ITMO20090026A1

ITMO20090026A1 - Elemento riscaldante innovativo, in particolare per stampi e camere calde di apparecchiature di stampaggio ad iniezione di materie plastiche in spessori sottili

Info

Publication number: ITMO20090026A1
Application number: IT000026A
Authority: IT
Inventors: Gianfranco Cirri; Maria Prudenziati
Original assignee: Maria Prudenziati
Priority date: 2009-02-04
Filing date: 2009-02-04
Publication date: 2010-08-05

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:

“Elemento riscaldante innovativo, in particolare per stampi e camere calde di apparecchiature di stampaggio ad iniezione di materie plastiche in spessori sottili”

STATO DELL’ARTE

Come esplicitato nel titolo, la presente invenzione si riferisce in generale al riscaldamento di strutture realizzate con la tecnologia dell’accrescimento progressivo layer-by-layer sia con laser che con radiazione ultravioletta (UV) e più in particolare riguarda apparecchiature di stampaggio ad iniezione di materie plastiche in spessori sottili ove stampi e camere calde esigono un particolare condizionamento termico. Come è infatti noto, per evitare il blocco della iniezione per raffreddamento precoce dello spessore sottile della plastica occorre tenere parti dello stampo ad una determinata temperatura che mantenga una sufficiente scorrevolezza della plastica, per poi raffreddare lo stampo rapidamente onde mantenere adeguati ritmi produttivi.

Mentre diversi possono essere le metodiche di raffreddamento, ovvero dalla circolazione di acqua fredda fino alla circolazione di elio liquido, la tecnologia Atmospheric Plasma Spray (APS) da noi proposta è oggi la migliore deputata a raggiungere nel più breve tempo la temperatura necessaria : v. M.Prudenziati , G. Cirri, P. Dal Bo “Novel high-temperature reliable heaters in plasma spray technology” J. Thermal Spray Technol. 15 (3) (2006) 329-331), M. Prudenziati .“Development and the implementation of high-temperature reliable heaters in plasma spray technology” J.Thermal Spray Technol. 17 (2008) 234-243, che hanno fatto seguito ai brevetti e domande di brevetto in seguito citate.

Se infatti il circuito di riscaldamento venisse eseguito con le tecniche tradizionali come le resistenze corazzate, a film spesso, etc., queste si porterebbero dietro tutti i loro ben noti svantaggi/ difetti intrinseci fra i quali fondamentali quelli di scarsa conducibilità termica e sensibile inerzia se raffrontate a quelle ottenibili con riscaldatori realizzati secondo la tecnologia chimica/APS descritta nel brevetto USA e Europeo sotto elencati.

Consolidamento di materiali realizzati layer-by-layer può essere ottenuto da una molteplicità di metodi in cui una opportuna sorgente del solido finale viene trasformata chimicamente e fisicamente mediante energia radiante, termica o elettrica. Fra questi metodi che includono deposizioni MBE (Molecular Beam Epitaxy), CVD (Chemical vapour deposition), ecc., la sinterizzazione laser selettiva di una polvere si presenta come una variante di indubbio vantaggio quando si intende realizzare strutture, anche metalliche, con stretto controllo non solo delle dimensioni verticali (di spessore) ma anche di quelle laterali (larghezza e lunghezza) senza dover ricorrere a processi che richiedono maschere, foto-impressioni, attacchi chimici o plasma. Infatti la polvere di partenza (o anche un altro precursore del solido finale, deposto da un liquido, un gel, una pasta, una miscela di polveri, ecc.) riceve la energia necessaria per la trasformazione richiesta (ad esempio reticolazione, evaporazione, reazione chimica, sinterizzazione) solo nelle aree o posizioni sulle quali incide il fascio laser di energia sufficiente ad attivare il processo desiderato. Il brevetto US 6,531,191 B1 si basa su questi concetti e propone un metodo di produzione di una struttura sinterizzata su substrato partendo da una dispersione in liquido di particelle di vetro, ceramica o composto metallico sotto forma di soluzione sol-gel o sol colloidale. Ma l’uso di radiazione laser per il consolidamento di sostanze deposte layer-by-layer per realizzare strutture tridimensionali è stato inventato e proposto in tempi precedenti, esempi di miglioramenti della tecnologia sono illustrati nei brevetti US 5,260,009, US 6,175,422, 7,004,222, WO 2004.01834 A1.

