Prototipazione Rapida _ RP

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La prototipazione rapida è un insieme di tecniche industriali che consentono la produzione di oggetti di geometria complessa, in tempi molto ridotti, a partire dalla definizione matematica dell’oggetto realizzata su un modello tridimensionale, volte a realizzare il cosiddetto prototipo

Indipendentemente da come lo si realizza, per prototipo si intende “il primo elemento della serie”. Questi può essere concettuale, funzionale, tecnico o di pre-serie, e in ogni caso può svolgere funzioni differenti nell’azienda: può servire per valutare costi, tempi di ciclo, risposta del mercato e così via.

Si basa sulla considerazione che ogni oggetto costituito da tante sezioni di spessore infinitesimo. Il prototipo viene, così realizzato sezione dopo sezione, trasformando il problema da tridimensionale in bidimensionale. Gli oggetti sono ottenuti con progressiva aggiunta di materia. Per questo motivo la tecnologia RP è anche definita tecnica di produzione per strati o per piani (layer manufacturing)

Definizione

Il prototipo non è una necessità avvertita solo dalle moderne aziende. Il ricorso al prototipo è, infatti, un’esigenza sentita sin dall’antichità, quando ci si poteva affidare solo a carta e attrezzi da disegno, per cui la realizzazione del prototipo permetteva di effettuare importanti osservazioni sul progetto in corso. I materiali e le tecniche con cui i prototipi si realizzano sono diversi e, ricorrendo a tecniche tradizionali, la loro costruzione è affidata ad artigiani o modellisti. In questo caso ci troviamo di fronte a una difficoltà incompatibile con le esigenze odierne della competizione globale: la diminuzione dei costi e dei tempi di realizzazione.

Mentre negli scenari competitivi è ampiamente sopportabile un aumento dei costi di sviluppo, sicuramente non è accettabile un ritardo per l’immissione sul mercato di un dato prodotto. Infatti un ritardo di pochi mesi può causare una perdita sugli utili anche del 30%, mentre un aumento dei costi di sviluppo, anche del 50%, è ampiamente sopportabile per le imprese.

Per quanto premesso sono stati messi a punto processi con l’obiettivo di ridurre sia i costi di realizzazione che i tempi di costruzione del prototipo stesso; queste tecniche vengono definite rapid prototyping (RP) o prototipazione rapida.

Lo sviluppo delle prime macchine RP è dovuto a Charles W. Hull, che per primo realizzò una macchina di tipo SLA-1 (StereoLitographic Apparatus). Successivamente gli studi sono avanzati così da giungere a generazioni successive della SLA e messa a punto di tecnologie differenti quali LOM (Laminated Object Manufactoring), SLS (Selective Laser Sintering), FDM (Fused Deposition Modeling), LENS (Laser engineered net shaping). Anche lo scenario d’impiego è cambiato, poiché lo sviluppo di queste macchine non è più affidato alla collaborazione con grosse aziende o centri di ricerca, ma soprattutto grazie alla diffusione nelle piccole e medie imprese, imputabile alla sensibile diminuzione dei costi di queste tecnologie.

La prototipazione rapida si differenzia dalle tecniche tradizionali di lavorazioni meccaniche perché mentre queste ultime operano per asportazione di materiale, ossia ottengono la forma voluta da un blocco all’interno della quale essa già esiste, le tecniche RP operano su una base concettuale inversa, ossia per addizione di materiale, con la possibilità di poter ottenere forme anche molto complesse, impossibili da realizzare con le lavorazioni tradizionali, semplicemente aggiungendo materiale strato per strato. Si parla, infatti, di layered manufacturing (fabbricazione stratificata).

Classificazione delle tecniche RP

La prototipazione rapida è una tecnica piuttosto recente, ma anche se giovane si può tranquillamente affermare che i materiali e le macchine evolvono continuamente. Ogni casa costruttrice ha sviluppato e continua a sviluppare una propria tecnica con l’impiego di materiali molto differenti tra loro. Infatti la classificazione principale delle tecniche RP è sulla natura dei materiali impiegati, principalmente sul diverso stato dei materiali impiegati, in particolare polveri, liquidi, solidi. Oggi l’impiego di polveri sta assumendo sempre maggiore importanza, poiché teoricamente la macchina può rimanere la stessa e, cambiando il tipo di polvere, si possono ottenere oggetti con caratteristiche differenti, sia estetiche sia meccaniche.

Oltre alle polveri, che possono essere a un componente o due componenti per la presenza di un legante, ci sono tecniche che si basano su liquidi, costituiti sostanzialmente da resine che vengono fatte polimerizzare, e infine l’uso di materiali solidi quali fili o fogli speciali di carta.

Le fasi della RP

Macchina per prototipazione rapida a sinterizzazione selettiva mediante laser

La prototipazione rapida si può paragonare all’operazione di stampa di un testo, solo un po’ più complicata. In dettaglio le fasi che portano alla realizzazione del prototipo sono le seguenti:

  1. Creazione del file STL
  2. Gestione del file STL
  3. Costruzione del prototipo layer by layer (strato dopo strato)
  4. Post trattamenti

Fase 1: Creazione del file STL

È una fase preliminare alla prototipazione vera e propria e consiste nella generazione del file STL e nella sua verifica. Il file STL (Standard Triangulation Language To Layer) è uno standard grafico che descrive l’oggetto tramite una decomposizione in triangoli delle superfici che lo compongono. In pratica le superfici del pezzo vengono meshate (‘“mesh” significa “maglia”) con elementi triangolari. Approssimativamente il numero di questi triangoli è tanto maggiore quanto meglio si vuole approssimare la superficie. Lo standard STL fu sviluppato inizialmente dalla “3D Systems” ed è attualmente lo standard accettato da quasi tutti i sistemi di prototipazione rapida in commercio.

