ITUA20163918A1

ITUA20163918A1 - Metodo e apparato per produrre oggetti in materiale polimerico.

Info

Publication number: ITUA20163918A1
Application number: ITUA2016A003918A
Authority: IT
Inventors: Fiorenzo Parrinello; Fabrizio Pucci
Original assignee: Sacmi
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2017-11-30
Also published as: EP3463800A1; CN109414863A; BR112018072308A2; JP2019520232A; WO2017208143A1; US20200276738A1; JP6777762B2

Description

“Metodo e apparato per produrre oggetti in materiale polimerico

L’invenzione concerne un metodo ed un apparato per produrre oggetti in materiale polimerico, particolarmente tramite stampaggio a compressione. Gli oggetti producibili tramite il metodo e l’apparato secondo l’invenzione possono comprendere, ad esempio, tappi per contenitori, preforme per ottenere contenitori tramite soffiaggio o stiro-soffiaggio, oppure contenitori. Il materiale polimerico processabile tramite il metodo e l’apparato secondo l’invenzione può essere qualsiasi materiale utilizzabile nello stampaggio a compressione, in particolare un materiale semicristallino quale polipropilene (PP), polietilene ad alta densità (HDPE) o polietilentereftalato (PET). Più in generale, il metodo e l’apparato secondo l’invenzione possono essere utilizzati per processare qualsiasi materiale polimerico che abbia una temperatura di fusione maggiore della sua temperatura di cristallizzazione e/o di transizione vetrosa.

Tradizionalmente, gli oggetti ottenuti tramite stampaggio a compressione di materiali polimerici semicristallini vengono prodotti inserendo in uno stampo una dose di materiale polimerico avente una temperatura maggiore della relativa temperatura di fusione. La dose viene sagomata fra un elemento maschio ed un elemento femmina dello stampo così da ottenere l’oggetto desiderato, che viene poi raffreddato all’interno dello stampo e quindi estratto da quest’ultimo.

EP 1265736 descrive un metodo per produrre un oggetto tramite stampaggio a compressione di un materiale polimerico semicristallino, in cui il materiale polimerico viene riscaldato, all’interno di un estrusore, fino a raggiungere una temperatura maggiore della relativa temperatura di fusione. Successivamente, il materiale polimerico viene raffreddato ad una temperatura di lavorazione minore della temperatura di fusione, ma maggiore di una temperatura di inizio cristallizzazione alla quale ha inizio la cristallizzazione durante il raffreddamento. Dal materiale polimerico così raffreddato vengono ricavate dosi aventi una massa prestabilita, le quali sono inserite in rispettivi stampi in cui vengono sagomate fra un elemento maschio e un elemento femmina. Mentre il materiale polimerico è sagomato nello stampo, la sua temperatura viene mantenuta ad un valore vicino alla temperatura di inizio cristallizzazione. Successivamente, l’oggetto ottenuto sagomando il materiale polimerico viene raffreddato e quindi estratto dallo stampo.

Il metodo descritto in EP 1265736 consente di ridurre il tempo ciclo rispetto ai metodi tradizionali in cui la dose veniva introdotta all’interno dello stampo ad una temperatura maggiore della temperatura di fusione. Infatti, introducendo la dose di materiale polimerico nello stampo ad una temperatura di lavorazione che è minore della temperatura di fusione, ma appena maggiore della temperatura di inizio cristallizzazione, viene ridotto il tempo necessario per raffreddare l’oggetto stampato dalla temperatura di lavorazione ad una temperatura alla quale esso possa essere estratto dallo stampo senza subire danni.

Tuttavia, il metodo descritto in EP 1265736 è ulteriormente migliorabile, soprattutto per quanto riguarda l’efficienza energetica dell’apparato utilizzato per attuare tale metodo.

Uno scopo dell’invenzione è migliorare i metodi e gli apparati per produrre oggetti, in particolare tramite stampaggio a compressione di dosi in materiale polimerico, specialmente materiale termoplastico semicristallino. Un ulteriore scopo è aumentare l’efficienza energetica dei metodi e degli apparati per produrre oggetti, in particolare tramite stampaggio a compressione di dosi in materiale polimerico, specialmente materiale termoplastico semicristallino.

Un altro scopo è fornire un metodo ed un apparato che consentano di rendere più veloce la produzione di oggetti in materiale polimerico particolarmente tramite stampaggio a compressione, garantendo nel contempo un risparmio energetico rispetto allo stato della tecnica.

In un primo aspetto dell’invenzione, è previsto un apparato per produrre un oggetto con un materiale polimerico avente una temperatura di fusione, comprendente:

- un dispositivo di fusione per fondere il materiale polimerico;

- uno scambiatore di calore per raffreddare il materiale polimerico fuso dal dispositivo di fusione al di sotto della temperatura di fusione;

- uno stampo per formare l’oggetto dal materiale polimerico mentre quest’ultimo ha una temperatura minore di detta temperatura di fusione,

caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre un dispositivo di recupero di calore associato allo scambiatore di calore, il dispositivo di recupero di calore essendo configurato per recuperare almeno una parte del calore ceduto dal materiale polimerico allo scambiatore di calore.

Il dispositivo di calore consente di rendere disponibile per usi ulteriori almeno una parte del calore ceduto dal materiale polimerico fuso allo scambiatore di calore, evitando così che questa parte di calore venga dispersa nell’ambiente. In questo modo, è possibile ottenere un apparato dotato di un’elevata efficienza energetica.

In altre parole, si sfrutta il fatto che il materiale polimerico viene raffreddato fra il dispositivo di fusione e lo stampo, per recuperare almeno in parte il calore ceduto dal materiale polimerico, cosicché il calore recuperato possa essere destinato ad altri usi.

