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La lavorazione CNC e la stampaggio a iniezione sono opzioni importanti nella produzione di parti meccaniche per l’industria elettronica, con i propri punti di forza e considerazioni. La lavorazione CNC offre precisione e flessibilità per parti personalizzate e tempi di consegna brevi, mentre la stampaggio a iniezione vanta efficienza e scalabilità. Comprendere le complessità di queste tecnologie, tra cui la compatibilità dei materiali, la flessibilità di progettazione e la capacità di produzione, consente a ingegneri e progettisti di prodotto di selezionare il processo di produzione ottimale.
Negli ultimi dieci anni ho avuto l’opportunità di lavorare con vari clienti nel settore dell’elettronica, affrontando diversi progetti e utilizzando una vasta gamma di tecnologie. Questo articolo, scritto in collaborazione con i nostri ingegneri, si concentra sulle parti meccaniche dell’industria elettronica prodotte con processi di lavorazione CNC e stampaggio a iniezione di materie plastiche, le scelte più popolari, soprattutto per la produzione di medi e alti volumi di dispositivi elettronici finali.
Ci auguriamo di fornire preziosi spunti sulle considerazioni chiave quando si progettano parti meccaniche per le esigenze specifiche del campo elettronico.
Perché scegliere la lavorazione CNC per l’elettronica?
La scelta della tecnologia di produzione dipende da diversi fattori, come la complessità della progettazione o il volume di produzione. Ma soprattutto è necessario garantire la funzionalità e l’affidabilità dei dispositivi elettronici, il che rende essenziale una produzione di alta precisione. Componenti come alloggiamenti metallici, connettori o dissipatori di calore, ad esempio, richiedono tolleranze molto precise per adattarsi perfettamente ai componenti elettronici. Ciò significa che tolleranze ristrette e ripetibilità del processo sono essenziali.
La lavorazione CNC è la tecnologia che ci consente di ottenere le migliori tolleranze e di lavorare con una gamma quasi infinita di materiali (tutto ciò di cui abbiamo bisogno è un blocco o una barra del materiale). Ciò ci consente di progettare prodotti che si adattano bene all’ambiente in cui verrà utilizzato il dispositivo.
Sebbene la produzione di lamiera sia ideale per produrre parti economiche con spessore costante che possono essere tagliate o piegate, tende ad essere meno precisa. Tuttavia, i materiali disponibili per la lamiera sono simili a quelli per la lavorazione CNC, quindi le caratteristiche dei materiali e le finiture menzionate di seguito si applicano anche alle forme della lamiera.
Compatibilità elettromagnetica della lavorazione CNC per parti come connettori o dissipatori di calore
È importante garantire che i dispositivi possiedano la compatibilità elettromagnetica. Ciò significa che dispositivi come connettori e piccoli componenti in rame devono essere progettati in modo tale da non causare o subire interferenze con altri dispositivi. In termini pratici, ciò significa fornire una schermatura elettromagnetica, che comporta, ad esempio, racchiudere il dispositivo elettronico in un materiale conduttivo come acciaio o alluminio per bloccare le onde elettromagnetiche. Questo si può fare nella lavorazione meccanica e nella lavorazione della lamiera. Un’altra opzione è applicare un rivestimento conduttivo alle parti per creare semplicemente uno strato di nichel conduttivo.
Materiali di lavorazione CNC per l’elettronica
I componenti di supporto complessi possono essere realizzati con una varietà di materiali, a seconda delle esigenze specifiche dell’applicazione e spesso dell’ambiente. Generalmente in un prodotto per l’industria elettronica, le parti avranno funzioni diverse, il che significa che è richiesta una combinazione di proprietà meccaniche, elettriche e termiche.
Ad esempio, l’alluminio, come la lega 6061, è utile come dissipatore di calore. Tuttavia, i requisiti di isolamento possono essere soddisfatta con polimeri (plastica), come ABS, POM (Delrin/Acetale) o poliammide (Nylon), che sono molto standard. Il PEEK, invece, è molto più costoso e rigido, sebbene abbia anche proprietà isolanti.