La fase di generazione del file STL si può scomporre in due sotto-processi; in particolare la prima sotto-fase impegna l’intelletto del progettista e consiste nel realizzare il modello matematico, esclusivamente in ambiente CAD, partendo da due strade ben distinte e precisamente:

  • Mediante l’ausilio integrale di software CAD
  • Mediante l’impiego di tecniche di ingegneria inversa

La prima delle due precedenti è la strada che si percorre quando si realizza un prodotto che si ha già in mente e che si vuole mettere nero su bianco, oppure si deve procedere alla modifica di un prodotto esistente di cui si ha già il modello matematico. La seconda strada è indicata quando non si dispone o non esiste il modello matematico e si procede, mediante tecniche di ingegneria inversa (reverse engineering), ossia mediante appositi strumenti si scansiona la superficie dell’oggetto di cui si vuole il modello CAD. Questi restituiscono un certo numero di punti appartenenti alle superfici scansionate, punti che in gergo si individuano con il nome “nuvola di punti”. La nuvola viene elaborata tramite CAD o software dedicati per ottenere il modello matematico tridimensionale.

La seconda sotto-fase della fase 1 consiste nel realizzare il file di estensione .STL (Standard Triangulation Language) mediante apposite utility di esportazione o direttamente dal CAD qualora questa utility sia integrata oppure si deve prima salvare in un formato intermedio (Iges, Acis-Sat) e poi con software dedicato realizzare l’STL. Bisogna fare attenzione a non effettuare troppi passaggi prima di arrivare all’STL per evitare un deterioramento eccessivo della matematica del modello.

Fase 2: Gestione del file STL

Una volta generato il file STL si deve verificare che sia esente da errori. Il controllo si fa attraverso software dedicati, commerciali come il Magics RP della “Materialise” o open source mediante i quali oltre a individuare e correggere gli errori presenti, si possono progettare i supporti per le parti a sbalzo, orientare gli oggetti (operazione che può influenzare fortemente il risultato finale), modificarli ed eseguire lo slicing, cioè generare le “fette” che sovrapposte le une alle altre daranno vita al solido finale. Lo slicing è una operazione critica perché determina le caratteristiche superficiali dell’oggetto finito. Questa operazione può essere di tipo uniforme oppure adattativo quando lo spessore delle slice (letteralmente: fette) è variabile e lo si sceglie in funzione della curvatura della superficie al fine di adattare meglio la geometria finale, riducendo l’effetto staircase (le superfici inclinate sono approssimate da scalini). Una descrizione più specifica sarà descritta più avanti.

Fase 3: Costruzione del prototipo “Layer by Layer”

Consiste nell’inviare alla macchina il file STL o le slice, a seconda del modello di prototipatrice, e procedere con la deposizione del materiale strato per strato fino ad arrivare all’oggetto finale. Questa fase può durare alcune ore in funzione delle dimensioni dell’oggetto in particolare dell’altezza, pertanto un’accurata scelta dell’orientazione è importante sia per la finitura superficiale sia per ridurre i tempi macchina.

Fase 4: Post trattamenti

Sono operazioni manuali il cui scopo è togliere l’oggetto stampato dalla macchina e liberarlo dal supporto o dal materiale in eccesso ed eventualmente operare ulteriori finiture. Queste possono essere semplici, nel caso in cui si tratta di rimuovere il prototipo dalle polveri in eccesso, o leggermente più complicate, come nel caso della tecnica PolyJET, dove si ricorre a un’idropulitrice che rimuove il liquido di supporto. In altri casi si può procedere a un miglioramento delle superfici ricorrendo a trattamenti superficiali quali l’impiego di carta abrasiva o verniciatura.

Problematiche della RP

Come ogni attività anche la RP è soggetta ad alcune problematiche che influenzano il risultato finale, pertanto un’attenta analisi preliminare e una corretta applicazione delle metodologie derivanti da queste analisi aiuta a diminuire di molto gli inconvenienti che potrebbero verificarsi.

Problematiche di generazione del STL

La prima problematica che interviene è quella legata alla generazione del file STL, dato che un eccesso di errori presenti in esso può deteriorare a tal punto la rappresentazione dell’oggetto che il risultato finale è tale da non consentire l’utilizzo del prototipo. Gli errori più comuni e le cause che li generano sono:

  • Discontinuità del verso della normale dei triangoli; i triangoli presentano differente orientazione che genera rugosità superficiale sul pezzo finito. Si è appurato che questo problema si presenta quando il pezzo occupa contemporaneamente più quadranti e il software non gestisce questo baco.
  • Overlapping (sovrapposizione) dei triangoli: alcuni triangoli risultano parzialmente o completamente sovrapposti. Questo genere di incongruenza si presenta maggiormente quando si fa uso di operazioni booleane.
  • Holes (fori): i software preposti alla generazione dell’STL non sono in grado di gestire correttamente le operazioni booleane e possono creare dei fori che devono essere chiusi
  • Bad contours (contorni imperfetti): i triangoli, per effetto di una errata scelta della tolleranza e delle caratteristiche della superficie, risultano discontinui pertanto si deve ricorrere a una operazione di stitching (ricucitura), ossia la superficie o una parte deve essere tirata in modo da far combaciare i lati dei triangoli.

Problematiche di slicing

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Illustrazione del software che sviluppa posizione, forma e dimensioni degli slice. Voxel è il volume elementare (l’analogo del “pixel” in tre dimensioni) e cioè il più piccolo elemento distinguibile in uno spazio tridimensionale. Ogni “voxel” sarà individuato dalle coordinate x, y, z di uno dei suoi otto angoli o dal suo centro. Il termine è usato nelle rappresentazioni tridimensionali

Lo slicing, come già ribadito, è la suddivisione del modello matematico, ossia il file STL che già risulta in parte degradato dalla conversione dal formato proprio del CAD all’STL, in “fette” orientate orizzontalmente rispetto alla disposizione che si è fatta dell’oggetto all’interno del volume di lavoro nella macchina. Data la particolare metodologia di lavorazione, la superficie finale del pezzo presenterà un aspetto a gradini. È evidente che a differenti spessori delle slice corrisponderanno differenti risultati finali, in particolare per le superfici curve. L’ideale sarebbe di disporre spessori infinitesimali e macchine capaci di stampare tali slice in modo velocissimo.

Per macchine a spessore di slice costante, dette slice uniformi, il problema non si pone più di tanto dato che il campo d’intervento dell’operatore è relegato alla sola scelta dell’orientazione del pezzo sulla tavola di lavoro. Discorso differente nel caso di sistemi a slice adattative; infatti, appositi software si occupano di modulare l’altezza delle slice in base alla curvatura del pezzo, per cui si avranno slice più spesse di fronte a superfici a elevato raggio di curvatura e più sottili nelle zone a curvatura elevata. Il risultato finale è quello di avere una superficie a gradini, effetto denominato staircase (letteralmente: scalinata, gradinata).