Inoltre, l’apparato secondo il primo aspetto dell’invenzione consente di aumentare considerevolmente la produttività rispetto agli apparati noti. In particolare, il tempo necessario per produrre un oggetto in materiale polimerico sagomandolo all’interno dello stampo viene drasticamente ridotto rispetto allo stato della tecnica.

Infatti, inserire il materiale polimerico nello stampo ad una temperatura minore della temperatura di fusione diminuisce il tempo necessario per raffreddare l’oggetto formato fino ad una temperatura alla quale esso può essere manipolato e quindi estratto dallo stampo senza subire danni. Si ha quindi una riduzione del tempo ciclo.

In una versione, il dispositivo di recupero di calore è configurato per rendere disponibile il calore recuperato per usi ulteriori all’interno di detto apparato.

In questo modo, è possibile diminuire la quantità di energia che è necessario fornire all’apparato dall’esterno per renderne possibile il corretto funzionamento.

In una versione, il dispositivo di recupero di calore è collegato con un dispositivo di preriscaldamento per preriscaldare granuli di detto materiale polimerico a monte del dispositivo di fusione.

Viene in questo modo diminuita l’energia che è necessario fornire al dispositivo di fusione affinché quest’ultimo possa fondere il materiale polimerico. Infatti, il dispositivo di fusione riceve i granuli di materiale polimerico ad una temperatura maggiore della temperatura ambiente, il che implica una riduzione del calore che occorre fornire ai granuli per portarli al punto di fusione.

In una versione, il dispositivo di recupero di calore è collegato al dispositivo di fusione così da cedere calore direttamente al dispositivo di fusione.

Anche in questo caso, viene diminuita l’energia che è necessario fornire, dall’esterno dell’apparato, al dispositivo di fusione, perché una parte del calore necessario per fondere il materiale polimerico nel dispositivo di fusione viene recuperata dal calore che il materiale polimerico fuso cede allo scambiatore di calore.

In una versione, lo stampo è configurato per stampare a compressione l’oggetto da una dose del materiale polimerico.

In particolare, l’apparato può comprendere un elemento di separazione per separare una dose di materiale polimerico da un flusso di materiale polimerico proveniente dallo scambiatore di calore.

In un secondo aspetto dell’invenzione, è previsto un metodo per produrre un oggetto con un materiale polimerico avente una temperatura di fusione, comprendente le fasi di:

- fondere il materiale polimerico,

- raffreddare il materiale polimerico fuso al di sotto della temperatura di fusione,

- formare l’oggetto dal materiale polimerico mentre quest’ultimo ha una temperatura minore di detta temperatura di fusione, caratterizzato dal fatto che almeno una parte del calore ceduto dal materiale polimerico durante detta fase di raffreddare il materiale polimerico fuso viene recuperata e resa disponibile per usi ulteriori.

Il metodo previsto dal secondo aspetto dell’invenzione consente di ottenere i vantaggi, in termini di efficienza energetica e diminuzione del tempo ciclo, precedentemente discussi con riferimento all’apparato secondo il primo aspetto dell’invenzione.

L’invenzione potrà essere meglio compresa ed attuata con riferimento agli allegati disegni, che ne illustrano una versione esemplificativa e non limitativa di attuazione, in cui:

Figura 1 è una vista schematica di un apparato per produrre oggetti tramite stampaggio a compressione;

Figura 2 è un grafico che mostra come varia la cristallizzazione di un particolare tipo di polipropilene in funzione del tempo;

Figura 3 è un grafico che mostra, per il polipropilene di Figura 2, come varia la percentuale di massa cristallizzata in funzione del tempo;

Figura 4 è un grafico che mostra, per il polipropilene di Figura 2, come varia, in funzione della temperatura, il tempo necessario per ottenere la cristallizzazione del 50% della massa del materiale;

Figura 5 è un grafico che mostra schematicamente come varia, in funzione del tempo, la temperatura di un materiale polimerico all’interno dell’apparato di Figura 1.

La Figura 1 mostra un apparato 1 per produrre un oggetto tramite stampaggio a compressione di una dose di materiale polimerico.

L’oggetto prodotto per mezzo dell’apparato 1 può essere un tappo per un contenitore, oppure un contenitore, oppure una preforma per ottenere un contenitore tramite soffiaggio o stiro-soffiaggio, o più in generale qualsiasi oggetto di forma concava o piatta.

Il materiale polimerico utilizzato dall’apparato 1 può essere qualsiasi materiale polimerico che può essere stampato a compressione, in particolare un materiale semicristallino quale polipropilene (PP), polietilene ad alta densità (HDPE), polietilentereftalato (PET).

I materiali semicristallini sono materiali che presentano, allo stato solido, una frazione di massa cristallina ed una frazione di massa amorfa.

Per i materiali polimerici semicristallini, è possibile individuare una temperatura di fusione TF ed una temperatura di cristallizzazione TC.

In particolare, la temperatura di fusione TF è la temperatura alla quale un materiale polimerico che viene riscaldato passa dallo stato solido allo stato fuso.

La temperatura di cristallizzazione TC è la temperatura alla quale una frazione di materiale cristallizza durante il raffreddamento. La temperatura di cristallizzazione TC è minore della temperatura di fusione TF.

Per essere più precisi, il processo di cristallizzazione non avviene ad una temperatura specifica, ma in un intervallo di temperature definito fra una temperatura di inizio cristallizzazione TIC ed una temperatura di fine cristallizzazione TFC.

Inoltre, la temperatura di cristallizzazione TC, come pure la differenza fra la temperatura di inizio cristallizzazione TIC e la temperatura di fine cristallizzazione TFC, non sono costanti per un determinato materiale, ma dipendono dalle condizioni con cui il materiale viene raffreddato. In particolare, quanto più bassa è la temperatura a cui viene mantenuto il materiale polimerico fuso, tanto più velocemente avviene la cristallizzazione. Inoltre, quanto più velocemente viene movimentato il materiale polimerico fuso, tanto più si abbassa l’intervallo di temperatura in cui avviene la cristallizzazione.