Pertanto, la sinterizzazione selettiva laser o tramite UV è attualmente una tecnologia ben nota e consolidata per la realizzazione di strutture tridimensionali, partendo da polveri del materiale di interesse, strutture di cui sia disponibile il modello tridimensionale, ad es. un modello progettato mediante CAD (Computer Aided Design) o altro software, per la realizzazione rapida di manufatti e prototipi (fig.4, 5 e 6) .

La procedura consiste essenzialmente nei seguenti passi di processo:

a) dai dati della struttura 3D si ricava una sequenza di piani orizzontali che descrivono la medesima struttura a quote sequenziali e i dati vengono salvati in un file; questi dati vengono poi inviati come segnali di controllo all’apparato di sinterizzazione (irraggiamento).

b) Si disperde omogeneamente sul piano di crescita la polvere o la miscela di polveri di opportune dimensioni (tipicamente 100-50 mesh) per formare un singolo strato,

c) Il fascio laser (usualmente un laser a CO2) scansiona le regioni selezionate da sinterizzare sulla superficie dello strato di polvere (sotto condizioni specifiche di dimensioni del fascio, velocità di scansione, potenza del fascio, ecc.) e definite dai dati del file relativi al primo piano.

d) Si ripete la procedura da b) a c) tante volte quanto necessario a sinterizzare e realizzare progressivamente l’intera struttura tridimensionale voluta.

La tecnica di sinterizzazione laser selettiva (talvolta denominata prototipizzazione rapida laser, UV, etc.) è stata e viene impiegata per una varietà di settori applicativi fra i quali il biomedicale (ad es. protesi ossee, dentali), metallurgiche (ad es. costruzione di crogioli o stampi o semplicemente prototipi di crogioli), iniezione delle plastiche (stampi di forme complesse); altrettanto varia è la tipologia dei materiali: nanopolveri ceramiche (ad es. Al2O3, idrossi-apatite, compositi silice-allumina), polveri di metalli o compositi (ad es. acciai inox, titanio), polimeri (nylon, polietilene, ecc.)

La costruzione del modello o del componente funzionale trae vantaggio dal fatto che forme complesse, anche contenenti cavità di forma programmata, reti di canali, ecc., possono essere ottenute direttamente dalla metodica di solidificare e compattare le polveri strato su strato senza interruzione del processo.

Procedura analoga viene seguita per sinterizzazione progressiva dì polveri plastiche tramite radiazione UV per la realizzazione rapida di manufatti prototipi di una successiva produzione commerciale di largo consumo, quali ad es. scarpe, scarponi da neve. etc. (fig.6)

Più recente è la proposta di utilizzare l’irraggiamento laser per realizzare anche componenti elettrici funzionali partendo dalle composizioni di paste o inchiostri note e comuni nella realizzazione di circuiti a film spesso. La domanda di brevetto US 2007/0105395 A1 propone infatti un metodo per funzionalizzare e definire la configurazione dei componenti e circuiti con radiazione laser.

D’altra parte è pure nota la possibilità di realizzare mediante tecnologie APS , Cold-Spray e Chimiche, piastre ed elementi di riscaldamento nonché sensori, vedi brevetto e domande di brevetto incorporate qui per riferimento ed anticipazione :

US 7,322,099 - TO2004A000253 - MO2006A000314 - WO

2008041122 A2- MO2006A000336 - MO2006A000413 -MO2007A000135 - MO2007A000250 - MO2007A000253 oltre alle domande di brevetto MO2006A000313 e PCT Int. Appl . WO 2008041121 A2

Naturalmente, come decritto nei documenti citati, il circuito ohmico di riscaldamento sopra descritto od ogni altro circuito elettromagnetico può essere ottenuto con varie tecnologie e loro combinazioni come APS, HVOF (High Velocity Oxy Fuel), Cold spray, deposito chimico (electroless), galvanico, ecc.

