Robotica umanoide: lo stampaggio a iniezione vince la sfida

I robot umanoidi stanno rapidamente uscendo dai laboratori di ricerca per entrare nella realtà industriale, ma dietro ogni dimostrazione delle straordinarie capacità di questi sistemi non c’è soltanto un software sempre più sofisticato: c’è una sfida hardware altrettanto complessa. Con il passaggio dalla sperimentazione alla produzione in serie, la capacità di realizzare in modo economicamente sostenibile centinaia di migliaia di componenti leggeri, altamente precisi e durevoli diventa un fattore di competitività decisivo. Da decenni ENGEL sviluppa soluzioni per lo stampaggio a iniezione di componenti ad alta precisione destinati ai settori dell’elettronica, dell’automotive e delle tecnologie di azionamento. Un patrimonio di competenze che oggi è pronto a essere messo al servizio di uno dei campi applicativi più ambiziosi e promettenti della manifattura: la robotica umanoide.

Per gli sviluppatori di robot umanoidi, il passaggio dal prototipo alla produzione in serie rappresenta un momento cruciale. Componenti realizzati mediante lavorazioni CNC o stampa 3D, perfettamente adeguati nelle fasi di sviluppo, diventano rapidamente un limite quando i volumi produttivi iniziano a crescere. Strutture portanti, supporti e componenti esterni in alluminio non possono infatti essere scalati ai ritmi produttivi e agli obiettivi di costo richiesti dalla futura produzione industriale di robot umanoidi.

In questo scenario lo stampaggio a iniezione esprime tutto il proprio potenziale. A differenza dei processi di lavorazione meccanica, consente infatti di produrre componenti complessi con geometrie sofisticate, tolleranze strette e un elevato livello di integrazione funzionale in cicli di pochi secondi anziché di giorni. Il risultato è un processo altamente ripetibile che, con l’aumentare dei volumi, riduce drasticamente il costo unitario. La transizione dal prototipo alla produzione in serie non è più una prospettiva futura: è una realtà che già oggi orienta le scelte progettuali e di approvvigionamento dell’intero settore.

Per le aziende impegnate nello sviluppo di robot umanoidi, le decisioni relative ai partner tecnologici, ai materiali e al processo di stampaggio a iniezione vengono prese già nelle prime fasi della progettazione e determinano la competitività del prodotto su scala industriale. È qui che l’esperienza maturata da ENGEL nei più diversi settori applicativi si traduce in un vantaggio concreto.

Gli attuatori rappresentano i muscoli di un robot umanoide e al contempo una delle principali sfide progettuali ed economiche dell’intero sistema. Ogni articolazione richiede un alloggiamento di elevata precisione, capace di resistere alle sollecitazioni termiche, di garantire tolleranze dimensionali estremamente strette e di integrare cuscinetti, sensori e componenti del motore senza compromettere leggerezza e compattezza.

Uno degli sviluppi più promettenti riguarda il sovrastampaggio di statori e rotori. Invece di ricorrere all’isolamento dei pacchi lamellari mediante carta e a successive operazioni di assemblaggio, il nucleo metallico viene direttamente sovrastampato con tecnopolimeri ad alte prestazioni, come LCP, PPS o PA46. In un unico componente vengono così integrate funzioni di isolamento, guida degli avvolgimenti, geometria dei poli e interfacce di connessione.

Il risultato è un motore più compatto, leggero ed efficiente, con una migliore dissipazione del calore, una maggiore densità di avvolgimento e un numero significativamente inferiore di operazioni di assemblaggio: esattamente quel tipo di integrazione funzionale grazie a cui le economie di scala nelle motorizzazioni diventano redditizie.

In questo contesto il contributo dei tecnopolimeri avanzati è fondamentale: PPS e PA46 (entrambi rinforzati con fibra di vetro fino al 40-50%) consentono temperature di esercizio continuo ben superiori a 150 °C, mentre gli LCP permettono di realizzare geometrie a parete estremamente sottile e dimensionalmente stabili attorno a componenti elettronici sensibili e avvolgimenti.

Gli ingranaggi rappresentano la seconda opportunità di sviluppo – spesso sottovalutata – per lo stampaggio a iniezione. Gli ingranaggi di precisione in POM offrono un’eccellente combinazione di basso attrito, silenziosità di funzionamento e resistenza all’usura, tanto da costituire una valida alternativa agli ingranaggi metallici in numerose articolazioni robotiche. La produzione di questi componenti richiede però un controllo del fuso estremamente accurato e una ripetibilità molto elevata. Per questa ragione, ENGEL ha sviluppato un gruppo di plastificazione ottimizzato per la lavorazione del POM, in grado di garantire, ciclo dopo ciclo, una geometria del dente e una precisione dimensionale costanti.