Ciò è confermato dalla Figura 2, che mostra i risultati di un’analisi effettuata tramite calorimetria differenziale a scansione (DSC) su campioni di polipropilene. I campioni di materiale analizzato sono stati portati ad una temperatura maggiore della temperatura di fusione ed ivi mantenuti per alcuni minuti in maniera tale da fondere tutti i cristalli presenti al loro interno. Successivamente, i campioni sono stati raffreddati fino ad una temperatura prestabilita e mantenuti a tale temperatura per un tempo necessario ad ottenere la cristallizzazione di ciascun campione. Sono stati in questo modo verificati i tempi e le modalità di cristallizzazione di ciascun campione.

La Figura 2 mostra l’energia rilasciata dai campioni analizzati in funzione del tempo durante la fase di cristallizzazione.

In particolare, la curva indicata con A è quella relativa al campione che è stato raffreddato alla temperatura più bassa, pari a 108°C. In tale campione, la cristallizzazione si è verificata in un tempo e in un intervallo di temperatura minori rispetto agli altri campioni analizzati. La curva A presenta un picco esotermico di cristallizzazione che è il più stretto fra tutti i campioni analizzati. Ciò significa che la differenza fra la temperatura di inizio cristallizzazione TIC e la temperatura di fine cristallizzazione TFC è minima per tale campione rispetto a tutti gli altri analizzati.

La curva indicata con B è invece relativa al campione che è stato raffreddato alla temperatura più elevata, ossia 115°C. In tale campione non si è verificata alcuna cristallizzazione, perché l’elevata temperatura a cui esso è stato mantenuto non ha reso possibile la formazione di cristalli durante il periodo di tempo in cui il campione è stato osservato.

Ciò dimostra che, mantenendo la temperatura più bassa, il materiale polimerico cristallizza più rapidamente.

Un analogo ragionamento è applicabile al processo di fusione e alla relativa temperatura di fusione.

La Figura 3, costruita con i dati ottenuti a partire dalla Figura 2, mostra come varia la percentuale di massa cristallizzata in un campione in funzione del tempo. Ciascuna curva si riferisce ad una differente temperatura fino alla quale il campione è stato raffreddato, dopodiché la temperatura del campione è stata mantenuta costante. In particolare, la temperatura di ciascun campione aumenta muovendosi da sinistra verso destra nel grafico. Si nota che, più è bassa la temperatura alla quale il campione viene raffreddato, più si riduce il tempo necessario affinché il 100% della massa del campione cristallizzi.

E’ possibile definire un tempo di metà cristallizzazione t1/2, che è il tempo impiegato da un campione affinché metà della sua massa cristallizzi. La Figura 4, costruita con i dati delle Figure 2 e 3, riporta il tempo di metà cristallizzazione t1/2 in funzione della temperatura a cui il campione è stato mantenuto. Si nota che, all’aumentare della temperatura a cui il campione è stato mantenuto, il tempo di metà cristallizzazione t1/2 aumenta.

Ricapitolando, il comportamento di un polimero semicristallino durante la fusione e la cristallizzazione non è univocamente definito, ma risente delle condizioni di raffreddamento seguendo le quali il polimero viene raffreddato. In particolare, quanto più è bassa la temperatura alla quale viene mantenuto il materiale polimerico fuso, tanto prima avviene la cristallizzazione.

Le considerazioni sopra riportate derivano da studi del comportamento di materiali polimerici semicristallini svolti in condizioni statiche, ossia mentre il campione studiato non era soggetto a deformazioni. La cristallizzazione che avviene in queste condizioni viene denominata cristallizzazione quiescente.

Tuttavia, nel caso in cui un materiale polimerico semicristallino sia soggetto a deformazioni, come accade quando esso viene manipolato su una macchina ad esempio per essere soggetto a stampaggio a compressione, si verifica un fenomeno denominato cristallizzazione indotta dal flusso (Flow Induced Crystallization). Mentre il materiale fluisce, si formano cristalliti anisotropi orientati nella direzione del flusso, il che modifica la cinetica di cristallizzazione del materiale rispetto al caso in cui si verifichi la sola cristallizzazione quiescente.

Quando si raffredda un materiale polimerico al di sotto della temperatura di fusione TF, e nel frattempo lo si deforma, la cristallizzazione quiescente e la cristallizzazione indotta dal flusso si combinano, causando una cristallizzazione complessivamente più veloce del materiale.

E’ stato notato che, movimentando velocemente un materiale polimerico fuso, la sua temperatura di cristallizzazione diminuisce e l’intervallo di temperatura in cui la cristallizzazione ha luogo si restringe. Ciò è legato al fatto che, mantenendo il materiale polimerico fuso in una condizione agitata, le catene polimeriche che lo compongono hanno minori possibilità di organizzarsi e solidificare in una configurazione ordinata.

I fenomeni sopra descritti possono essere sfruttati per migliorare lo stampaggio a compressione di un polimero semicristallino, particolarmente in un apparato 1 del tipo mostrato nella Figura 1.

L’apparato 1 comprende un dispositivo di fusione 2, che può comprendere un dispositivo estrusore 3, atto a fondere ed estrudere il materiale polimerico.

A monte del dispositivo di fusione 2 è previsto un contenitore di alimentazione 4, atto a contenere una quantità di granuli del materiale polimerico da processare per alimentare in maniera continua il dispositivo di fusione 2. In particolare, il contenitore di alimentazione 4 può essere collegato al dispositivo di fusione 2 per mezzo di una tramoggia 5. In questo caso i granuli di materiale polimerico scendono dal contenitore di alimentazione 4 nella tramoggia 5 e da qui nel dispositivo di fusione 2. All’interno del dispositivo di fusione 2, il materiale polimerico viene riscaldato fino a raggiungere una temperatura TM maggiore di, o uguale a, la temperatura di fusione TF. Il materiale polimerico passa in questo modo dallo stato granulare solido allo stato fuso.