Problematiche di contenimento

Un altro importante inconveniente cui si può incorrere è il fatto che il prototipo può contenere o meno la superficie nominale. Se il profilo nominale si trova all’interno del prototipo, con una successiva figura di finitura, nel caso non siano rispettate le tolleranze indicate, il prototipo può essere accettato. Se il profilo nominale è all’esterno del profilo, se le tolleranze lo permettono, il prototipo può essere considerato buono.

Problematiche d’interfacciamento

Sono le problematiche che si riscontrano durante il passaggio dati dal CAD alla macchina. C’è da dire che oggi i più diffusi CAD hanno integrati moduli di esportazione, per cui i problemi citati nel paragrafo “Problematiche di generazione del STL” sono alquanto ridotti anche se in alcune occasioni possono riscontrarsi.

Ottimizzazione della fase di stampa

La scelta di un’orientazione piuttosto che un’altra permette di avere risultati differenti. Ottimizzare la fase di stampa consiste nello scegliere la corretta orientazione per tutti i corpi messi sulla tavola di lavoro; infatti, quando si tratta di disporre un solo pezzo questa risulta abbastanza facile, poiché si deve tenere conto di ciò che può succedere al singolo pezzo.

Cambiare l’angolo che una superficie forma con la base di lavoro aumenta o diminuisce la rugosità a causa dell’aumentare dell’effetto staircase. Quando invece si devono disporre più pezzi, oltre a tenere sotto controllo quanto appena esposto, si deve cercare di ridurre il più possibile il tempo di lavorazione.

I tempi di lavorazione si riducono in modo diverso a secondo della macchina impiegata. Una disposizione con i pezzi lungo l’asse y, ha un tempo di costruzione molto superiore a quello per realizzare gli stessi pezzi disposti lungo l’asse x della macchina.

Le linee guida che si possono delineare per la disposizione dei pezzi sono le seguenti:

  • Valutare preventivamente l’orientazione ottimale e tenere presenti le disposizioni possibili, compatibilmente con le specifiche imposte dal committente.
  • Tra le orientazioni ammissibili, scegliere quelle che presentano altezza inferiore.
  • Disporre sulla tray (tavola di appoggio) pezzi che presentano altezza il più possibile omogenea
  • Cercare di ricoprire la maggior superficie possibile della tray, con il criterio precedentemente esposto, al fine di ridurre le passate per completare la slice.

Le tecniche RP

Dalla prima prototipatrice di Charles W. Hull basata sulla tecnica SLA-1 si sono sviluppate molte altre tecniche la cui differenza sostanziale consiste nell’avere oggetti con caratteristiche meccaniche che si avvicinano sempre più alla produzione di serie. Vediamo adesso qualcuna di queste tecniche.

SLA (StereoLitographic Apparatus)

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1) Sviluppo del modello con CAD

2) Elaborazione CAM per tradurre il modello in slice

3) Liquido che polimerizza (passa allo stato solido) in presenza di luce laser

4) Meccanica che, guidata dal computer, abbassa la tavola di appoggio (tray) e quindi il prototipo in costruzione realizzando in successione gli slice (“le fette”) superiori

5) Il generatore di luce laser che viene guidato dal computer per generare, per polimerizzazione (rendere solido il liquido), il prototipo strato dopo strato

La stereolitografia è stata la prima tecnica messa a punto. Si basa sulla polimerizzazione di un liquido per effetto di un laser. Nella prima fase si predispone il posizionamento finale del pezzo da realizzare su workstation ed eventualmente si generano i supporti. Successivamente il laser, focalizzato sul piano di lavoro mediante sistemi ottici, provvede a polimerizzare la prima sezione del prototipo. Successivamente il piano si abbassa e il procedimento prosegue con la polimerizzazione dello strato successivo.

Struttura a nido d’ape

Per ridurre il tempo di costruzione il laser polimerizza solo i contorni esterni delle superfici e le collega con una struttura a nido d’ape per cui alla fine della costruzione il pezzo è esposto a raggi UV mediante apposite lampade per un tempo sufficiente alla completa polimerizzazione.

La tecnica PolyJET

Il processo pratico si basa sulla deposizione di strati liquidi di fotopolimeri sensibili ai raggi ultra violetti e quasi in contemporanea due potenti lampade UV provvedono al loro indurimento. Più precisamente una serie di pompe trasportano due resine, quella che serve per realizzare il modello e quella che serve come supporto, dalle cartucce ai serbatoi della testina. La testina provvede a deporre in modo appropriato le resine. In particolare la resina “modello” è depositata dove c’è il volume del prototipo, invece quella supporto si utilizza per riempire le cavità o per sorreggere pareti inclinate di un angolo maggiore di 88° (gradi sessagesimali) con la linea dell’orizzonte (lato oggetto).

Deposta la slice, che presenta spessore di 16 μm, viene esposta a radiazione UV per mezzo delle lampade UV poste ai lati della testina e solidali con essa. A questo punto il piano si abbassa della quantità necessaria e il procedimento si ripete.

Questa tecnica ha la caratteristica di ottenere delle superfici la cui rugosità varia dai 2-3 µm ai circa 15 µm, con delle risoluzioni molto spinte.

 

Multi Jet Modeling (MJM)

Questo metodo è quanto di più simile ci sia a una stampante a getto di inchiostro. Nella testina è presente una resina termoplastica che viene disposta sulla tavola di lavoro a creare la slice. Successivamente si abbassa la tray e la resina aderisce alla slice precedente.

 

Drop on Demand (DOD)

Questo metodo è simile al precedente, il materiale del modello e quello del supporto sono depositati in sequenza e poi si passa alla slice successiva fino alla fine. Il post trattamento consiste nell’eliminare il materiale di supporto.