Con la precisione di iniezione, la stabilità termica e la ripetibilità di processo offerte dalle proprie tecnologie, ENGEL mette a disposizione la piattaforma produttiva ideale per realizzare alloggiamenti per attuatori, statori sovrastampati e ingranaggi di precisione. La possibilità di integrare inserti metallici, sedi per cuscinetti o contatti elettrici direttamente nel processo di stampaggio amplia ulteriormente il potenziale di integrazione funzionale e di ottimizzazione dei costi.

La scocca esterna di un robot umanoide ne definisce l’identità. Coperture, rivestimenti delle spalle e gusci del corpo devono combinare leggerezza, elevata qualità superficiale e libertà progettuale, mantenendo al contempo la sostenibilità economica richiesta dalla produzione in serie. Il PC-ABS (blend di policarbonato e ABS) rappresenta la scelta ideale per queste applicazioni, grazie alla combinazione di resistenza, qualità delle superfici e versatilità progettuale richiesta dai componenti di grandi dimensioni.

L’alleggerimento dei componenti, il miglioramento della stabilità dimensionale e la prevenzione di difetti superficiali come i risucchi sono tra i principali vantaggi offerti dalle due tecnologie di schiumatura microcellulare complementari di ENGEL: la schiumatura fisica con processo MuCell® e la schiumatura chimica mediante agenti espandenti. Entrambe consentono di ridurre il peso del componente e il consumo di materiale, mantenendo la rigidità necessaria per i grandi elementi di rivestimento. La scelta della soluzione più adatta dipende dalla geometria del pezzo, dai volumi produttivi e dai requisiti estetici della superficie.

Per le soluzioni in cui l’estetica superficiale è fondamentale, ENGEL offre un ampio portafoglio di processi di finitura: dalle tecnologie “heat and cool”, che consentono di ottenere finiture lucide e prive di imperfezioni visibili, alla tecnologia foilmelt per integrare pellicole decorative e/o funzionali direttamente nel componente, fino all’In-Mold Labeling, che permette di applicare grafiche permanenti e altamente resistenti ai graffi. La scelta della combinazione tecnologica più efficace viene definita in funzione del design del componente, dei requisiti estetici e dei volumi produttivi.

Dietro il volto di ogni robot umanoide si nasconde una parte della sua tecnologia più preziosa: unità LiDAR, telecamere stereo e altri sensori ottici che gli consentono di percepire l’ambiente circostante. La maschera frontale che protegge e integra questi componenti deve soddisfare due esigenze molto diverse: garantire trasparenza ottica e trasmissione del segnale nelle aree dedicate ai sensori, offrendo al contempo resistenza agli urti e un’estetica curata nelle altre zone.

Questa combinazione di requisiti rende le maschere frontali un’applicazione ideale per lo stampaggio a iniezione bicomponente (2K). Il PC (policarbonato) assicura robustezza e qualità estetica alla struttura portante, mentre il PMMA (acrilico) garantisce la trasparenza ottica necessaria alle finestre delle telecamere e dei LiDAR. I due materiali vengono integrati in un unico stampo e in un’unica fase di processo, eliminando la necessità di assemblaggio o incollaggio a valle.

Le presse a iniezione a due piani ENGEL della serie duo dotate di tavola rotante sono particolarmente indicate per questa applicazione: il substrato viene stampato nella prima stazione, lo stampo ruota e quindi viene iniettato il secondo materiale all’interno della stessa unità di chiusura, assicurando ripetibilità e precisione elevatissime nello stampaggio di pezzi bicomponente con elevati requisiti ottici alla velocità richiesta dalla produzione in serie.

In ogni robot umanoide, centinaia di connettori miniaturizzati, supporti per sensori e alloggiamenti per schede elettroniche garantiscono la connessione e la protezione dei sistemi interni. I polimeri a cristalli liquidi (LCP) si sono affermati come materiali di riferimento per connettori ad alta frequenza e componenti elettronici miniaturizzati: grazie alla possibilità di realizzare pareti di pochi decimi di millimetro, all’elevata resistenza ai processi di saldatura per rifusione (o reflow) e all’eccellente integrità del segnale alle alte frequenze, consentono il livello di miniaturizzazione richiesto dalle architetture robotiche di nuova generazione.