A valle del dispositivo di fusione 2 è prevista una zona di raffreddamento che, nell’esempio raffigurato, è definita all’interno di uno scambiatore di calore 6. La zona di raffreddamento è configurata per raffreddare il flusso di materiale polimerico proveniente dal dispositivo di fusione 2 fino ad una temperatura intermedia TINT minore della temperatura di fusione TF, ma maggiore della temperatura di cristallizzazione TC.

Lo scambiatore di calore 6 può comprendere un miscelatore statico. Quest’ultimo può comprendere un condotto nel quale passa il materiale polimerico, all’interno del quale è disposto un elemento di mescolamento. L’elemento di mescolamento comprende una pluralità di barre deviatrici disposte in una posizione stazionaria per omogeneizzare il flusso di materiale polimerico, sia dal punto di vista termico che, eventualmente, dal punto di vista della composizione. In particolare, le barre deviatrici possono dividere il flusso principale di materiale polimerico in una pluralità di flussi secondari che si mescolano fra di loro durante il percorso all’interno del miscelatore statico.

Allo scambiatore di calore 6 può essere associato un circuito 17 all’interno del quale circola un fluido di condizionamento, per esempio olio diatermico, acqua, vapore o altro, per controllare la temperatura del flusso di materiale polimerico a valle del dispositivo di fusione 2.

Più in dettaglio, il circuito 17 in cui circola il fluido di condizionamento può comprendere una serpentina 7, che circonda il condotto nel quale il materiale polimerico passa quando attraversa lo scambiatore di calore 6. Nell’esempio raffigurato, lo scambiatore 6 è uno scambiatore di calore in controcorrente. In altre parole, il fluido di condizionamento entra nella serpentina 7 in un punto disposto a valle di un ulteriore punto da cui il fluido di condizionamento esce dalla serpentina 7, rispetto ad un verso di avanzamento F secondo il quale il materiale polimerico avanza all’interno dello scambiatore di calore 6.

Lungo il circuito 17 in cui circola il fluido di condizionamento dello scambiatore di calore 6 può essere prevista una pompa 15 per movimentare il fluido di condizionamento nella direzione desiderata.

L’apparato 1 comprende inoltre un dispositivo di recupero di calore 16 configurato per cooperare con lo scambiatore di calore 6. Il dispositivo di recupero di calore 16 è configurato per recuperare almeno una parte del calore ceduto dal materiale polimerico fuso allo scambiatore di calore 6, cosicché il calore recuperato possa essere reso disponibile per usi ulteriori.

In particolare, il calore recuperato dal dispositivo di recupero di calore 16 può essere reimpiegato all’interno del medesimo apparato 1 in cui è inserito il dispositivo di recupero di calore 16, così da diminuire la quantità di energia che è necessario fornire dall’esterno per rendere possibile il funzionamento dell’apparato 1.

Il dispositivo di recupero di calore 16 può essere conformato come uno scambiatore di calore di recupero per sottrarre calore al fluido di condizionamento circolante nel circuito 17 associato allo scambiatore di calore 6. Tale fluido di condizionamento, avendo raffreddato il materiale polimerico proveniente dal dispositivo di fusione 2, si trova infatti ad una temperatura relativamente elevata e può riscaldare un fluido recuperatore di calore circolante nel dispositivo di recupero di calore 16.

Il dispositivo di recupero di calore 16 può comprendere, ad esempio, un involucro 18 che alloggia un circuito di recupero 19. All’interno dell’involucro 18 è disposta anche una porzione del circuito 17 associato allo scambiatore di calore 6. Il circuito 17 e il circuito di recupero 19 possono essere tra loro affacciati, per esempio in prossimità di rispettive serpentine, o comunque disposti uno vicino all’altro, in modo tale da consentire il passaggio di calore dal fluido di condizionamento circolante nel circuito 17 al fluido recuperatore di calore circolante nel dispositivo di recupero di calore 16.

In questo modo il dispositivo di recupero di calore 16 consente di recuperare, dallo scambiatore di calore 6, calore che andrebbe altrimenti perduto, aumentando di conseguenza l’efficienza energetica dell’apparato 1.

Nell’esempio mostrato in Figura 1, il dispositivo di recupero di calore 16 è collegato con un dispositivo di preriscaldamento 20 per preriscaldare il materiale polimerico destinato ad entrare nel dispositivo di fusione 2, per esempio per preriscaldare i granuli presenti nel contenitore di alimentazione 4. A tal fine, il dispositivo di preriscaldamento 20 può essere conformato come un avvolgimento che avvolge una parete laterale del contenitore di alimentazione 4. Tale avvolgimento è collegato al circuito di recupero 19, cosicché il calore recuperato nel dispositivo di recupero di calore 16 possa essere trasferito al dispositivo di preriscaldamento 20. Una ulteriore pompa 21 può essere prevista per movimentare verso il contenitore di alimentazione 4 il fluido di recupero di calore che è stato riscaldato dal fluido di condizionamento associato allo scambiatore di calore 6.

L’apparato 1 comprende inoltre un dispositivo di separazione 8 per separare dal flusso di materiale polimerico proveniente dallo scambiatore di calore 6 quantità dosate o dosi di materiale polimerico.

In particolare, il dispositivo di separazione 8 consente di separare le dosi dal flusso di materiale polimerico che fuoriesce da un ugello 9 disposto a valle dello scambiatore di calore 6. Nell’esempio raffigurato, l’ugello 9 è rivolto verso l’alto. In particolare, l’ugello 9 può essere configurato in maniera tale che il flusso di materiale polimerico che esce dall’ugello 9 sia diretto lungo una direzione verticale.