Vantaggio fondamentale della presente invenzione consiste soprattutto nel fatto che può essere appunto scelta fra i brevetti sopracitati ed applicata nel modo più semplice ed ergonomico la tecnologia più efficace ed economica alla realizzazione di circuiti elettromagnetici e/o sensori, nella zona desiderata, all’interno della struttura meccanica in corso di accrescimento per sinterizzazione laser progressiva.

Nella presente invenzione queste caratteristiche note della tecnologia di sinterizzazione selettiva laser nonché le tecnologie chimiche, APS e Cold–Spray vengono opportunamente modificate, migliorate, semplificate per poter realizzare strutture innovative anche complesse in cui circuiti elettromagnetici ed eventuali sensori, attuatori, riscaldatori o dispositivi diversi, realizzati a parte su apposito supporto, vengono posizionati e inglobati entro queste strutture in fase di accrescimento progressivo, sia meccaniche come stampi (fig.1), camere calde, cremagliere (fig.4), ecc., che estetiche, come scarpe, scarponi da sci, etc., fig. 5 e 6. L’energia elettrica necessaria al loro funzionamento sarà fornita tramite collegamenti elettrici diretti sia anche per trasmissione per induzione, ecc. come nel caso di oggetti in plastica (fig.5 e 6).

In altre parole, invece di realizzare componenti e circuito elettromagnetico direttamente con radiazione laser in corso d’opera, come in US 2007-0105395, metodo a nostro avviso assai problematico, la nostra invenzione prevede di realizzare il circuito desiderato su apposito supporto, collaudarlo, alloggiarlo nella apposita cavità predisposta nella struttura in fase di accrescimento progressivo per sinterizzazione laser e continuare appunto l’accrescimento progressivo anche sul supporto recante il circuito programmato, predisposto appunto per ricevere la sinterizzazione laser e stabilire così un perfetto accoppiamento termico e meccanico tra struttura da scaldare ed elemento di riscaldamento (fig.1).

DESCRIZIONE

La presente invenzione, continuazione dei nostri sopracitati brevetti e domande di brevetto, risolve in maniera semplice il problema di poter disporre all’interno di una struttura, anche complessa quale è possibile ottenere con la tecnologia di sinterizzazione selettiva laser, di circuiti elettrici ad es. di riscaldamento o raffred-damento (Peltier) o di sistemi di sensori per il rilevamento di stress, deformazioni, temperatura, e altre grandezze fisiche.

L’invenzione si riferisce in particolare alle apparecchiature di stampaggio ad iniezione di materie plastiche in spessori sottili, e riguarda in particolare un innovativo sistema di integrazione dell’elemento riscaldante realizzato su piastra (fig. 1), caratterizzato da processi innovativi migliorativi ed più economici dei processi indicati nel brevetto US 7,322,099 e domande di brevetto TO2004A000253, PCT Int. Appl. WO 2008041122 A2, da una specifica connessione elettrica per funzionamento fino a 600<o>C e da un processo innovativo di connessione termica e meccanica della piastra alle camere calde o agli stampi od altro, mediante la tecnologia di sinterizzazione laser progressiva.

Dai documenti US 7,322,099, TO2004A000253 e PCT Int. Appl. WO 2008041122 A2 sono noti procedimenti per la realizzazione di elementi riscaldanti per apparecchiature di stampaggio ad iniezione, comprendenti un corpo di materiale termicamente conduttore avente una superficie con uno strato di base di materiale elettricamente isolante e termicamente conduttivo e almeno un resistore elettrico riscaldante formato da una pista di materiale elettricamente conduttore applicata sullo strato di base mediante tecniche di spruzzatura (Atmospheric Plasma Spray, High Velocity Oxy Fuel, Focused Cold Spray, meglio descritti nelle domande di brevetto MO2006A000314 e PCT Int. Appl. WO 2008041122 A2) e previsto per essere applicato a mezzo viti in particolare su camere calde.

Queste piastre di riscaldamento, previste come detto per essere applicate su camere calde, venivano completate da un ricoprimento isolante di Al2O3-APS, da uno strato di vetrina sigillante antismog, ottima base per un flash antiemissivo di Au, Ni ecc.