(Selective) Laser Sintering

La sinterizzazione laser, una volta chiamata anche SLS (Sinterizzazione Laser Selettiva), fa impiego di polveri, termoplastiche, metalliche o silicee, e come dice il nome, fa uso di un laser per sinterizzare i materiali impiegati per la costruzione del prototipo. Inizialmente viene steso un sottile strato di polvere da un apposito apparato e il laser provvede alla sinterizzazione ove necessario. La tavola si abbassa della quantità voluta, si stende un altro strato di polvere e il tutto si ripete. Il vantaggio sta nel fatto che si possono utilizzare diverse tipologie di polveri e non c’è bisogno di prevedere dei supporti dato che è la polvere non sinterizzata che provvede a sostenere i piani superiori. Alla fine del processo il pezzo deve essere liberato dalla polvere in eccesso, operazione non molto complessa, e nel caso di polveri metalliche e ceramiche, subiscono anche un trattamento termico per migliorarne le caratteristiche. Per tutti gli altri materiali si possono prevedere altri tipi di trattamento a secondo delle esigenze.

 

Modellazione a deposizone fusa (FDM)

La modellazione a deposizone fusa (Fused Deposition Modelling, FDM) fa uso di fili e barrette di materiale termoplastico, deposto su un vassoio da una testina capace di muoversi lungo 3 assi x, y e z. Il processo è tutto automatico, così come l’eventuale generazione dei supporti, spesso creati a nido d’ape per alleggerire la struttura. Alla fine della lavorazione il prototipo non richiede di ulteriori trattamenti fuorché l’eliminazione dei supporti ove non necessari.

Produzione di oggetti laminati (LOM)

La produzione di oggetti laminati (Laminated Object Manufacturing, LOM) o laminazione di fogli di carta, impiega fogli di carta speciale tagliata secondo la slice voluta e incollata alla precedente. Il suo vantaggio è quello di poter avere dimensioni relativamente elevate per il volume di lavoro. Il supporto è costituito dalla carta in eccesso e il post trattamento è molto delicato in quanto bisogna estrarre il materiale in eccesso con attrezzi tipici della lavorazione del legno. In più, avendo il prototipo un aspetto simile al compensato, bisogna fare una finitura con carta abrasiva per evitare rischi di distacco degli strati e sicuramente un trattamento di impermeabilizzazione per prevenire l’assorbimento di umidità.

Stampa 3D

Questa lavorazione è simile alla SLS, ma le polveri anziché essere sinterizzate vengono mantenute insieme da un collante spruzzato con una testina simile a quelle presenti nelle stampanti a getto d’inchiostro. Il collante viene rapidamente asciugato e il prototipo ottenuto va delicatamente estratto per evitare sfaldamenti e sottoposto a un trattamento termico per migliorarne le caratteristiche.

Sul mercato oggi esistono stampanti 3D “fai da te” che utilizzano una varietà di materiali e che permettono di creare la maggior parte di oggetti 3D, come ad esempio la stampante Fabber prodotta dal progetto open source Fab@Home[3] o il progetto RepRap.

Fusione laser selettiva (SLM)

Anche la fusione laser selettiva (Selective Laser Melting, SLM) è del tutto simile alla sinterizzazione laser selettiva, ma se ne differenzia per l’impiego di polveri metalliche integrali, ossia senza l’ausilio di bassi fondenti. Ne deriva che anche il laser è più potente e alla fine si ha un oggetto del tutto simile alla produzione di serie, che non richiede particolari finiture superficiali e che può essere sottoposto tranquillamente a lavorazioni tradizionali. Allo scopo di prevenire l’ossidazione dei metalli nella camera di lavoro si ricrea un’atmosfera inerte.

Electron Beam Melting (fusione da fascio elettronico)

È del tutto simile alla precedente, solo che per permettere una corretta focalizzazione del fascio elettronico sul piano di lavoro si deve creare il vuoto nella camera di lavoro, il che previene anche la formazione di ossidi metallici nelle polveri.

Il fascio elettronico, potendo concentrare una potenza di spot superiore rispetto al laser, può fondere polveri metalliche alto fondenti quali il titanio.

Una particolare applicazione fattibile con questa tecnica è la produzione di protesi biomediche in titanio, mediante l’utilizzo di polveri di titanio ad alta compatibilità biomedica.

Laser engineered net shaping (LENS)

È un processo di formatura con cui si ottengono componenti metallici depositando fili o polvere metallici in una poltiglia di metallo generata dall’azione di un fascio laser di elevata potenza sulla superficie superiore di un substrato metallico preventivamente depositato su una piattaforma.

 


 

Bibliografia

  • F. Bernardo – “Prototipazione Rapida e Progettazione Aeronautica: dall’analisi dei parametri operativi alla verifica sperimentale del prototipo” – Tesi di Laurea – 2006 – Università degli Studi di Salerno
  • Galardi L., Truono F. – “La prototipazione rapida come strumento di benchmarking” – Tesi di laurea – 2003 – Università degli Studi di Salerno
  • Slide dell’università degli Studi di Lecce, Prof. Carola Esposito Corcione

 

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La plastica: tipologie e tecnologie.

Un po’ di storia sulle materie plastiche.

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Nel 1920 H. Standinger teorizza che la plastica è formata da polimeri costituiti di macromolecole.

Tra il 1920 e 1930 si formulano il Cellophane, ossia un film trasparente, il cloruro di polivinile PVC, materiale utilizzato per creare fili elettrici e tubi; segue la creazione del Nylon per le fibre tessili, le resine ureiche per la produzione di casalinghi, il Perpex metacrilato polimerizzato per lenti, occhiali e macchine fotografiche e il Polistirolo che è una resina polistirenica ad uso espanso per coibentazione di case, aerei e frigo.

Nel 1950 si procede con altre creazioni come la fibra tessile, utilizzata per tessuti elastici e calze da donna, denominata Lycra; il politetrafluoretene PTFE noto con il nome di Teflon, con il quale si attuano il rivestimento anti-aderente delle padelle.

Nel 1953 viene scoperto da K. Ziegler il Polietilene PE che ha ricevuto il Premio Nobel; segue nel 1954 l’assegnazione di un altro Premio Nobel a G. Natta per la scoperta del Polipropilene PP. In seguito, nel 1970 nascono i tecnopolimeri, speciali formazioni di plastiche con caratteristiche meccaniche e fisiche di altissimo livello.

La materia prima.  

Per quanto riguarda le materie plastiche, si considera ora la loro composizione, costituita da polimeri, macromolecole di sostanze organiche a elevato perso molecolare. I polimeri derivano da avviluppamenti chimici di un gran numero di piccole molecole di monomero del medesimo tipo.