Sono tuttavia possibili anche altre disposizioni dell’ugello 9.

Il dispositivo di separazione 8 può comprendere almeno un elemento di prelievo 10, conformato ad esempio come un elemento concavo estendentesi attorno ad un asse verticale, atto a passare in prossimità dell’ugello 9, particolarmente al di sopra di quest’ultimo, per separare da esso una dose di materiale polimerico. L’elemento di prelievo 10 agisce pertanto come un elemento di separazione per separare la dose dal flusso di materiale polimerico uscente dall’ugello 9. La dose resta attaccata all’elemento di prelievo 10, che la trasporta verso uno stampo nel quale la dose può essere sagomata per ottenere l’oggetto desiderato.

L’elemento di prelievo 10 è girevole attorno ad un asse di rotazione Y, particolarmente verticale. A tal fine, può essere prevista una pluralità di elementi di prelievo 10 supportati da una struttura di giostra 11.

Lo stampo è disposto a valle dello scambiatore di calore 6.

Lo stampo può comprendere un elemento femmina 13 ed un elemento maschio 14. L’elemento maschio 14 può essere disposto al di sopra dell’elemento femmina 13, ed essere allineato con quest’ultimo lungo un asse verticale. Sono tuttavia possibili anche altre disposizioni reciproche dell’elemento femmina 13 e dell’elemento maschio 14.

L’apparato 1 può comprendere una pluralità di stampi disposti in una regione periferica di una giostra di stampaggio 12. La giostra di stampaggio 12 può essere girevole attorno ad un asse verticale Z.

L’apparato 1 comprende un dispositivo di movimentazione per avvicinare l’elemento femmina 13 e l’elemento maschio 14 l’uno all’altro ed alternativamente allontanare l’elemento femmina 13 e l’elemento maschio 14 l’uno dall’altro. In particolare, il dispositivo di movimentazione è configurato per movimentare l’elemento femmina 13 e l’elemento maschio 14 l’uno rispetto all’altro fra una configurazione aperta, in cui l’elemento femmina 13 e l’elemento maschio 14 sono distanziati l’uno dall’altro, ed una configurazione di formatura, in cui fra l’elemento femmina 13 e l’elemento maschio 14 è definita una camera di formatura avente una forma corrispondente all’oggetto che si desidera ottenere.

Il dispositivo di movimentazione può essere associato soltanto all’elemento femmina 13, così da movimentare l’elemento femmina 13 rispetto all’elemento maschio 14 che viene invece mantenuto in posizione stazionaria. E’ anche possibile associare il dispositivo di movimentazione all’elemento maschio 14, che viene così movimentato rispetto all’elemento femmina 13, che invece viene mantenuto fermo.

In alternativa, il dispositivo di movimentazione può agire contemporaneamente sia sull’elemento maschio 14 che sull’elemento femmina 13, che vengono entrambi movimentati.

Il dispositivo di movimentazione può essere ad esempio di tipo meccanico o idraulico. Un esempio di dispositivo di movimentazione meccanico è un dispositivo a camma, mentre un esempio di dispositivo di movimentazione idraulico è un attuatore idraulico.

In ogni caso, il dispositivo di movimentazione è configurato per movimentare l’elemento maschio 14 e l’elemento femmina 13 l’uno rispetto all’altro lungo una direzione di stampaggio che, nell’esempio raffigurato, è verticale.

L’elemento di prelievo 10 è, come già detto, mobile attorno all’asse di rotazione Y ed in particolare può assumere una posizione di prelievo, in cui l’elemento di prelievo 10 si trova al di sopra dell’ugello 9 per rimuovere da esso una dose di materiale polimerico. La dose, a causa del suo stato di fluido altamente viscoso, rimane aderente all’elemento di prelievo 10 che, ruotando attorno all’asse di rotazione Y, la trasporta verso lo stampo. L’elemento di prelievo 10 può inoltre trovarsi in una posizione di consegna in cui esso è disposto al di sopra dell’elemento femmina 13, così da rilasciare – per esempio con l’ausilio di mezzi pneumatici o meccanici – la dose di materiale polimerico all’interno di una cavità dell’elemento femmina 13.

La porzione dell’apparato 1 interposta fra lo scambiatore di calore 6 ed una bocca di uscita dell’ugello 9 è condizionata termicamente, cosicché la temperatura del materiale polimerico che lo attraversa rimanga, al suo interno, ad un valore controllato al di sotto della temperatura di fusione TF, per esempio ad un valore TINT intermedio fra la temperatura di fusione TF e la temperatura di inizio cristallizzazione TIC.

L’apparato 1 può comprendere un dispositivo acceleratore per accelerare il flusso di materiale polimerico proveniente dal dispositivo di fusione 2. Nell’esempio raffigurato, l’ugello 9 agisce come dispositivo acceleratore, in quanto è provvisto di sezioni di passaggio per il materiale polimerico che diminuiscono progressivamente nel verso di avanzamento F, così da accelerare il flusso di materiale polimerico che passa al suo interno.

In alternativa, o in combinazione con quanto sopra, anche un condotto all’interno del quale il materiale polimerico passa prima di raggiungere l’ugello 9 può agire come dispositivo acceleratore, se le sue sezioni interne vengono opportunamente dimensionate per accelerare il flusso di materiale polimerico.

In una versione non raffigurata, è anche possibile prevedere un differente dispositivo acceleratore, disposto in un punto qualsiasi fra lo scambiatore di calore 6 e l’ugello 9.

Durante il funzionamento, come mostrato in Figura 5, i granuli di materiale polimerico vengono riscaldati ad una temperatura di preriscaldamento T1 dal dispositivo di preriscaldamento 20, mentre i granuli si trovano all’interno del contenitore di alimentazione 4. La temperatura di preriscaldamento T1 è maggiore della temperatura ambiente.