L’elemento riscaldante rapido della presente invenzione invece è previsto per essere alloggiato e inglobato intimamente dentro la struttura ad es. di uno stampo, camera calda o altro, realizzato in tecnologia di sinterizzazione progressiva laser.

Lo scopo della presente invenzione è pertanto quello di realizzare un elemento riscaldante rapido del tipo sopra definito in cui il resistore riscaldante, capace di funzionamento fino a 600<o>C e di andare molto rapidamente a temperatura, sia dotato di mezzi di connessione elettrica particolarmente semplici e funzionali e predisposto per essere intimamente accoppiato, mediante tecnologia di sinterizzazione laser, al pezzo da scaldare rapidamente.

Tutto questo viene ottenuto con la realizzazione di tre idee innovative:

1) Connessioni elettriche semplici e affidabili,

2) metodiche tecnologiche innovative per la realizzazione del circuito riscaldante sul supporto (APS o chimiche, etc.),

3) Trattamento finale dell’elemento riscaldante tale da predisporlo al successivo accoppiamento strutturale alla struttura da riscaldare.

La figura 1 rappresenta un esempio di stampo per iniezione di materie plastiche in spessori sottili comprendente due riscaldatori rapidi (1) realizzati con l’applicazione delle suddette idee innovative e un riscaldatore (1) pronto per essere inserito nell’apposito alloggiamento predisposto (7) nello stampo (4) e (6) in fase di accrescimento (8) per sinterizzazione laser. Analogamente verrà fatto per la parte mobile dello stampo (5).

Nella figura1 è anche riportato uno schema base (1) di piastra del blocco di riscaldamento.

Nella figura 2 viene rappresentata in dettaglio la realizzazione del riscaldatore e relative connessioni elettriche.

Le connessioni elettriche vengono realizzate laminando (17) la terminazione del cavo elettrico in filo di Cu o di Ni allo spessore di 0,05 mm per la larghezza e lunghezza dipendenti dalle dimensioni predisposte per le piazzole di contatto della resistenza di riscaldamento e quindi dalla potenza elettrica da fornire. Queste nuove terminazioni potranno presentare dei fori (17) che ne migliorano il contatto con la piazzola con l’inglobamento (16) appunto alle piazzole mediante spruzzatura APS di Nickel, soprattutto nel caso di elevate densità di corrente.

Se invece il cavetto elettrico è a treccia basta aprire a ventaglio i trefoli, disporli sulla piazzole e procedere all’inglobamento.

La realizzazione del circuito di riscaldamento su piastra in acciaio viene effettuata trattando detta piastra (9) con procedimento chimico (proprietary) che permette di avere spessori di Ni di 10-20 µm caratterizzati da una superficie (10) con rugosità tale da permettere l’adesione del successivo strato (11) di Al2O3–APS di circa100 µm di spessore, senza ricorrere a sabbiatura, precursore di corrosione. Su tale strato isolante vengono ottenute le piste resistive (12) e le piazzole (15) del circuito di riscaldamento secondo le tecniche indicate nei brevetti citati, ma meglio nella domanda di brevetto MO2007A000253 cioè utilizzando mascherature con appositi nastri adesivi ed effettuando il deposito di Ni electroless fino al raggiungimento dello spessore/resistenza desiderati.

Se l’accrescimento dovesse essere significativo può essere conveniente continuarlo con Ni galvanico in particolare per l’ispessimento delle piazzole.

Qualora non si potesse/volesse ricorrere al processo di nichelatura con rugosità superficiale elevata (Ra ~ 3- 6 µm) si può effettuare una nichelatura galvanica convenzionale di 10-20 µm ed eseguire su questa una sabbiatura con Al2O3esente da Fe su cui verrà, come nel caso precedente, continuata la sequenza di un primo strato isolante in Al2O3–APS e la successiva realizzazione di pista resistiva, chimica, con Ni electroless/galvanico.

Questa tecnica di realizzazione delle resistenze con processi electroless/ galvanico permette di misurare la resistenza durante il processo, e di interromperlo al raggiungimento del valore ohmico previsto ottenendo così una perfetta riproducibilità.