La tabella seguente mette a confronto le proprietà dei materiali più comunemente utilizzati nella lavorazione CNC per l’industria elettronica:
| Materiale | Tipo di materiale | Resistenza alla trazione (MPa) | HDT a 0.46 MPa (°C) | Durezza |
| Alluminio 6061 |
Metallo | 180 – 260 | N/A | 65 – 85HB |
| ABS | Polimero | 37 | 100 | 70D |
| POM (Delrin/Acetalico) | Polimero | 66 – 67 | 156 | 81D |
| Nylon 6 / PA 6 | Polimero | 82 | 100 | 83D |
| PEEK | Polimero | 96 | 152 | 81D |
Finiture superficiali con lavorazione CNC per parti estetiche come alloggiamenti e involucri
Le finiture superficiali adatte all’elettronica vengono applicate principalmente ai metalli. Le materie plastiche vengono generalmente utilizzate per le loro proprietà intrinseche e non necessitano di post-elaborazione. Alcune di queste finiture superficiali possono aumentare leggermente lo spessore della parte, come la verniciatura a polvere o l’anodizzazione. Al contrario, l’elettrolucidatura può ridurre leggermente lo spessore. Questo è il motivo per cui è importante specificare le tolleranze desiderate dopo la post-elaborazione sui progetti, in modo che queste possano essere prese in considerazione quando le parti vengono prodotte.
Esistono tre categorie di finitura superficiale:
- Finiture senza reazione chimica
- Finiture con reazione chimica senza elettrolisi
- Finiture con reazione chimica elettrolitica
L’elettrolisi prevede l’utilizzo di una corrente elettrica per provocare una reazione chimica che non avviene naturalmente. Per fare ciò, le parti vengono immerse in un liquido conduttivo e collegate a un terminale positivo. Queste parti agiscono come anodi, perdendo elettroni nel processo. L’elettrolisi quindi forza l’ossidazione delle parti, determinando la reazione chimica desiderata.
| Finitura superficiale | Tipo | Definizione | Risultato | Materiali adatti |
| Sabbiatura | Senza reazione chimica | Spruzzare un flusso pressurizzato di piccole perle sulla superficie del pezzo per rimuovere bave e imperfezioni, lasciando una finitura liscia | Finitura uniforme e satinata | Tutti i tipi di metalli e plastiche |
| Verniciatura a polvere* | Senza reazione chimica | Applicazione di una polvere asciutta e scorrevole su una parte. A differenza della normale vernice liquida, che utilizza un solvente evaporante, la verniciatura a polvere viene applicata elettrostaticamente e poi polimerizzata sotto calore o luce UV | Superficie più liscia, migliore resistenza alla corrosione proteggendo la parte. Può fornire una gamma infinita di colori possibili | In generale i materiali più indicati sono l’alluminio e le leghe di acciaio |
| Passivazione | Con reazione chimica senza elettrolisi | Immergere la parte in un bagno acido per sciogliere il ferro e rinforzare l’azione protettiva dell’ossido di cromo naturalmente formato | Miglior resistenza alla corrosione | Acciaio inox |
| Nichelatura chimica | Con reazione chimica senza elettrolisi | Sulla superficie del pezzo viene applicato uno strato uniforme di lega di nichel-fosforo. Il componente viene poi immerso in un bagno contenente sali di nichel e agenti riduttori del fosforo. La placcatura in nichel è uniforme, conferendo alla parte una densità e una resistenza costanti | Maggiore resistenza all’usura meccanica, alla corrosione e maggiore conduttività elettrica | Tutti i tipi di metalli |
| Anodizzazione | Con reazione chimica elettrolitica | La parte viene immersa in un elettrolita, solitamente acido solforico, che funge da anodo. L’ossigeno fluisce nella parte e reagisce formando ossido di alluminio sulla superficie, che protegge la parte dalla corrosione. Esistono diversi tipi di anodizzazione:
|
