Efficienza verticale per i processi LSR: Come ENGEL insert dimezza i tempi ciclo e massimizza la qualità

La mobilità a idrogeno è considerata una delle tecnologie chiave per un futuro a impatto climatico zero. Al centro di questa visione c’è la cella a combustibile, un sistema che impone alla tecnologia di produzione requisiti particolarmente elevati. Uno dei processi più critici è l’applicazione di guarnizioni in silicone liquido (LSR) sugli strati di diffusione del gas (Gas Diffusion Layer o GDL). Al K 2025, ENGEL ha presentato una soluzione altamente automatizzata che unisce la massima precisione a produttività e redditività elevate.

La cella a combustibile è un sistema complesso in cui ogni singolo componente deve funzionare senza margine di errore. Un ruolo centrale spetta agli strati di diffusione del gas (membrane GDL): distribuiscono uniformemente idrogeno e ossigeno sullo strato catalitico, conducono gli elettroni e drenano in modo mirato l’acqua di reazione. Perché tutto ciò avvenga in modo affidabile, le membrane GDL devono essere lavorate garantendo una tenuta stagna senza comprometterne la struttura fine e porosa. Il sovrastampaggio di questi componenti sensibili con una sottile guarnizione in silicone liquido rappresenta una sfida produttiva particolarmente impegnativa, che richiede il coordinamento perfetto tra pressa a iniezione, stampo e automazione.

Le membrane GDL sono estremamente fragili e devono essere lavorate con la massima cautela. Götz Scheibe, Sales Manager di ACH Solution, azienda specializzata in stampi e tecnologie di dosaggio per il silicone, descrive così i requisiti: «La sfida comincia già dal prelievo delle singole membrane, che vengono fornite impilate. Bisogna separarne esattamente una alla volta, senza danneggiare quelle adiacenti». Dopo il prelievo, è necessario un posizionamento preciso nello stampo, che avviene tramite una stazione di precentraggio con tolleranza di ±0,1 mm.

All’interno dello stampo, la superficie di tenuta deve essere progettata in modo che il silicone non penetri sotto la membrana GDL e che, al tempo stesso, la pressione di chiusura non la danneggi. Ma il requisito di precisione più stringente riguarda lo spessore di parete della guarnizione: «Parliamo di uno spessore costante con tolleranza di ±0,01 mm su una lunghezza del pezzo di 550 mm», precisa Scheibe. Una precisione che non ammette deroghe: in una cella a combustibile si impilano fino a 300 di questi elementi di tenuta. «Anche la più piccola deviazione dalla tolleranza si sommerebbe alle altre, con il rischio di generare sollecitazioni meccaniche o malfunzionamenti nello stack».

macchina a iniezione verticale ENGEL Per trasferire questo processo – dove la precisione è il parametro critico per eccellenza – alla produzione in serie mantenendo la sostenibilità economica, ENGEL ha messo a punto una soluzione altamente automatizzata basata su una pressa a iniezione verticale della serie insert. Elemento centrale dell’isola produttiva presentata al K 2025 è la ENGEL insert 150 rotary US, con forza di chiusura di 1.500 kN e tavola rotante integrata. Il concept consente di effettuare operazioni in parallelo: mentre viene stampata la guarnizione in una stazione dello stampo, nell’altra si estraggono i pezzi finiti e contemporaneamente si inserisce la membrana GDL successiva. Con un tempo ciclo di soli 50 secondi, in questo modo, la produzione risulta quasi raddoppiata.

Come tutte le presse a iniezione senza colonne ENGEL, anche la serie verticale insert garantisce, oltre a un’eccellente accessibilità allo stampo, una distribuzione molto uniforme della forza di chiusura sull’intera superficie dei piani. Franz Pressl, responsabile del Product Management per le macchine senza colonne e verticali, spiega: «Nelle presse a iniezione verticali ENGEL insert, il parallelismo dei piani è assicurato dalla collaudata tecnologia FlexLink, che compensa automaticamente la deformazione del telaio. Inoltre, i robusti piani contribuiscono a una compressione dello stampo estremamente uniforme. Questo assicura uno spessore della parete estremamente uniforme e costante anche per pezzi così grandi e al contempo così sottili».