Le sostanze naturali da cui derivano le materie plastiche, dopo apportuni processi, sono:

  • cellulosa (legno)
  • oli vegetali
  • mais e semi di soia
  • cereali

La maggior parte delle materie plastiche oggigiorno vengono prodotte da:

  • carbone
  • gas metano
  • petrolio

I polimeri. 

La trasformazione della materia prima avviene attraverso la polimerizzazione, che è il processo che permette di trasformare le materie prime in materie plastiche. Le materie prime vengono polimerizzate attraverso differenti procedimenti per ottenere materie plastiche sotto forma di granuli, pastiglie, polveri o liquidi. Le possibili polimerizzazioni sono: in massa, in soluzione, in sospensione e/o in emulsione.

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Le materie plastiche di base prodotte dalla polimerizzazione sono commercializzate sotto molte forme a seconda dell’impiego successivo come :

  • granuli, polveri per stampaggio di oggetti
  • resine liquide, da accoppiare a cemento, fibra di vetro, fibra di carbonio
  • vernici
  • adesivi
  • film

I campi di applicazione dei polimeri sono svariati.

In edilizia li ritroviamo nelle finestre in PVC, tubi per l’impianto idraulico PVC, fili elettrici PVC, canaline elettriche PVC, materiali espansi per le casseforme PS, calcestruzzo con resine sintetiche, fogli per impermeabilizzare bacini, strade, fondazioni PVC, lastre per isolamento termico PE PS PUR.

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In packaging utilizzati per film PE- LLD, contenitori PS, PC, in bottiglie PET.

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Nei mezzi di trasporto come spoiler, paraurti, parafanghi, cofani, portelloni PUR ( poliuretani ) RIM ( poliuretano rigido ), fari PC, camper, interni autobus, barche SMC, fibra di vetro impregnata con resina, parte di aerei, fibre di carbonio impregnate con resina.

Attualmente le materie plastiche costituiscono in media il 10% del peso di un auto ( 70-150kg) ma la percentuale è in aumento. Il 65% degli aerei di linea è costituito da materiali compositi rinforzati.

In elettronica si usano nei materiali isolanti Termoindurenti classici, PA (Nylon), PC (policarbonato), carrozzerie di computer, oggetti elettronici in genere, cassette VHS ABS (acrilonitrile-butadiene-stirene), PS (polistirene), PC (policarbonato).

In casa nei mobili PP (polipropilene), PU (poliuretano) lampade PC (policarbonato), PMMA (polimetilmetacrilato).

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Produzione e Consumi. 

Si considera ora alcuni dati Economici e Produzione in Europa.

Nel 2003 nel settore della plastica sono state impiegate 1.000.000 persone e sono state prodotte materie plastiche per circa 29 miliardi di euro e prodotte macchine per la lavorazione delle plastiche per 9 miliardi di euro.

Per quanto riguarda i consumi nel 2002 sono stati consumati 96,6 Kg di plastica procapite e nel 2003 Kg. 98 procapite.

Inoltre nel settore del Packaging  nell’anno 2003 14 milioni di tonnellate di materiale, nel settore auto 3 milioni di tonnellate.

Le materie plastiche sono suddivise in tre grandi famiglie:

  • materiali termoplastici
  • materiali plastici termoindurenti
  • materiali plastici elastomerici (elastomeri)

I materiali termoplastici rammolliscono ripetutamente con il calore sino a diventare scorrevoli e solidificano per raffreddamento, In seguito ad un processo di trasformazione (stampaggio) essi assumono cambiamenti di stato re ersibili.

Gli scarti di lavorazione derivanti dallo stampaggio possono essere rigenerati e possono essere riutilizzati.

Possono essere termoformati (vasche da bagno o le cassette della frutta) e saldati.

Altri materiali plastici sono termoindurenti derivano da prodotti macromolecolari che, reagendo fra di loro, formano macromolecole strettamente reticolate dal lato chimico.

Non sono reversibili per cui, una volta stampati e avvenuta la reazione chimica non sono più utilizzabili se non come carica (particelle aggiunte alle plastiche per modificare le caratteristiche meccaniche).

Non sono termoformabili e saldabili.

Ora considerando i materiali plastici elastomerici, (elatomeri) possiamo specificare che sono materiali che a temperatura ambiente hanno un comportamento gommoelastico, e che se sollecitati a trazione o co,pressione di deformano, e che una volta eliminata la forza ritornano all’entità originale ( come gli stivali di gomma, le suole di ulcune scrpe, i tappi non di sughero per il vino, o la parte plastica delle chiavi delle macchine).

Si tocca ora il campo degli agenti ausiliari dei quali molti manufatti stampati hanno bisogno per migliorare la resistenza al fuoco, la sicurezza, l’igiene nel settore alimentare, le caratteristiche mecccaniche, la stampabilità.

Il processo di produzione dei semilavorati e dei manufatti.

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  • coloranti: pigmenti organici ed inorganiciinsolubili che conferiscono il colore alla palstica, sono chiamati masterbatch
  • cariche: sono polveri (farine di legno), fibre (legno, vetro allumimio, carbonio, araldite),

            sferette di vetro, servono a risparmiare materiale, migliorare la lavorabilità e le caratteristi che meccaniche

  • agenti scivolanti e distaccanti: abbassano la viscosità delle masse plastiche, facilitano il distacco dagli stampi
  • agenti stabilizzanti: diminuiscono il degrado delle plastiche agli agenti atmosferici, ai raggi UV, all’ossidazione
  • agenti antistatici: impediscono alla plastica di attirare la polvere per effetto dell’eletricità statica
  • ritardi di fiamma: diminuiscono l’infiammabilità delle plastiche
  • agenti flessibilizzanti: migliorano la flessibilità delle plastiche fragili
  • agenti plastificanti : regolano la tenacità delle materie plastiche rigide

Seguono le tecnologie di lavorazione del materiale plastico.

Miscelazione.

I materiali termoplastici devono essere miscelati con agenti ausiliari. Alcuni esempi di apparecchi per la miscelazione della plastica con gli agenti ausiliari sono la dosatrice gravimetrica e dosatrice volumetrica.

Plastificazione dei polimeri. 

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Le premiscele di granuli o polveri ed additivi vengono fuse e omogeneizzate mediante estrusori-omogeneizzatori. La massa fusa viene poi lavorata a caldo o a freddo.