Proteggono dalla corrosione, prolungano la durata delle parti, garantiscono la non conduttività e migliorano l’estetica. La finitura può essere lucida o opaca se il pezzo è stato preventivamente pallinato | Alluminio |
| Elettrolucidatura | Con reazione chimica elettrolitica | L’anodo è una parte in acciaio inox. La corrente agisce con maggiore forza sulle microrugosità superficiali, rendendola più piana e meno ruvida. Questa tecnica è particolarmente utile per la micro-sbavatura e la rimozione di eventuali impurità che potrebbero essersi accumulate durante la produzione delle parti. Un ulteriore vantaggio è che anche il ferro si dissolve più rapidamente sulla superficie, formando uno strato protettivo molto leggero di ossido di cromo, analogamente alla passivazione. | Leviga la superficie. Finitura superficiale più o meno lucida a seconda della durata dell’immersione | Acciaio inox |
| Elettrogalvanizzazione / Zincatura | Con reazione chimica elettrolitica | Questo processo prevede il deposito di un sottile strato di zinco su una parte metallica mediante elettrolisi. | Maggiore resistenza alla corrosione, finitura lucida e uniforme | Tutti i tipi di metalli |
*I rivestimenti in polvere ESD sono formulati appositamente per prevenire l’accumulo di elettricità statica, il che comporta materiali e fasi di produzione aggiuntive rispetto ai normali rivestimenti in polvere. Per questo motivo, possono essere più costosi e richiedere più tempo rispetto ai trattamenti standard.
Perché scegliere la stampaggio a iniezione per l’elettronica?
La stampaggio ad iniezione è un metodo di produzione diffuso per la produzione di involucri, prese e porta-pezzi grazie ai suoi numerosi vantaggi, in particolare nella realizzazione di parti in plastica di alta qualità, uniformi ed economiche:
- Costo competitivo per la produzione di massa: una volta realizzato lo stampo, il costo per pezzo è molto basso e diminuisce con il volume di produzione. Ciò lo rende un’opzione economicamente valida per la produzione di massa di parti durante la progettazione di dispositivi elettronici.
- Coerenza e riproducibilità: una volta stabilita l’attrezzatura, è possibile utilizzarla per produrre parti identiche. In generale, l’attrezzatura è garantita per diverse decine o centinaia di migliaia o addirittura diversi milioni di pezzi. L’eccellente riproducibilità delle parti garantisce una qualità uniforme per tutta la vita del prodotto da realizzare. Anche gli “stampi a famiglia” sono un’opzione. In questo caso vengono prodotte diverse parti contemporaneamente in uno stesso utensile, ad esempio una parte sinistra e una parte destra. Questo metodo fa sì che l’assemblaggio sia costante nel tempo.
- Precisione dimensionale: lo stampaggio a iniezione può raggiungere tolleranze molto elevate per soddisfare la complessità della progettazione dei dispositivi elettronici. Può essere utilizzato per realizzare componenti di tutte le dimensioni, in particolare quelli molto piccoli, con dettagli molto fini, ma anche con un’eccellente qualità superficiale. Questa può essere un’opzione interessante perché, oltre alla loro funzionalità intrinseca, le parti spesso richiedono un aspetto estetico specifico.
E’ tuttavia importante considerare i numerosi vincoli associati alle attrezzature, in particolare per quanto riguarda la rimozione delle parti dagli stampi. Per ottenere risultati ottimali durante la stampaggio a iniezione, è inoltre importante mantenere costante lo spessore del pezzo (generalmente intorno ai 3 mm al massimo) con nervature interne più sottili che hanno uno spessore pari a circa la metà. Questo è il motivo per cui il design deve essere adattato specificamente allo stampaggio a iniezione, il che può limitare la libertà di progettazione rispetto alla lavorazione meccanica o alla stampa 3D.