La struttura verticale offre ulteriori vantaggi significativi per questa applicazione. Spiega Götz Scheibe: «La configurazione verticale sfrutta in modo ottimale la forza di gravità. Non si generano sforzi laterali e lo stampo si chiude esclusivamente in verticale, preservando le guide e contribuendo alla stabilità dimensionale e del processo nel tempo, un vantaggio rispetto alle macchine orizzontali». Inoltre, il concept costruttivo della serie ENGEL insert è particolarmente compatto: l’armadio elettrico è integrato verticalmente nella macchina, con una riduzione sensibile dell’ingombro a terra dell’isola produttiva: un aspetto tutt’altro che marginale quando lo spazio in reparto è limitato. La macchina impiegata è dotata di un gruppo di iniezione idraulico azionato dal sistema a risparmio energetico ENGEL ecodrive. Vale la pena sottolineare che in ENGEL anche le unità di iniezione idrauliche raggiungono di serie un livello di precisione tale da abilitare sofisticate applicazioni di questo tipo.

La serie insert offre alle aziende che operano nello stampaggio a iniezione la massima flessibilità: grazie a un ampio portfolio di combinazioni fra azionamenti elettrici e idraulici, ogni macchina può essere configurata su misura per l’applicazione specifica.

Riguardo alla tavola rotante, Scheibe puntualizza: «In linea di principio, questa applicazione sarebbe realizzabile anche senza tavola rotante, ma con i volumi di produzione richiesti, non ci si possono permettere tempi morti dello stampo. La combinazione fra pressa verticale e tavola rotante consente di sfruttare il tempo di iniezione per la manipolazione dei pezzi in parallelo, e questo quasi raddoppia la produttività».

La realizzazione della sofisticata geometria della guarnizione è affidata a un innovativo stampo a due cavità sviluppato da ACH Solution, equipaggiato con il sistema di otturatori elettrici ACH SERVOSHOT 2G. L’elevata precisione nel controllo del riempimento delle cavità consente di soddisfare i rigorosi requisiti dimensionali e qualitativi richiesti dall’applicazione. «Raggiungiamo una precisione di regolazione di due millesimi di millimetro», sottolinea Götz Scheibe. Un livello di accuratezza indispensabile per evitare riempimenti parziali delle cavità e formazione di bave. L’intero sistema è perfettamente integrato nel sistema di controllo ENGEL CC300, un aspetto che Scheibe considera particolarmente vantaggioso: «L’integrazione nel controllo ENGEL semplifica notevolmente l’operatività: le regolazioni possono essere effettuate durante il processo produttivo in corso oppure da remoto, senza alcuna interruzione della produzione».

L’integrazione offre anche la possibilità di visualizzare in tempo reale, attraverso una rappresentazione grafica, la regolazione dei singoli ugelli otturatori. Un ulteriore tassello per la stabilità del processo è il canale freddo, bilanciato con precisione dal punto di vista sia termico sia reologico: questo consente all’operatore di riavviare rapidamente il processo anche dopo fermi prolungati. Scheibe aggiunge: «Grazie al nostro sistema SERVOSHOT è possibile ottimizzare con precisione le linee di giuntura. In questo modo garantiamo che il materiale confluisca sempre esattamente nel punto previsto, una condizione imprescindibile per processi stabili e ripetibili».

Il dosaggio del LSR a bassa viscosità – in questo caso ELASTOSIL® LR 3003/30 di WACKER – è affidato a un sistema ACH MAXIMIX 3G Pro, progettato specificamente per piccole stampate, come i 20,3 grammi di questa applicazione. Il sistema garantisce un rapporto di miscelazione preciso e un’elevata stabilità di processo, ed è anch’esso completamente integrato nel controllo ENGEL CC300.

L’intera movimentazione delle delicate membrane GDL e dei pezzi finiti è affidata a un robot antropomorfo ENGEL easix, completamente integrato nel sistema di controllo. Il robot preleva le membrane da un sistema di alimentazione e le posiziona con precisione nella stazione anteriore dello stampo sulla tavola rotante. Dopo una rotazione di 180°, nella stazione posteriore ha luogo l’iniezione. Contemporaneamente, il robot estrae dalla stazione anteriore i pezzi finiti e inserisce nuove membrane. La perfetta sincronizzazione tra il processo di stampaggio e il movimento del robot, gestita dal sistema di controllo CC300, assicura un ciclo stabile e perfettamente coordinato.

Un’altra sfida è rappresentata dall’estrazione delle membrane sovrastampate dallo stampo caldo. «Come è noto, il silicone è molto adesivo e la resistenza alla lacerazione diventa critica alle temperature elevate», spiega Götz Scheibe. «Una sottile pellicola in silicone si danneggia con estrema facilità quando è calda: servono strategie di sformatura studiate in modo opportuno». Dispositivi di sformatura mirati, integrati nello stampo, assicurano che la guarnizione si stacchi in modo affidabile dalla parete della cavità. Dopo l’estrazione, in una fase di lavoro separata, vengono rimosse le materozze.