Dal contenitore di alimentazione 4, passando attraverso la tramoggia 5 (se presente), i granuli preriscaldati entrano nel dispositivo di fusione 2, che li riscalda fino a raggiungere la temperatura TM, maggiore o uguale della temperatura di fusione TF. I granuli vengono mantenuti a tale temperatura per un tempo sufficiente a causarne la fusione, dopodiché il materiale polimerico fuso viene estruso ed inviato nello scambiatore di calore 6. Qui, il materiale polimerico fuso viene raffreddato fino alla temperatura TINT, che come già detto è compresa fra la temperatura di fusione TF e la temperatura di cristallizzazione TC. Per essere più esatti, la temperatura TINT è maggiore della temperatura di inizio cristallizzazione TIC.

Successivamente, il materiale polimerico proveniente dallo scambiatore di calore 6 raggiunge l’ugello 9, dal quale esce un flusso di materiale polimerico da cui il dispositivo di separazione 8 separa una dose.

Nell’ugello 9, ed eventualmente anche in una porzione dell’apparato 1 compresa fra lo scambiatore di calore 6 e l’ugello 9, il flusso di materiale polimerico viene accelerato, acquisendo così una velocità media maggiore rispetto alla velocità media che esso aveva nello scambiatore di calore 6. La dose che il dispositivo di separazione 8 ha separato viene trasportata da un corrispondente elemento di prelievo 10, fino a giungere al di sopra di un elemento femmina 13 di uno stampo.

Lo stampo si trova in questo istante nella configurazione aperta, in cui l’elemento femmina 13 è distanziato dall’elemento maschio 14.

L’elemento di prelievo 10 può pertanto essere interposto fra l’elemento femmina 13 e l’elemento maschio 14 e rilasciare la dose nell’elemento femmina 13.

Quando l’elemento di prelievo 10 si trova al di sopra dell’elemento femmina 13, la dose viene distaccata dall’elemento di prelievo 10 e depositata nella cavità dell’elemento femmina 13. L’elemento femmina 13 e l’elemento maschio 14 si avvicinano l’uno all’altro grazie al dispositivo di movimentazione, fino a raggiungere una configurazione di formatura, in cui la camera di formatura definita fra l’elemento maschio 14 e l’elemento femmina 13 ha una forma corrispondente alla forma dell’oggetto che si desidera ottenere. A questo punto, l’elemento femmina 13 e l’elemento maschio 14 vengono mantenuti nella posizione reciproca raggiunta per consentire all’oggetto di cristallizzare, raggiungendo una resistenza sufficiente a potere essere estratto dallo stampo senza subire danni.

Al termine della formatura, lo stampo viene aperto, allontanando l’elemento maschio 14 e l’elemento femmina 13 l’uno rispetto all’altro. L’oggetto formato viene rimosso dallo stampo ed un nuovo ciclo di formatura può iniziare.

La dose viene introdotta nello stampo ad una temperatura di lavorazione TLAV minore della temperatura di fusione TF del materiale polimerico che la costituisce, ma maggiore della temperatura di inizio cristallizzazione TIC alla quale, in condizioni statiche, inizierebbero a formarsi cristalli. La temperatura di lavorazione TLAV può essere uguale alla temperatura intermedia TINT o minore di quest’ultima.

Mentre il materiale polimerico che costituisce la dose viene sagomato fra l’elemento femmina 13 e l’elemento maschio 14 dello stampo, la sua temperatura viene mantenuta al di sopra della temperatura di inizio cristallizzazione TIC.

Ciò non significa che anche la temperatura dell’elemento femmina 13 e dell’elemento maschio 14 dello stampo sia maggiore della temperatura di inizio cristallizzazione TIC. L’elemento femmina 13 e l’elemento maschio 14 possono essere provvisti di rispettivi circuiti di raffreddamento all’interno di ciascuno dei quali circola un fluido di raffreddamento. Sebbene la temperatura del materiale polimerico che viene sagomato sia maggiore della temperatura di inizio cristallizzazione TIC, la temperatura del fluido di raffreddamento, così come quella dei rispettivi elementi di stampo, può essere minore, anche significativamente, della temperatura di inizio cristallizzazione TIC.

Quando l’oggetto stampato a compressione ha raggiunto la sua forma sostanzialmente definitiva, l’oggetto viene raffreddato al di sotto della sua temperatura di cristallizzazione TC. Il raffreddamento dell’oggetto può avvenire con una velocità di raffreddamento maggiore di 3.5°C/s, affinché la solidificazione avvenga il più rapidamente possibile.

Inserire la dose nello stampo ad una temperatura minore della temperatura di fusione TF permette di ridurre il tempo necessario per raffreddare l’oggetto stampato a compressione fino ad un valore di temperatura alla quale l’oggetto stampato può essere estratto dallo stampo e manipolato senza essere significativamente deformato.

Inoltre, sottoporre il flusso di materiale polimerico a velocità elevate, a monte dello stampo e/o all’interno di quest’ultimo, permette di aumentare la velocità di deformazione del materiale polimerico e quindi di accelerare la cinetica di cristallizzazione, in quanto alla cristallizzazione quiescente che avverrebbe in condizioni statiche si aggiunge la cristallizzazione indotta dal flusso.

All’interno del dispositivo di fusione 2, viene fornita al materiale polimerico una quantità di calore sufficiente a riscaldare il materiale polimerico dalla temperatura T1 alla temperatura TM. Infatti, il materiale polimerico viene portato dalla temperatura ambiente alla temperatura T1 dal dispositivo di preriscaldamento 20, che sfrutta il calore che il dispositivo di recupero di calore 16 ha recuperato dallo scambiatore di calore 6.

