di ottenere una finitura superficiale liscia e un livello di dettaglio elevato.

• Facilità di utilizzo: le stampanti 3D SLA desktop e da banco possono essere facilmente integrate in qualsiasi workflow di termoformatura, in quanto sono semplici da implementare, usare e mantenere. Inoltre, permettono di risparmiare il tempo solitamente utilizzato per la lavorazione CNC, dando modo alla manodopera specializzata di dedicarsi a compiti ad alto valore aggiunto.

Per realizzare prototipi in termoplastica, Glassboard, un'azienda che si occupa di sviluppo di prodotti, sfrutta la velocità di stampa della Draft Resin per produrre in modo rapido stampi per la termoformatura di prototipi in policarbonato come calotte per caschi o imballaggi. In questo modo, l'azienda è in grado di ottenere stampi di forma complessa con caratteristiche che sarebbero altrimenti difficili da realizzare con metodi tradizionali, ad esempio dettagli di piccole dimensioni e fori per la distribuzione ottimale del vuoto su tutta la superficie.

In passato, l'azienda produttrice di cosmetici Lush realizzava a mano gli stampi originali per i suoi famosissimi prodotti. Ora invece sfruttano la stampa 3D per creare stampi per la formatura sottovuoto con design complessi e particolareggiati. Ciò consente loro di trasformare le loro idee in realtà in meno di 24 ore e di testare migliaia di idee di design ogni anno. 

Gli stampi realizzati in 3D per la termoformatura sono ideali anche per produrre parti per uso finale personalizzate a basso costo. Ad esempio, la formatura sottovuoto e la formatura a pressione applicate a modelli stampati in 3D sono i metodi più utilizzati per produrre allineatori trasparenti nel campo dell'ortodonzia.

La formatura sottovuoto e la formatura a pressione applicate a modelli stampati in 3D sono i metodi più gettonati per produrre allineatori trasparenti nel campo dell'ortodonzia.

L'integrazione della stampa 3D ha trasformato i workflow di produzione tradizionale presentati sopra, velocizzando il processo di termoformatura. Il workflow con la stampa 3D include le seguenti fasi: 

1. Progettazione dello stampo con un'applicazione CAD.

2. Scelta della resina più adatta all'interno del nostro ampio catalogo di materiali e stampa 3D della parte con una stampante 3D SLA Formlabs.

3. Inserimento dello stampo realizzato in 3D nell'attrezzatura per la termoformatura e avvio del processo di produzione.

4. Rimozione della parte ed esecuzione di eventuali fasi di post-elaborazione necessarie per preparare l'articolo all'uso.

La combinazione di stampi realizzati in 3D e termoformatura consente di ottimizzare il processo di produzione, migliorandolo in termini di flessibilità, agilità, adattabilità e convenienza. Testa il design e i materiali scelti prima di passare alla produzione di massa e produci parti per uso finale personalizzate o in serie limitate grazie alla termoformatura e agli stampi 3D.

Scarica il nostro whitepaper per scoprire di più su linee guida di progettazione, workflow dettagliati, condizioni del processo di formatura e casi di studio reali con stampi per termoformatura realizzati in 3D.