Per quanto riguarda la granulazione a freddo, una volta estruso il materiale ed omogeneizzato esce dalla matrice e viene raffreddato in un bagno d’acqua ed essiccato prima di passare alla granulatrice, una taglierina che riduce l’estruso filare i granuli cilindrici.

Con la granulazione a caldo invece, la massa fusa ed omogeneizzata, viene tagliata in granuli appena esce dalla matrice di estrusione. I granuli vengono raffreddati in acqua subito dopo il taglio. In questo caso i granuli hanno forma sferica o lenticolare.

Lo stampo.

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Lo stampo è composto di una matrice, detta anche femmina e di un punzone, detto anche maschio. L’unione dei due pezzi genera la forma da dare all’oggetto da stampare.

Può avvenire uno stampo a iniezione dove la vite per iniezione introduce la materia plastica nello stampo, mentre il pistone idraulico, attraverso un meccanismo a ginocchio, tiene lo stampo chiuso: infatti l’iniezione della plastica avviene ad alta pressione e tende ad aprire lo stampo.

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Lo stampo ad iniezione avviene in diverse fasi; nella prima fase vengono introdotti i granuli e gli agenti. La vite incomincia a girare miscelando i granuli, mentre le resistenze riscaldano il materiale.

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Segue la seconda fase in cui la vite avanza e spinge la massa fusa nello stampo,quindi la vite senza fine spinge la massa fusa nello stampo attraverso il canale d’iniezione ed inizia lo riempimento dello stampo. Per l’elevata spinta, la macchina tiene chiuso lo stampo attraverso un pistone idraulico. Lo stampo è opportunatamente riscaldato per permettere un buon flusso della plastica sino a riempire tutta la figura. Si arriva così alla terza fase in cui la vite senza fine esegue una post compressione a pressione più bassa per compensare il ritiro ( la plastica fusa, una volta solidificata tende a ritirarsi, cioè a diminuire il suo volume): a questo punto la vite sospende la spinta e il pezzo si raffredda per qualche istante nello stampo in modo che la plastica si solidifichi completamente per permettere al pezzo stampato di uscire dallo stampo senza deformarsi. Con la quarta ed ultima fase, l’iniezione è completata, il manufatto si è raffreddato ed è diventato solido e così è possibile aprire lo stampo per l’estrazione del pezzo stampato.

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Estrusione.

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In questo processo la massa fusa viene spinta dalla vite attraverso una matrice d’estrusione. Attraverso il processo di estrusione possono essere estrusi differenti profili. Il più interessante è il profilo cavo per cui l’estruso può essere svuotato creando un profilo resistente e leggero. Questa tecnica permette di estrudere profili a sezione cava utilizzando l’aria per svuotare il profilo. La linea completa di estrusione è composta dall’estrusione, da un’unità di classificazione granulometrica, da un’unità di raffreddamento per poi passare al taglio. I profilati di norma sono tagliati a 6 m per problemi di trasporto sui camion. I profilati sono di tre tipi, ossia profilati cavi, profilati aperti e profilati a barra piena.

Estrusione di film soffiato.

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Questo tipo di estrusione consente di produrre ad esempio i sacchi per rifiuti di colore nero. La linea di estrusione di film soffiato è costituita da un estrusore con matrice ad anello, un anello di raffreddamento ad aria, un dispositivo per il trascinamento del film e i rulli di avvolgimento del prodotto finale. Il tubo soffiato viene stirato sino a ¾ volte il diametro della matrice ad anello.

Estrusione di film piatto.

L’apparecchiatura per un film piatto contiene un estrusone con matrice piatta, rulli refrigeranti, dispositivo di taglio e unità di avvolgimento. La massa fusa che esce dalla matrice è pressata contro il primo rullo refrigerante mediante aria calda. Il raffreddamento è seguito dal taglio e dall’avvolgimento.

Estrusione su cavo o tondino metallico.

Il cavo di rame, acciaio o alluminio è trainato attraverso una matrice rotonda rotante e ricoperto di plastica. Dopo il raffreddamento viene avvolto il bobine per il trasporto. Con questa tecnica si producono cavi elettrici, reti per recinzioni, cavi per stendere la biancheria e tubi metallici.

Estrusione/soffiaggio.

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Questo processo consente di produrre oggetti cavi come bottiglie e flaconi. L’unità è composta da due sezioni: la prima è un estrusore che genera il parison, uno sbozzato di forma cilindrica cavo all’interno.

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Nella seconda sezione il parison passa nello stampo (nell’esempio di una bottiglia). Lo stampo della bottiglia è aperto per consentire al parison di entrare senza interferenza in quanto è allo stato plastico. Entrato completamente il parison, lo stampo della bottiglia si chiude bloccando la parte del parison che va a formare il collo e il sistema di chiusura della bottiglia ( chiusura a vite). Dopodichè dal collo della bottiglia viene immessa aria compressa che deforma il parison, facendolo aderire alle pareti dello stampo, prendendo la forma del medesimo.

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La bottiglia è formata. Lo stampo si apre per permettere a due taglierine di asportare le parti di plastica in eccesso dal collo della bottiglia e per staccarla dal parison. Dopodichè la bottiglia esce dallo stampo.

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Questo processo avviene in due fasi. Nella prima fase viene stampato con la tecnologia dell’iniezione uno sbozzato, un corpo cilindrico della forma di una provetta da laboratorio, che ha già la filettatura per avvitare il tappo. Lo stampaggio ad iniezione dà la sicurezza di avere spessori costanti ed alta precisione nella stampa della filettatura. Per essere rilavorato lo sbozzato viene sottoposto a riscaldamento per rendere deformabile la plastica. Nella seconda fase lo sbozzato opportunamente riscaldato, viene inserito nello stampo con la figura da realizzare. Immettendo aria compressa all’interno dello sbozzato, questo si deforma fino ad assumere la forma dello stampo. Terminata la formatura, lo stampo si apre e viene estratta la bottiglia finita.

Con il processo di produzione monofase, la macchina plurifunzione è in grado di produrre bottiglie finite partendo dai granuli di plastica. Una pressa stampa gli sbozzati che poi vengono spostati nella stazione di preriscaldamento; nella stazione successiva gli sbozzati vengono trasformati nella forma definitiva e quindi avviati al riempimento. Queste macchine sono situate direttamente nelle fabbriche di imbottigliamento ( acqua minerale, cosmetici, detersivi, oli) per risparmiare il trasporto di oggetti vuoti e voluminosi a basso valore.

