Descriviamo com’è stato impostato lo stampaggio un dispositivo medicale che ha richiesto la fresatura di una matrice con utensili microscopici.
Esistono aziende che affrontano progetti innovativi come se fossero vere e proprie sfide; e quando tali sfide vengono vinte, i vantaggi in termini tecnologici e competitivi sono tangibili. Raccontiamo un esempio concreto di “sfida” nel settore degli stampi, facendo la conoscenza di Eltek S.p.A., gruppo di caratura internazionale specializzato nella progettazione e produzione di componenti principalmente in materiale termoplastico. Marco Pizzi, director of Research di Eltek, ci ha accolto presso lo stabilimento di Hône, in provincia di Aosta, presentando innanzitutto le attività aziendali: «La nostra è una realtà che opera nello stampaggio su scala globale grazie a diverse sedi dislocate nel mondo in quattro settori distinti: dell’automotive, dell’appliance, dell’elettronica e dell’healthcare».
Cura giusta e in tempi rapidi
Nell’ambito dell’healthcare, Eltek offre al mercato Ultra Rapid AST (per il momento in versione Research Use Only – RUO), un’attrezzatura medicale sviluppata in proprio che permette di eseguire, in appena due ore, un antibiogramma, cioè un esame microbiologico che serve a rilevare la sensibilità di un microrganismo rispetto a uno o più farmaci antimicrobici. Valentina Gallo, ricercatrice biomedicale di Eltek, entra nel dettaglio: «Ultra Rapid AST è una delle nostre macchine medicali più evolute ed innovative. Si tratta di una attrezzatura diagnostica che permette di eseguire l’antibiogramma in appena 1-2 ore, anziché nelle classiche 24 ore, e quindi consente di individuare l’antibiotico efficace per trattare l’infezione batterica del paziente».
Com’è noto, in presenza di un’infezione particolarmente grave, la tempestività della cura è ciò che fa la differenza, ed è per questo che attualmente i pazienti più gravi vengono trattati con un mix di antibiotici nella speranza che al suo interno ci sia quello che funzioni. «Ultra Rapid AST – riprende Gallo – rappresenta un passo in avanti perché assicura con la massima velocità la determinazione della cura corretta».
Microfluidica definita in fotolitografia
Da un punto di vista prettamente tecnologico, gran parte delle componenti in materiale termoplastico di Ultra Rapid AST vengono oggi prodotte da Eltek mediante additive manufacturing, cioè senza ricorrere allo sviluppo di stampi e senza il relativo stampaggio a iniezione. Massimo Zanin, “ricercatore avanzato” della società, spiega: «Dal 2022, grazie alla stampante 3D freeformer 750-3X di Arburg, riusciamo a produrre gran parte dei componenti plastici grazie alla stampa 3D, quindi con significativi risparmi in termini di costi e di tempi di produzione dall’assenza dello stampaggio».
Alcune parti, tuttavia, necessitano ancora della realizzazione mediante stampaggio a iniezione per la loro assoluta complessità realizzativa. Facciamo riferimento, in particolare, a un disco monouso in PMMA (polimetilmetacrilato) presente all’interno di Ultra Rapid AST sul quale è presente una cosiddetta “microfluidica”, cioè un sistema di microcanali, a forma di “V”, posizionati in senso radiale rispetto al disco stesso.
Valentina Gallo: «Quando il disco viene posto in rotazione, la forza centrifuga spinge il materiale biologico, preventivamente inserito nei canali, verso l’esterno e in particolare verso i vertici delle “V”. L’accumulo di materiale biologico in tali vertici permette di misurare diversi parametri, come per esempio la concentrazione batterica, la forma e la consistenza del cosiddetto “pellet microbico” e la velocità di formazione, e di testare la suscettibilità dei batteri a diversi tipi di antibiotici identificando così quello giusto».
Lavorazioni in scala ridotta
Una volta definita la geometria ottimale del disco e della relativa “microfluidica”, i tecnici di Eltek passarono alla progettazione e alla realizzazione del relativo stampo. Massimo Zanin: «Da un punto di vista meramente progettuale, lo stampaggio è semplice. La vera sfida, invece, è consistita nella sua realizzazione fisica, dato che stiamo parlando di un disco di 90 mm di diametro in cui le microcanalizzazioni sono in realtà rilievi di dimensioni ridottissime, con altezza pari a 25 μm, larghezza pari a 50 μm e separati da uno spessore di 50 μm».
“L’aiuto” dal Giappone
Ma come fu possibile, nel concreto, eseguire lavorazioni così microscopiche? Eltek, come racconta Massimo Zanin, si affidò alla collaborazione di Toshiba Corporation, nota multinazionale giapponese attiva nei settori dell’industria automatizzata, elettronica e meccanica. «Quando Toshiba, che è un nostro storico fornitore, venne informata del progetto, fu naturale coinvolgerla nella costruzione dello stampo. Era oltretutto il periodo delle chiusure del Covid e quindi avevamo un’inaspettata finestra di tempo per avventurarci in sfide alternative allo stampaggio e mai affrontate».