Design specifici per alloggiamenti in plastica stampata ad iniezione
Assemblaggi nel prodotto finale
Anticipare l’assemblaggio dei prodotti elettronici è possibile già in fase di progettazione. Per assemblaggi abbastanza standard, si possono prevedere piccole bugne nelle parti in modo da poter poi assemblare viti autofilettanti, in particolare per fissare le schede elettroniche. È anche facile progettare clip a scatto che funzionano molto bene con lo stampaggio a iniezione.
Sovrastampaggio nello stampaggio ad iniezione
Esistono diversi tipi di opzioni di sovrastampaggio nello stampaggio ad iniezione:
- L’aggiunta di inserti metallici filettati fornisce un metodo efficace per fissare gli altri componenti. Questo metodo è particolarmente utile quando il prodotto richiede ripetuti montaggi e smontaggi per garantire una durata ottimale, a differenza delle viti autofilettanti nelle borchie in plastica.
- È possibile sovrastampare anche altri tipi di parti metalliche, come le linguette in rame. In questo modo tutti i piccoli elementi di collegamento possono essere posizionati in modo molto preciso. In questo caso lo scopo del sovrastampaggio è quello di sigillare e proteggere i componenti elettronici e/o i cavi, garantendone l’integrità e la durata.
- Il sovrastampaggio bimateriale offre molte possibilità, in particolare quando una parte rigida è combinata con una parte flessibile. Questo approccio riduce il numero di fasi di assemblaggio, risparmiando tempo e denaro nel processo di progettazione. Inoltre, può anche migliorare l’impermeabilità dei prodotti, offrendo una migliore resistenza all’acqua, alla polvere, all’umidità o alla pressione, ad esempio negli involucri. È anche possibile integrare in un guscio un’area di pulsanti morbidi. L’efficacia del sovrastampaggio dipenderà in gran parte dal design della parte. È ad esempio possibile un legame meccanico tra le due materie plastiche oppure un legame chimico. In questo caso la scelta del materiale è fondamentale, poiché non tutti i materiali sono compatibili.
Saldatura ad ultrasuoni
In termini di progettazione, gli assemblaggi saldati – in particolare quelli che utilizzano la saldatura a ultrasuoni, nota anche come saldatura a vibrazioni – sono sempre più interessanti per i pezzi stampati a iniezione. Generalmente è necessario progettare il pezzo con il cordone di saldatura già presente. Questa tecnica è molto utile per creare giunzioni solide senza danneggiare i componenti. Inoltre, come nel caso del sovrastampaggio, consente di sigillare permanentemente due componenti.
Materiali di stampaggio ad iniezione per componenti come connettori e supporti elettronici
Esiste una gamma molto ampia di materiali tra cui scegliere per i progetti di stampaggio a iniezione, a seconda delle applicazioni elettroniche e dei vincoli ambientali. I dispositivi elettronici spesso richiedono materiali isolanti e resistenti al calore per garantire un funzionamento ottimale e sicuro.
Ecco alcuni esempi di materiali comunemente usati:
- L’ABS e il nylon (PA 6 e PA 66) sono ampiamente utilizzati nell’elettronica di consumo per la loro versatilità e il costo relativamente basso.
- Il policarbonato (PC) è spesso preferito quando è richiesta trasparenza, pur offrendo caratteristiche più tecniche.
- Elastomeri come TPE e TPV, con diverse durezze Shore A, vengono utilizzati per fornire flessibilità e possibilmente resistenza agli urti.
- Materiali come PPS o PEEK offrono un’eccellente resistenza al calore e alla fiamma e possiedono eccellenti proprietà meccaniche.