Per quanto riguarda il processo di produzione bifase invece, gli sbozzati sono prodotti da aziende specializzate. Gli sbozzati, essendo meno ingombranti del prodotto finale, sono trasportati nelle aziende di imbottigliamento che hanno una macchina che soffia il prodotto finito da avviare all’imbottigliamento.

Iniezione/stiro/soffiaggio.

Questo processo avviene in tre fasi; nella prima fase viene stampato con la tecnologia dell’iniezione uno sbozzato o parison, un corpo cilindrico della forma di una provetta da laboratorio, che ha già la filettatura per avvitare il tappo. Lo stampaggio ad iniezione da la sicurezza di avere spessori costanti ed alta precisione nella stampata della filettatura. Per essere rilavorato lo sbozzato viene sottoposto a riscaldamento per rendere deformabile la plastica.

Nella seconda fase lo sbozzato passa in un altro stampo dove, attraverso la pre-soffiatura, viene trasformato un una preforma. La preforma è una forma cava di dimensione intermedia rispetto alla forma finale. Nella terza fase la preforma, opportunamente riscaldata, viene introdotta nello stampo definitivo per il soffiaggio. Questa tecnologia viene utilizzata quando si devono stampare contenitori di una certa dimensione e si vuole controllare la dilatazione e quindi lo spessore della pareti dello stampo.

Termoformatura.

Questo processo prevede lo stampaggio di una lastra di materia plastica riscaldata. La astra, allo stato plastico, viene forzata sulle pareti dello stampo creando depressione attraverso una macchina per il vuoto. La lastra è ottenuta da un premilastra che, tenendo fermi i bordi, obbliga la medesima a deformarsi per assumere la forma dello stampo. Lo stampo ha una serie di fori per permettere all’aria aspirata dalla macchina del vuoto di passare. La lastra viene riscaldata da una piastra che sovrasta lo stampo. Terminato il riscaldamento, la macchina del vuoto aspira aria e costringe l lastra a deformarsi e a prendere la forma dello stampo. Il manufatto stampato deve poi essere rifilato ai bordi.

Trasformatura a stampo positivo.

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Questo processo inverte il concetto della trasformatura classica: invece di aspirare la lastra sullo stampo, in questo caso è lo stampo che sale ed aderisce alla lastra, la quale è stata opportunamente riscaldata e deformata. Nella prima fase la lastra viene riscaldata dal riscaldatore sovrastante.

Nella seconda fase viene insufflata aria attraverso i buchi dello stampo in modo da trasformare la lastra. Nella terza fase la tavola stampo sale e lo stampo si posiziona della deformazione della lastra. Nella quarta fase si inverte il flusso d’aria compressa: si crea il cosiddetto “effetto vuoto” per far aderire la lastra allo stampo.

Stampaggio rotazione.

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E’ una tecnologia che permette di stampare oggetti vuoti all’interno, come ad esempio un pallone da calcio che è vuoto all’interno e non sarebbe stampabile con qualsiasi altra tecnologia. Inoltre si possono stampare manufatti di grosse dimensioni con stampi in lamiera o vetroresina ( resina e fibre di vetro) di costo contenuto. E? Una tecnologia lenta e non richiede impianti sofisticati.  

Il processo avviene in quattro fasi. Nella prima fase viene introdotto nello stampo il materiale da stampare (PET,PP) in polvere. Nella seconda fase lo stampo, montato su un braccio che ruota contemporaneamente secondo tre assi, viene posto in un forno. La temperatura scioglie la polvere portandola allo stato liquido: questa incomincia a scivolare su tutte le pareti dello stampo disponendosi uniformemente su di esse. Nella terza fase, quando il materiale ha ricoperto tutte le pareti dello stampo, questo viene tolto dal forno continuando a ruotare. Nella quarta fase, quando il pezzo stampato è completamente raffreddato, viene estratto dallo stampo. Nell’immagine si nota un impianto per lo stampaggio rotazionale a ciclo continuo. Mentre un braccio entra nel forno, l’altro ne esce e passa nella stazione di raffreddamento mentre un terzo porta lo stampo pronto per essere caricato di polvere.

Nelle immagini sottostanti si nota che sul braccio rotante si possono montare o un solo stampo se questo è di notevoli dimensioni, oppure fino a quattro stampi più piccoli, accelerando noteolmente i tempi di produzione.

Stampaggio per colata del Polluretano PUR.

Il PUR può essere stampato allo stato flessibile (imbottitura in genere) o rigido (carrozzerie). Inoltre lo si può stampare a bassa o ad alta pressione. Nel processo a bassa pressione, la testa di miscelazione (in rosso) viene accostata allo stampo per colorare il PUR. Il PUR nasce dalla miscela di resine termoindurenti denominate Isocinato e Poliolo.

Per colare il Poliuretano si utilizzano macchine che hanno un braccio molle che sostiene la testa di miscelazione: così è possibile iniettare il PUR in più stampi contemporaneamente muovendo solo la testa. Il PUR flessibile può essere stampato anche “autopellante o integrale”: il materiale iniettato crea una pelle, una finitura ad effetto pelle come nei braccioli delle portiere delle auto, nei volanti o delle sedie.

Stampaggio per colata del Poliuretano RIM (Reaction Injection Moduling)

Questo processo permette di utilizzare miscele liquide per un miglior riempimento dello stampo con pressione di riempimento bassa e quindi utilizzano stampi in alluminio. Si possono ottenere pezzi di grosse dimensioni e di ottima finitura.

Stampaggio per compressione.

Questa tecnologia vine utilizzata per le resine termoindurenti e gli elastomeri. La resina viene introdotta nello stampo preriscaldato. Il punzone chiude lo stampo per cui la pressione e la temperatura provocano la liquefazione della resina. In uno o due minuti si ottiene la completa reticolazione della resina, dopodichè il pezzo è pronto per uscire dallo stampo. Successivamente il manufatto deve essere sbavato, ossia l’asportazione della resina in eccesso ai bordi.

Stampaggio ad espansione.