Se il dispositivo di recupero di calore 16 non fosse presente, a parità di altre condizioni, il materiale polimerico entrerebbe nel dispositivo di fusione ad una temperatura T2 minore della temperatura T1. Per esempio, la temperatura T2 potrebbe essere pari alla temperatura ambiente. Il dispositivo di fusione 2 dovrebbe pertanto riscaldare il materiale polimerico dalla temperatura T2 alla temperatura TM, con un conseguente maggiore dispendio energetico.

Ipotizzando – per semplicità – che le perdite di calore all’interno dell’apparato 1 siano trascurabili, la differenza ∆T fra la temperatura TM e la temperatura intermedia TINT è circa uguale alla differenza ∆T fra la temperatura T1 e la temperatura T2. In altre parole, sempre ipotizzando di poter trascurare le perdite di calore, il calore ceduto dal materiale polimerico al dispositivo di recupero di calore 16 nello scambiatore di calore 6 corrisponde al risparmio di calore che è possibile ottenere nel dispositivo di fusione 2, preriscaldando il materiale polimerico per mezzo del dispositivo di preriscaldamento 20 collegato al dispositivo di recupero di calore 16.

Questo consente di limitare la quantità di energia che è necessario fornire, dall’esterno, all’apparato 1.

Il dispositivo di preriscaldamento 20 può utilizzare, per preriscaldare i granuli di materiale polimerico, un fluido di preriscaldamento allo stato liquido, oppure un fluido di preriscaldamento allo stato gassoso, per esempio sotto forma di aria riscaldata. Il fluido di preriscaldamento utilizzato dal dispositivo di preriscaldamento 20 riceve comunque calore dal dispositivo di recupero di calore 16.

In una versione non raffigurata, il dispositivo di recupero di calore 16 può essere configurato per cedere il calore recuperato direttamente al dispositivo di fusione 2, anziché al dispositivo di preriscaldamento 20. In questo caso, il calore recuperato grazie al dispositivo di recupero di calore 16 viene utilizzato per aiutare il riscaldamento del materiale polimerico nel dispositivo di fusione 2. Ciò consente comunque di risparmiare la quantità di energia che, dall’esterno, occorre fornire all’apparato 1.

E’ inoltre possibile ottimizzare l’efficienza energetica dell’apparato 1 migliorandone l’isolamento termico e ottimizzandone la coibentazione. Per esempio, il dispositivo di fusione 2 potrebbe essere inserito all’interno di un involucro di contenimento isolato termicamente per ridurre la dissipazione di calore. Anche lo scambiatore di calore 6, e/o il dispositivo di recupero di calore 16, e/o il dispositivo di preriscaldamento 20 potrebbero essere inseriti all’interno dell’involucro di contenimento sopra menzionato.

In una versione alternativa, il dispositivo di recupero di calore 16 può essere associato ad un dispositivo di cogenerazione. Il dispositivo di cogenerazione può essere ad esempio del tipo funzionante a gas metano. In una ulteriore versione, il dispositivo di recupero di calore 16 può essere collegato a, inserito in, o comunque associato, ad una pompa di calore. Nella descrizione precedente, si è fatto riferimento ad uno scambiatore di calore 6 comprendente un miscelatore statico.

Questa condizione non è tuttavia necessaria.

Può infatti accadere che lo scambiatore di calore 6 sia definito, anziché da un miscelatore statico, da un miscelatore dinamico, ossia provvisto di elementi mescolatori che si muovono durante il funzionamento.

Ancora, lo scambiatore di calore 6 può essere definito all’interno di un estrusore a cascata oppure un estrusore satellitare, in particolare disposto immediatamente a valle del dispositivo estrusore che fonde ed estrude il materiale polimerico.

Lo scambiatore di calore 6 potrebbe anche essere definito all’interno di un estrusore bivite opportunamente condizionato.

In linea teorica, lo scambiatore di calore 6 potrebbe essere definito all’interno dello stesso dispositivo di fusione 2 che fonde il materiale polimerico, il quale potrebbe essere dotato di una parte terminale configurata per raffreddare il materiale polimerico fuso.

In generale, tutto il tratto dell’apparato 1 interposto fra il dispositivo di fusione 2 e il dispositivo di separazione 8 può essere condizionato termicamente in modo da raffreddare il materiale polimerico. In questo caso, la zona di raffreddamento inizia immediatamente a valle del punto in cui il materiale polimerico viene fuso e prosegue fino all’ugello 9.

In alternativa, la zona di raffreddamento può interessare solo una porzione dell’apparato 1 disposta a valle del punto in cui il materiale polimerico viene fuso. In questo caso, la zona di raffreddamento termina a monte dell’ugello 9 e fra la zona di raffreddamento e l’ugello 9 è interposta una zona di mantenimento in cui la temperatura del materiale polimerico viene mantenuta a valori desiderati.

In questo caso, la temperatura del materiale polimerico nella zona di mantenimento disposta a valle della zona di raffreddamento può essere compresa, o sostanzialmente compresa, fra la temperatura di cristallizzazione TC e la temperatura di fusione TF. Con il termine “sostanzialmente compresa” si indica che almeno il 90% del materiale polimerico ha una temperatura nell’intervallo compreso fra la temperatura di cristallizzazione TC e la temperatura di fusione TF. Possono però esistere piccole porzioni di materiale polimerico che hanno una temperatura maggiore della temperatura di fusione TF, particolarmente in prossimità della superficie del materiale polimerico che fluisce a contatto con le pareti dell’apparato 1.

Nell’esempio raffigurato, si è fatto riferimento ad una situazione in cui la dose viene sagomata fra un elemento formatore femmina ed un elemento formatore maschio appartenenti allo stampo, ossia l’elemento femmina 13 e l’elemento maschio 14.