A questo punto viene effettuato il cablaggio innovativo: la terminazione del cavo (17), configurato come sopra descritto, viene opportunamente posizionata sulla relativa piazzola (15) e su quest’ultima inglobata da una spruzzatura di Ni-APS (16). I cavetti elettrici vengono infilati in tubetti (18) di Al2O3ad es. Degussa e il riscaldatore può ora essere collaudato ed eventualmente trimmerato, via laser o a sabbia; successivamente pista, piazzole e primo strato isolante vengono ricoperti da un ulteriore secondo strato (13) di Al2O3- APS fino alla quota della cavità predisposta. Eventuali fuori quota o sbavature possono essere ripresi ad esempio mediante lappatura.

Tutto l’insieme (con la sola esclusione della zona dei fili elettrici per evitare cortocircuiti) viene ricoperto da uno strato di Ni electroless (14) di spessore tale che, una volta inserito nella cavità (fig.1) vi permetta il grippaggio del materiale della successiva sinterizzazione laser progressiva che sarà proseguita fino al completamento dello stampo.

Facciamo notare come il procedimento riportato consenta l’esecuzione anche di due circuiti di riscaldamento, uno su ciascuna faccia del supporto (21) .

Abbiamo rappresentato, a titolo esemplificativo, il caso significativo del riscaldamento rapido di uno stampo per iniezione di spessori sottili di plastica, ma è chiaro che le applicazioni possibili rientrano nel dominio della fantasia, ma restano tutte entro lo scopo del presente brevetto

Facciamo qui inoltre notare come l’utilizzo di resistenze di riscaldamento in Ni consentano di :

a) avere un sensore di temperatura intrinseco

b) poter usare tensioni di alimentazione elettrica inferiori a 50V con basse resistenze e intense correnti auto-regolantesi

Le forti correnti disponibili consentono l’uso al meglio dell’effetto Joule, W= I<2>R.

Come abbiamo visto questa tecnologia chimica e APS di realizzazione di circuiti elettromagnetici ad es. elementi riscaldanti si presta magnificamente per essere associata alla tecnologia di sinterizzazione progressiva.

Infatti in sede di progetto, si può con appositi sistemi software, determinare ad es. le posizioni ed il wattaggio dei riscaldatori necessari per portare rapidamente alla temperatura prevista ad es. uno stampo per configurazioni/oggetti in plastica particolarmente sottili.

Come è infatti noto e già detto, per evitare il blocco della iniezione per raffreddamento precoce dello spessore sottile della plastica occorre tenere la parte iniziale dello stampo ad una determinata temperatura che mantenga una sufficiente scorrevolezza della plastica, per poi raffreddare lo stampo rapidamente onde mantenere adeguati ritmi produttivi.

Mentre diverse possono essere le metodiche di raffreddamento, ovvero dalla circolazione di acqua fredda fino alla circolazione di elio liquido, prevedendo nella costruzione il posizionamento di appositi canali (2), la tecnologia APS/chimica dei nostri brevetti citati da noi proposta è oggi la migliore deputata a raggiungere nel più breve tempo la temperatura necessaria (v. articoli citati). Se infatti il circuito di riscaldamento venisse eseguito con le tecniche tradizionali come le resistenze corazzate, a film spesso, etc., queste si porterebbero dietro tutti i loro ben noti svantaggi/difetti intrinseci fra i quali fondamentali quelli di scarsa conducibilità termica e sensibile inerzia se raffrontate a quelle ottenibili con riscaldatori realizzati secondo la tecnologia chimica/APS descritta nel brevetto USA e Europeo sopra elencati.