Per assicurare una qualità dei pezzi costantemente elevata viene impiegato l’assistente digitale ENGEL iQ weight control. Il sistema analizza in tempo reale la curva della pressione di iniezione e compensa le variazioni di viscosità del materiale all’interno dello stesso ciclo. «iQ weight control rileva le differenze di viscosità in tempo reale e le compensa automaticamente», afferma Götz Scheibe. «Questo aumenta notevolmente la stabilità del processo, anche se con il silicone liquido non è necessaria alcuna pressione di mantenimento per contrastare il ritiro del pezzo. A maggior ragione, diventa quindi ancora più importante che il volume di iniezione venga adattato in tempo reale per compensare eventuali fluttuazioni». Il risultato è un peso del pezzo costante, stampata dopo stampata. Scheibe ribadisce: «Il principale obiettivo è mantenere costante il peso della stampata: il peso del pezzo, infatti, è un importante indicatore della qualità del manufatto».

Il sistema mostra i suoi punti di forza soprattutto nei cambi colore che, nel caso del silicone, comportano spesso variazioni di viscosità rilevanti. Spiega Scheibe: «I cambi colore sono particolarmente critici con il silicone, perché le diverse pigmentazioni possono influenzare in modo significativo il comportamento reologico. iQ weight control compensa queste fluttuazioni, garantendo una qualità dei pezzi costante».

Dopo l’estrazione, ogni pezzo viene sottoposto a un controllo integrato tramite telecamera, che verifica il completo riempimento della cavità e l’assenza di difetti o bave sulla guarnizione in LSR. «Durante questa operazione vengono anche rimosse le materozze» aggiunge Scheibe. La combinazione tra stampo di precisione, ottimizzazione di processo intelligente e controllo della qualità dei pezzi al 100% integrato in linea garantisce una produzione estremamente stabile e sicura.

La scelta del silicone liquido per la realizzazione delle guarnizioni non è casuale. È soprattutto nelle applicazioni legate alla mobilità elettrica che questo materiale esprime appieno il proprio potenziale. «Con la diffusione dei sistemi di ricarica rapida, i veicoli elettrici sono sottoposti a temperature sempre più elevate e, in questi contesti, il silicone è insostituibile grazie alla sua straordinaria resistenza termica», spiega Götz Scheibe. Oltre alle applicazioni di tenuta, i materiali siliconici stanno giocando un ruolo sempre più importante anche nei sistemi di raffreddamento e nei pacchi batteria, dove contribuiscono a una gestione efficiente del calore grazie alle loro eccellenti proprietà termiche. Una combinazione di prestazioni che rende l’LSR il materiale di riferimento per le applicazioni più critiche nell’elettromobilità e nelle tecnologie delle celle a combustibile.

L’isola sviluppata da ENGEL insieme ai propri partner è progettata per la produzione in serie e dimostra concretamente come sia possibile combinare la massima precisione con tempi ciclo estremamente contenuti. L’impianto è concepito per gestire elevati volumi: ogni stack di fuel cell può richiedere da 50 a 300 celle e, per ciascuna di esse, devono essere realizzati due strati GDL. L’intero concept è orientato alla massima efficienza produttiva e alla riduzione dei consumi energetici. La progettazione compatta e l’integrazione completa di tutti i componenti, dalla pressa a iniezione all’automazione, dal controllo dello stampo alla tecnologia di dosaggio, consentono di inserire l’isola produttiva con facilità nelle linee esistenti. Con questa soluzione, ENGEL e ACH propongono un sistema perfettamente integrato e ottimizzato in ogni dettaglio, confermando la propria competenza nello sviluppo di processi multicomponente ad alta complessità.

La produzione automatizzata di guarnizioni in LSR sovrastampate su membrane GDL dimostra come le sfide poste dalla mobilità a idrogeno possano essere affrontate con successo attraverso le più avanzate tecnologie di stampaggio a iniezione. La combinazione di una pressa a iniezione verticale ad alta precisione, di una progettazione innovativa dello stampo e del sistema a canale freddo, e di un’automazione completamente integrata consente di realizzare un processo produttivo stabile, economicamente sostenibile e in grado di garantire standard qualitativi elevatissimi. La soluzione presentata per il sovrastampaggio su membrane sottili di guarnizioni in LSR con un posizionamento estremamente preciso in uno spazio ridotto è particolarmente efficiente e si integra facilmente nelle linee produttive esistenti. Soluzioni come questa sono la chiave per portare la tecnologia delle celle a combustibile al successo industriale e rendere più sostenibile la mobilità del futuro.