E’ anche possibile ipotizzare una situazione in cui la dose viene sagomata a contatto con un oggetto che non è integrato nello stampo, pur comportandosi come un elemento di stampo durante la formatura della dose. E’ questo il caso che si verifica, ad esempio, nella cosiddetta “masticiatura”, in cui la dose viene sagomata per ottenere una guarnizione all’interno di un tappo precedentemente formato. Più in generale, la dose può essere stampata all’interno della cavità di un oggetto, così da dare origine ad un componente ancorato all’oggetto.

In questo caso, il tappo o più in generale l’oggetto dotato di una cavità all’interno della quale viene sagomata la dose agisce come un elemento formatore femmina, mentre l’elemento formatore maschio è integrato nello stampo. Lo stampo comprende, in questo esempio, oltre all’elemento formatore maschio, anche un elemento di supporto affacciato all’elemento formatore maschio ed atto a supportare l’oggetto all’interno del quale deve essere sagomata la dose durante lo stampaggio.

Si può dunque affermare, in generale, che lo stampo comprende un elemento formatore maschio ed un elemento contrapposto affacciato all’elemento formatore maschio. L’elemento contrapposto può essere un elemento formatore femmina o, in alternativa, un elemento di supporto per supportare un oggetto all’interno del quale viene sagomata la dose.

Quanto precedentemente descritto con riferimento al caso in cui l’elemento formatore femmina sia una parte dello stampo è da intendersi riferito anche ad un caso in cui la dose venga sagomata all’interno di un oggetto, non integrato sull’apparato 1, che agisce come elemento formatore femmina.

Nella descrizione precedente, si è fatto riferimento ad un apparato e ad un metodo per produrre un oggetto tramite stampaggio a compressione. L’apparato e il metodo secondo l’invenzione possono in realtà essere utilizzati anche per produrre un oggetto tramite iniezione o iniettocompressione.

Inoltre, anziché utilizzare un apparato comprendente una pluralità di stampi montati sulla giostra di stampaggio 12, è possibile utilizzare una pluralità di stampi montati secondo una disposizione differente da una giostra, oppure un apparato provvisto di un singolo stampo, come accade nelle cosiddette macchine “monoimpronta”.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Apparato per produrre un oggetto con un materiale polimerico avente una temperatura di fusione (TF), comprendente: - un dispositivo di fusione (2) per fondere il materiale polimerico; - uno scambiatore di calore (6) per raffreddare il materiale polimerico fuso dal dispositivo di fusione (2) al di sotto della temperatura di fusione (TF); - uno stampo disposto a valle dello scambiatore di calore (6) per formare l’oggetto dal materiale polimerico, mentre il materiale polimerico ha una temperatura minore di detta temperatura di fusione (TF), caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre un dispositivo di recupero di calore (16) associato allo scambiatore di calore (6), il dispositivo di recupero di calore (16) essendo configurato per recuperare almeno una parte del calore ceduto dal materiale polimerico allo scambiatore di calore (6).
2. Apparato secondo la rivendicazione 1, in cui il dispositivo di recupero di calore (16) è configurato per rendere disponibile il calore recuperato per usi ulteriori all’interno di detto apparato (1).
3. Apparato secondo la rivendicazione 1 oppure 2, in cui il dispositivo di recupero di calore (16) comprende uno scambiatore di calore di recupero per sottrarre calore ad un fluido di condizionamento circolante in detto scambiatore di calore (6), così da recuperare dal fluido di condizionamento almeno una parte del calore che il fluido di condizionamento ha ricevuto dal materiale polimerico in detto scambiatore di calore (6).
4. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il dispositivo di recupero di calore (16) è configurato per cedere il calore recuperato al materiale polimerico, prima che il materiale polimerico venga fuso nel dispositivo di fusione (2), così da ridurre la quantità di energia che occorre fornire dall’esterno al dispositivo di fusione (2) per fondere il materiale polimerico.
5. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il dispositivo di recupero di calore (16) è collegato con un dispositivo di preriscaldamento (20) per preriscaldare granuli di detto materiale polimerico a monte del dispositivo di fusione (2).
6. Apparato secondo la rivendicazione 5, in cui il dispositivo di preriscaldamento (20) è configurato per agire su un contenitore di alimentazione (4) inteso per alimentare detti granuli al dispositivo di fusione (2).
7. Apparato secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui il dispositivo di recupero di calore (16) è collegato al dispositivo di fusione (2), così da cedere il calore recuperato al materiale polimerico nel dispositivo di fusione (2).
8. Apparato secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui il dispositivo di recupero di calore (16) è associato a un dispositivo di cogenerazione oppure a una pompa di calore.
9. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui lo stampo è configurato per stampare a compressione l’oggetto da una dose di materiale polimerico separata da un flusso di materiale polimerico proveniente dallo scambiatore di calore (6).
10. Metodo per produrre un oggetto con un materiale polimerico avente una temperatura di fusione (TF), comprendente le fasi di: - fondere il materiale polimerico, - raffreddare il materiale polimerico fuso al di sotto della temperatura di fusione (TF), - formare l’oggetto dal materiale polimerico mentre il materiale polimerico ha una temperatura minore di detta temperatura di fusione (TF), caratterizzato dal fatto che almeno una parte del calore ceduto dal materiale polimerico durante detta fase di raffreddare il materiale polimerico fuso viene recuperata e resa disponibile per usi ulteriori.
11. Metodo secondo la rivendicazione 10, in cui detti usi ulteriori sono previsti all’interno di detto apparato (1).
12. Metodo secondo la rivendicazione 10 oppure 11, in cui il calore recuperato viene utilizzato per preriscaldare il materiale polimerico prima della fase di fondere il materiale polimerico.
13. Metodo secondo la rivendicazione 10 oppure 11, in cui il calore recuperato viene utilizzato per fondere il materiale polimerico.