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Questa tecnologia serve a produrre materiali che hanno la capacità di espandersi: ad esempio il polistirene ( polistirolo espanso). Vengono immessi in uno stampo di alluminio granuli con agenti schiumanti che rilasciano CO2 se riscaldati. Nello stampo viene immesso vapore a pressione 3 atm. I granuli si espandono anche 20 volte il loro volume iniziale sino a saturare lo stampo.

Calandratura.

Con questo procedimento si ottiene film di PVC partendo dalla resina. Passando fra i rulli la plastica viene gradatamente assottigliata sino a raggiungere lo spessore di 1,2 mm. I rulli possono anche goffrare il film imprimendo un disegno.

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Materiale di supporto: slide Prof. Carola Esposito Corcione.

Lampeggiante da bici

E una piccola lampada che si monta sulla bici o dirretamente sul casco.

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Materiali e processo di lavorazione: -Le parte in plastiche sono composti di materiali thermoplastici, invece la parte centrale e una plastica thermoindurente.Sono creati tramite il processo di stampaggio ad inezione.
-I pezzi d’alluminium che servono di conduttore per le batterie che alimentono le led.
-Le led con le loro schede di circuito.

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http://it.wikipedia.org/wiki/LED
Esempio di stampaggio ad inezione
Esempio di creazione di un lampa
Computer chip per led + montaggio

I GUANTI IN LATTICE

I guanti in lattice sono prodotti per stratificazione grazie all’immersione di forme positive in  vasche di lattice. il procedimento però è costituito da più fasi. Nota bene che le fasi di stratificazione sono state pensate al contrario ovvero la prima fase corrisponde allo strato che si troverà nella parte più esterna del guanto, la seconda quello intermedio e così facendo.

1- Le forme vengono immerse  nel lattice al naturale che una volta solidificato diventa trasparente.

2- Le forme vengono immerse nuovamente in un secondo vascone di lattice, al quale però è stato aggiunto un      colorante. A questo punto il lattice però necessita di un ulteriore trattamento affinchè non si laceri.

3- Le forme infatti vengono immerse in un ultimo vascone contenente materiale plastico termoindurente, il quale darà maggiore compattezza e resistenza al guanto.

Infine i guanti possono essere estratti dalla forma. Estraendoli, vengono rigirati e si troveranno nella posizione corretta per l’imballaggio e la vendita.

LO PNEUMATICO

Lo pneumatico.

Storia.

Migliorando la qualità delle strade le ruote vennero ricoperte di gomma. Inizialmente erano di gomma piena ma risultavano appiccicose, rammollivano con il caldo e indurivano con il freddo. Fu il sig. Goodyear, che per puro caso, trovò la giusta combinazione di sostanze. Infatti  notò che un miscuglio di gomma e zolfo, cadutogli per puro caso nella stufa, assunse delle proprietà elastiche e di resistenza sorprendenti. Fu il primo a introdurre nella sua fabbrica il processo di VULCANIZZAZIONE. Il sig. Dunlop invece, nel 1887 inventò lo pneumatico con la camera d’aria.­

Tipologia.

TUBE:  una camera d’aria racchiude l’aria compressa.

TUBELESS:  senza camera d’aria. La copertura fatta di gomma e tele di fibra o metallo attutisce gli urti.

NPT: non pneumatic tires, non richiedono aria.

PIENI:  hanno una struttura piena in plastica.

TWELL: tra la copertura esterna in gomma e il mozzo sono inseritei raggi poliuretano. Strutturali.

Caratteristiche.

-larghezza battistrada:  automobilistico, a maggiore larghezza più tenuta,ma cambi direzione più lenti

-altezza spalla: distanza tra manto stradale e cerchione. Deformazione del profilo.

-pressione pneumatico:  varia in base alla massa del veicolo, tipologia strada e periodo climatico.

-temperatura: stradali intorno ai 50-80°C, ambito sportivo anche 130.

Struttura.

-battistrada:  prodotto in gomma sintetica (SBR).

-pacco cinture: strati multipli (tra carcassa e battistrada), aumentano la resistenza dello pneumatico,protezione contro urti e forature e garantiscono migliore distribuzione delle forze su improntale laterale del battistrada.                                                                                                                                        -spalla

-carcassa o tela: consente  la trasmissione di tutte le forze di carico tra la ruota e il terreno come quelle che si sprigionano durante la frenata e nelle manovre di sterzatura.

-Nervatura fascio o cerchietti: fasce d’acciaio poste nel tallone, accomodano lo pneumatico sul cerchione.

Differenza tra pneumatico convenzionale e radiale.

Pneumatico convenzionale: gli strati di armatura sono inseriti diagonalmente, conferiscono più omogeneità a spalla e battistrada. Maggiore resistenza agli urti laterali. Forte stabilità laterale

Pneumatico radiale: disposizione dell’armatura in senso trasversale rispetto alla direzione di marcia. Scarsa deformabilità del fianco, la pressione al suolo viene distribuita in modo più uniforme. Minor compattamento.

Riciclaggio.

I pneumatici vengono trattati in impianti dove si separa la gomma della tela e dal metallo. La gomma recuperata viene ridotto in POLVERINO. Utilizzato come componente per creare bitumi modificati rende il manto stradale più resistente alle deformazioni e a pioggia e neve. Versione Wet, il polverino è miscelato al bitume, assorbendolo si gonfia e diventa gommoso. L’asfalto a base di polverino è drenante,fonoassorbente.

Vulcanizzazione.

Processo di lavorazione della gomma la quale viene legata chimicamente allo zolfo mediante riscaldamento. Oggi si intente un qualsiasi processo chimico con risultati analoghi. Provoca una modificazione della conformazione molecolare del polimero. Aumento di elasticità e resistenza a trazione. Soppressione di proprietà negative quali l’abrasività e l’appiccicosità oltre che una maggiore resistenza agli effetti dell’ossigeno.atmosferico.

Grammatica.

Etimologia: dal greco pneymatikos (che ha rapporto col soffio) e pneumatos soffio spirito vento.  La grammatica della nostra lingua impone che “lo” (insieme a “i” per il plurale) si usi “davanti a s impura, sc, z, ps, gn, pn, x, y, j e i con valore consonantico“. L’alternanza degli articoli il/lo e un/uno (e naturalmente dei plurali corrispondenti i/gli, dei/degli) corrispondono i primi a un registro più familiare, mentre i secondi appartengono ad un uso più sorvegliato della nostra lingua.