Claims

“Elemento riscaldante innovativo, in particolare per stampi e camere calde di apparecchiature di stampaggio ad iniezione di materie plastiche in spessori sottili” RIVENDICAZIONI 1. Elemento riscaldante rapido per apparecchiature di stampaggio ad iniezione di materie plastiche in spessori sottili, capace di funzionare fino a 600<o>C, comprendente un corpo generalmente a piastra (1) di materiale termicamente conduttore avente una superficie includente uno strato di base di materiale elettricamente isolante (11) e termicamente conduttivo ed almeno un resistore elettrico riscaldante (12) formato da una pista di materiale elettricamente conduttore applicata su detto strato di base (11) mediante tecniche chimiche/thermal spray, e mezzi di connessione elettrica (19) di detto resistore riscaldante, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di connessione elettrica (19) comprendono l’inglobamento in tecnologia Atmospheric Plasma Spray ovvero APS del cavo elettrico opportunamente sagomato (17) direttamente nelle piazzole terminali della pista resistiva ad es. in Ni (15) mediante la spruzzatura di Ni (ad es. APS), un secondo strato ricoprente di materiale elettricamente isolante (13) ed uno strato finale di Ni electroless (14) predisposto per il successivo accrescimento della intera struttura per sinterizzazione progressiva laser.
2. Elemento riscaldante secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il materiale termicamente conduttore di detta piastra (1) è un metallo o lega metallica identico al materiale costituente lo stampo, la camera calda o altra struttura a cui verrà accoppiato meccanicamente e termicamente per inglobamento con sinterizzazione progressiva laser, o comunque con un coefficiente di dilatazione termica compatibile ed è predisposta per la sua applicazione in stretto contatto di trasmissione termica su una camera calda, stampo o altro, su cui è stata preparata, in fase di realizzazione per sinterizzazione progressiva laser, apposita cavità.
3. Elemento riscaldante secondo le rivendicazioni 1 and 2 caratterizzato dal fatto che il primo strato isolante (11), ed es. Al2O3di circa 100 μm di spessore, è applicato mediante tecniche di spruzzatura Plasma Spray, High Velocity Oxy Fuel, Focused Cold spray e analoghi, e viene applicato sulla superficie della piastra resa rugosa da uno strato di Ni galvanico/chimico a rugosità superficiale intrinseca pari a ~ 6 µm.
4. Elemento riscaldante secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto primo strato isolante è applicato sulla superficie della piastra resa rugosa a Ra ~ 6 µm da sabbiatura, ad es. con Al2O3esente da Fe, eseguita su di uno strato di Ni che non abbia raggiunto la rugosità desiderata.
5. Elemento riscaldante secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la pista di materiale elettricamente conduttore (12) è di un materiale scelto fra Ni, Ni-Cr, CuNi, Ni-P e analoghi, con elevato coefficiente di variazione della resistenza con la temperatura positivo, e che detta pista, ad es. larga 2 mm e spessa 30 μm, tranne che nelle piazzole terminali allargate e di spessore maggiore, di materiale elettricamente conduttore (12) ad es. Ni, è realizzata preferibilmente mediante procedimenti electroless/galvanici come da domanda di brevetto MO2007A000253 o thermal spray.
6. Elemento riscaldante secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che sulle suddette piazzole (15) viene disposta la terminazione del cavo elettrico ed inglobata con una ulteriore spruzzatura di Ni-APS.
7 . Elemento riscaldante secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto che detta terminazione del cavo elettrico viene conformata ad es. come in fig.2 (17 e 17a) laminando il filo di Cu o di Ni allo spessore di 0,05 mm per una lunghezza di ~10 mm e 5-10 mm di larghezza a seconda delle dimensioni della piazzola e della potenza elettrica di funzionamento
8. Elemento riscaldante secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta piastra comprende un secondo strato di ricoprimento (13) isolante, ad es. Al2O3-APS, applicato su detto strato di base (11) e su detta pista di materiale elettricamente conduttore (12), comprese dette piazzole (15), inglobanti le terminazioni dei cavi elettrici (17), sufficiente a raggiungere in altezza la quota programmata per la piastra
9. Elemento riscaldante secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detta piastra, compreso il secondo strato di Al2O3-APS, portata a misura, è ricoperta da uno strato di Ni electroless (14) o equivalente e così predisposta per la successiva sinterizzazione laser.
10. Elemento riscaldante come da rivendicazioni 9 e precedenti, caratterizzato dal fatto che una volta assiemato, collaudato e posizionato nella prevista cavità, ne viene continuato e completato l’accrescimento per sinterizzazione progressiva laser insieme alla struttura da scaldare conseguendo una ottimale trasmissione termica con l’elemento riscaldante.
11. Elemento elettromagnetico sostanzialmente come descritto e illustrato nei disegni annessi, da inglobare preferibilmente, ma non esclusivamente, in strutture ad accrescimento progressivo.