Fu così che le matrici dello stampo, una volta preparate, vennero spedite in Giappone presso i laboratori della Toshiba: qui, come anticipato, venne prima eseguita la deposizione dello strato di cromo, poi venne eseguita la fresatura vera e propria. «Fu utilizzato un centro di lavoro di altissima precisione, una Shibaura Machine High Precision Machining Center – UVM Series, su cui vennero montate frese speciali, realizzate apposta per questo tipo di profilo, con diametro inferiore ai 50 μm». Le frese in questione, vista la dimensione microscopica, non presentavano veri e propri taglienti, ma possedevano una sorta di “dentello” che veniva impegnato parzialmente durante la lavorazione; in questo modo, grazie alla giusta inclinazione, alla corretta velocità di avanzamento e all’opportuna profondità di passate, vennero ricavate le varie canalizzazioni all’interno dello spessore di cromo. Il profilo della microfluidica venne realizzato dopo 200 ore di fresatura, eseguita a velocità bassissima e a condizioni di temperatura controllata, al fine di evitare qualsiasi tipo di distorsione termica.
Zanin osserva: «Si trattava di una vera e propria sfida anche per i tecnici giapponesi, i quali decisero di metterci la faccia e si impegnarono moltissimo nell’esecuzione della lavorazione. Si pensi che realizzarono non una fresa dedicata, ma tre, per essere sicuri della riuscita in caso di rottura indesiderata dell’utensile; tuttavia, la lavorazione fu così accurata e precisa che fu sufficiente l’utilizzo di una sola fresa. I report di misura successivi dimostrarono la perfetta riuscita della lavorazione e il raggiungimento di tutte le precisioni/tolleranze richieste, anche per l’esecuzione della raggiatura sul fondo dei microcanali e per l’assenza di bave e residui lungo i profili. Bisogna essere onesti e riconoscere a Toshiba e ai suoi tecnici di aver raggiunto un traguardo di assoluta eccellenza».
Le nuove evoluzioni
Una volta stampato, il disco necessita di altre lavorazioni, sia per la sigillatura del lato superiore dei canali che viene effettuata con tecniche particolari, sia per l’esecuzione del foro centrale mediante alesatura diretta del PMMA. Massimo Zanin precisa: «Grazie a una dima realizzata ad hoc per il posizionamento del disco, riusciamo ad alesare il foro centrale con una tolleranza di ± 3 centesimi di millimetro. È molto importante avere questa precisione, perché si tratta di un componente che deve ruotare a una velocità di 12.000 giri/min per 8 minuti».
Grazie al centraggio più che preciso, oltre che a un’ottima planarità del piano del disco, la rotazione avviene all’interno del macchinario in maniera stabile e senza problemi. «In futuro, miglioreremo ulteriormente il macchinario andando a sviluppare un nuovo stampo con l’integrazione di un ugello di iniezione a canale caldo, il che ci permetterà di ottenere una geometria più articolata, soprattutto di ottenere il foro centrale direttamente da stampaggio, senza lavorazioni successive», spiega Zanin.
Carta d’identità dello stampo
- Pezzo finito: disco monouso in PMMA con microfluidica per dispositivo antibiogramma
- Costruttore: Eltek S.p.A. (Casale Monferrato, AL)
- Tipo di stampo: monoimpronta con sistema di raffreddamento
- Dimensioni stampo: (296x246x25) mm
- Dimensione matrice: (170,5×170,5×49) mm
- Matrice: in acciaio X35 temprato con deposizione di strato di cromo
- Realizzazione matrice: con frese speciali Toshiba di diametro < 50 μm
- Centro di lavoro utilizzato: Shibaura Machine High Precision Machining Center – UVM Series
- Tempo fresatura microfluidica su matrice: 200 ore
- Produzione: capacità annua 500.000 pezzi/anno su pressa Arburg da 150 t
Quattro aree di competenza
Oltre al quartier generale di Casale Monferrato e alla sede di Hône, Eltek si avvale di altri tre poli produttivi: uno in Polonia, uno in Cina e uno in Svizzera che ha mantenuto il marchio Metallux SA di Mendrisio, oggi parte del gruppo. Esistono poi una sede commerciale in Germania e una negli Stati Uniti, per una forza lavoro complessiva di circa 1.600 dipendenti.
Il gruppo è specializzato nella produzione di componentistica elettromeccanica in materiale termoplastico ad alto valore aggiunto. I due mercati principali, che da soli pesano circa il 90% del fatturato, sono quelli dell’automotive, o della mobilità più in generale, e dell’appliance, che prevede soluzioni per elettrodomestici, in particolare per lavastoviglie, lavatrici, asciugatrici, forni, oltre che sistemi di riscaldamento e ventilazione. Meno rilevanti dal punto di vista del fatturato, ma non meno importanti dal punto di vista tecnologico e del potenziale di sviluppo, sono poi il settore dell’industria elettronica e dell’healthcare.