La tabella seguente mette a confronto le proprietà meccaniche e termiche dei materiali più diffusi per lo stampaggio a iniezione:
| Materiale | Tipo di materiale | Resistenza alla trazione (MPa) | HDT a 0,45 MPa (°C) | Durezza |
| ABS | Polimero rigido | 45 | 83 (1,8 MPa) | 110R (Rockwell) |
| Nylon 6, PA 6 | Polimero rigido | 85 | 177 | 80D |
| Nylon 66, PA 66 | Polimero rigido | 80 | 200 | N/A |
| Policarbonato(PC) | Polimero rigido | 62 | 135 | N/A |
| PPS | Polimero rigido | 100 | 280 | N/A |
| TPE | Elastomero | 1,7 | N/A | 56A |
| TPV | Elastomero | 1,88 | N/A | 60A |
I valori indicati in questa tabella sono generici e potrebbero differire da un fornitore all’altro. Tutti i valori sono stati presi da schede tecniche generiche su ulprospector.com.
La scelta dei materiali dipende dai requisiti specifici di ciascuna applicazione, sia in termini di proprietà meccaniche, resistenza alle alte temperature, trasparenza o altre caratteristiche.
Finiture superficiali per stampaggio ad iniezione nell’elettronica
Esistono alcune differenze rispetto alla lavorazione CNC, dove lo scopo delle finiture precedentemente descritte per le parti metalliche è principalmente quello di migliorare le caratteristiche delle parti attraverso la post-lavorazione. Nello stampaggio ad iniezione la plastica presenta già le caratteristiche desiderate. Pertanto, la vernice andrebbe evitata, poiché potrebbe sfaldarsi e potenzialmente alterare l’infiammabilità della parte.
È tuttavia possibile ottenere finiture superficiali diverse per ragioni estetiche o per facilitare il montaggio, a seconda della rugosità scelta. Lo stampo stesso viene realizzato prima della produzione delle parti, per ottenere diverse finiture superficiali, generalmente secondo gli standard SPI o VDI. Questo metodo significa che la finitura superficiale delle parti è determinata dallo stampo e non dalla post-elaborazione. Vale però la pena ricordare che non tutti i materiali raggiungono gli stessi risultati in termini di finitura superficiale.
Tuttavia, alcuni metodi di post-elaborazione sono abbastanza comuni nello stampaggio ad iniezione, in particolare nell’elettronica, ad esempio per contrassegnare le posizioni dei pulsanti o per apporre un logo. Sono possibili anche diversi tipi di post-elaborazione per il branding:
- Tampografia: processo di fotoincisione indiretta utilizzato per stampare immagini dettagliate e di alta qualità su oggetti con forme e superfici irregolari. Questo processo è spesso riservato ai grandi volumi.
- Serigrafia: è la soluzione leader per le schede elettroniche destinate a contenere componenti. Una lamina metallica viene utilizzata come stencil per applicare la pasta saldante e distinguere così le zone conduttive del circuito stampato.
- Litografia EUV (Extreme Ultra Violet): questo processo consente la stampa in diversi colori (sempre a seconda delle caratteristiche specifiche della plastica). La luce ultravioletta estrema viene utilizzata per creare percorsi estremamente fini su piastre di silicio.
Materiali Specifici per l’Elettronica
Materiali classificati UL 94
L’infiammabilità è spesso uno dei criteri più importanti per l’elettronica. I materiali vengono generalmente testati secondo lo standard UL 94. Questa norma valuta il comportamento delle materie plastiche in caso di combustione, tenendo conto degli orientamenti orizzontali e verticali e degli spessori, che vanno dal meno ignifugo al più ignifugo. Ad esempio se un materiale è classificato UL-94 V0 è necessario specificarne lo spessore (es. 2mm). Questo spessore deve essere rispettato per poter beneficiare della caratteristica ignifuga di grado V0.
Inoltre, si consiglia di attenersi ai colori classici. Ha più senso iniziare con un materiale che è già bianco V-0 o nero V-0, piuttosto che scegliere un colore più esotico o utilizzare un colorante masterbatch. Non solo la percentuale di colorante aggiunto può influenzare le caratteristiche della parte, ma è anche molto più difficile ottenere una tonalità precisa con un materiale V-0 rispetto a un materiale convenzionale.
Nel caso di produzioni molto grandi con un colore specifico, è possibile chiedere ad un produttore di materiali di produrre una qualità di materiale personalizzato già colorato in lotti e classificato come V-0.