Nell’arco dei decenni, ENGEL ha acquisito una vasta esperienza nella lavorazione degli LCP per la produzione di connettori e di elementi destinati all’elettronica. Le presse a iniezione full electric, abbinate a un controllo estremamente preciso della velocità di iniezione, permettono di realizzare componenti microelettronici a parete ultrasottile di elevata qualità, mentre gli stampi multicavità rendono economicamente sostenibile la produzione in grandi volumi anche per componenti di dimensioni estremamente ridotte.

PPS, PEI e PA6T/PA9T completano la gamma dei materiali destinati ad alloggiamenti per sensori, sistemi di distribuzione dell’energia e coperture per la gestione delle batterie. Si tratta di applicazioni che richiedono una combinazione di ritardo alla fiamma, stabilità dimensionale e isolamento elettrico, caratteristiche che rendono i tecnopolimeri una soluzione più vantaggiosa rispetto alle alternative metalliche, offrendo al tempo stesso un peso significativamente inferiore.

La destrezza simile a quella umana rappresenta una delle sfide più complesse della robotica umanoide. Segmenti delle dita, cuscinetti da presa tattili, articolazioni flessibili e punte delle dita dotate di sensori richiedono materiali capaci di unire rigidità strutturale e flessibilità controllata: una combinazione resa possibile dallo stampaggio a iniezione multicomponente in un unico processo produttivo.

Le tecnologie di stampaggio bicomponente (2K) e multimateriale ENGEL consentono di combinare substrati strutturali rigidi – tipicamente PA12, PA6 o POM (particolarmente adatto per elementi di scorrimento a basso attrito e ingranaggi di precisione) – con il sovrastampaggio di polimeri soft come TPU o TPE all’interno dello stesso ciclo. Questo elimina la necessità di assemblaggi successivi, migliora l’adesione tra i materiali e permette di realizzare geometrie funzionali complesse, difficilmente ottenibili con componenti separati.

Per applicazioni che richiedono una sensazione tattile simile a quella della pelle e delle superfici biocompatibili, la tecnologia del silicone liquido (LSR) ENGEL consente di produrre componenti in silicone ad alta precisione e privi di bave. La combinazione di stabilità termica, flessibilità e facilità di pulizia rende l’LSR particolarmente adatto alla realizzazione di polpastrelli e superfici di presa. Inoltre, il sovrastampaggio di sensori e inserti funzionali consente di integrare direttamente nel componente stampato le tecnologie tattili necessarie alla rilevazione del contatto.

A distinguere ENGEL nel campo della robotica umanoide è l’ampiezza delle competenze che si sviluppano attorno alla macchina. Oltre agli impianti di stampaggio, l’azienda porta in ogni progetto decenni di know-how su materiali, sviluppo di processo e integrazione dell’automazione: dalla consulenza applicativa alla validazione del primo pezzo stampato in un proprio centro tecnologico, fino all’affiancamento nella fase di avvio della produzione in serie.

Inoltre, ENGEL può contare su una consolidata rete di partner specializzati nella costruzione degli stampi, supportando i clienti nella definizione del concept più adatto e mettendoli in contatto con gli esperti in grado di rispondere alle specifiche esigenze legate al componente e ai volumi produttivi.

I sistemi di automazione si integrano perfettamente nelle isole di stampaggio, automatizzando la manipolazione dei pezzi, il posizionamento degli inserti, il controllo in linea e l’assemblaggio a valle. È così che diventa possibile quell’economia di produzione ad alti volumi e bassi costi di manodopera richiesta dagli sviluppatori di robot umanoidi e dai loro fornitori. A garantire qualità costante lungo milioni di cicli provvede poi il controllo intelligente di processo, che adatta di continuo i parametri macchina per compensare le variazioni tra i lotti di materiale.

Grazie ai propri centri applicativi e ad una rete di assistenza in Europa, Nord e Sud America e Asia, ENGEL assicura ai propri clienti un supporto locale ovunque vengano sviluppati e prodotti i robot del futuro.

Il mercato della robotica umanoide sta evolvendo rapidamente e le aziende che oggi costruiscono catene di fornitura scalabili e affidabili per lo stampaggio a iniezione saranno quelle che definiranno la struttura dei costi e i livelli qualitativi dei robot prodotti in serie domani. ENGEL è pronta ad accompagnarle in questa sfida, mettendo a disposizione decenni di esperienza nella lavorazione di precisione delle materie plastiche per una delle sfide più appassionanti dell’industria manifatturiera contemporanea.

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