La tabella seguente fornisce un elenco di materiali classificati UL 94 V-0 per la lavorazione CNC e lo stampaggio ad iniezione:
| Tipo | Materiale classificato UL 94 V0 |
| ABS | Polylac PA-765 |
| ABS/PC | Bayblend FR3010 |
| PA | Technyl A 20 V25 (25% fibra di vetro) |
| PBT | CCP 4115 104F (15% fibra di vetro) |
| PEI | ULTEM 1010 |
| PPS | Fortron 1140L4 (40% fibra di vetro) |
| PC | Lexan 3413R 40 GF |
| PEEK | Victrex 450g |
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Materiali ESD
I materiali ESD (ElectroStatic Discharge) sono essenziali nella produzione di parti meccaniche per l’elettronica, in particolare nello stampaggio ad iniezione. Proteggono da scariche elettrostatiche potenzialmente dannose. Utilizzando polimeri elettricamente conduttivi (ad esempio versioni ESD di PVDF, PA 6, PP, PE) o dissipativi (come versioni ESD di PEI e POM – deve essere chiaramente indicato sulla scheda tecnica), deviano le cariche elettrostatiche dai componenti elettronici sensibili. Ciò riduce il rischio di danno dei dispositivi elettronici, garantendo affidabilità e durata.
Inoltre, questi materiali offrono spesso proprietà meccaniche superiori, come resistenza al calore e durata, che li rendono adatti ad applicazioni elettroniche stressanti. In breve, garantiscono la qualità e la longevità delle parti meccaniche, allungando la vita dei dispositivi elettronici.
Fibre
È importante ricordare che esiste un rischio maggiore di deformazione nel processo di iniezione quando si lavora con un materiale caricato con fibre (come le varianti caricate di vetro di nylon, PBT o PPS). Ciò significa che il rischio è ancora maggiore se vengono richieste tolleranze o planarità precise. Ecco perché è di vitale importanza anticipare la progettazione del punto di iniezione. Potrebbe anche essere necessario effettuare uno studio reologico per comprendere meglio il comportamento del materiale. Consigliamo inoltre di includere un gran numero di nervature per rinforzare la parte e ridurre al minimo il rischio di deformazione o instabilità. Ciò impedisce alla parte di deformarsi o perdere stabilità.
Consigli pratici prima di ordinare componenti elettronici
Ecco 6 consigli pratici per migliorare la tempistica di consegna del vostro progetto ed evitare problemi comuni durante la realizzazione di parti meccaniche per l’elettronica:
- Create una tavola 2D con il maggior numero di dettagli possibile, oltre al modello CAD 3D. Il disegno 2D deve includere tutte le dimensioni critiche in base alle tolleranze richieste. Raccomandiamo inoltre di condividere i dettagli dell’assemblaggio del prodotto finale piuttosto che della singola parte. Il produttore può quindi progettare l’attrezzatura avendo meglio in mente la situazione finale.
- Ricordate che potete modificare l’attrezzatura nello stampaggio a iniezione. È meglio progettare una parte con, ad esempio, nervature leggermente più fini. Quindi, se ci sono aree che non soddisfano le tolleranze desiderate, è più semplice rilavorare l’attrezzatura e quindi ispessire la parte.
- Specificare il grado dei materiali (es. tipo di lega per metalli, pretrattamento) per garantire la scelta giusta in base alle proprietà richieste. Ad esempio, il materiale ABS è disponibile in molti brand e varietà con proprietà diverse, come la classificazione UL 94. Pertanto si consiglia vivamente di fornire informazioni dettagliate sul materiale richiesto.
- Evitare materiali ricchi di fibre se le tolleranze sono ristrette per mantenere la stabilità dimensionale
- Scegliete colori generici in modo che le caratteristiche del materiale per i materiali UL94-V0 non vengano influenzate
- Evitare le vernici per non compromettere le prestazioni di infiammabilità
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