Managing complexity in the high-pressure casting process

Complessità nel colaggio in alta

pressioneBack in the 1980s when Sacmi first began studying resin formulations for mould production and designing high-pressure casting machines to manufacture sanitaryware, it was widely believed that this technology would be limit-ed to the production of simple articles with large produc-tion runs, where it would bring benefits in terms of high pro-ductivity, yields and quality. Instead the more expensive, high-end articles, especially WCs, were considered the prerogative of more traditional technologies such as cast-ing with plaster moulds on manual or servo-mechanical casting benches. This was because production of these articles involved significant technological complications such as the use of inserts and the need to stick together the various parts making up the piece. Experience gained over the following years has shown that many manufacturers are pre-pared to invest in this technology even for low-volume production runs provided it is capable of turn-ing out a range of high-quality prod-ucts with sophisticated design and often complex geometries and technology. In recent years, exten-sive collaboration with customers has led to the development of geo-metrically complex articles created by well-known designers for produc-tion in a high-pressure casting pro-cess (photo 1).The range of sanitaryware articles developed to date by Sacmi in-cludes a vast array of products in both vitreous china (bidets, urinals, squat pans, washbasins, tanks and pedestals) and fine fireclay (shower trays, console washbasins up to 180 cm in length, kitchen sinks and wa-ter tank covers).

WCs

Still the most complex product type in terms of geometry and technolo-

Negli anni 80, quando Sacmi iniziò a studiare formulazioni di resine per la produzione di stampi e a progettare macchine di colaggio in alta pressione per la produzione di sanitari, si rite-neva che questa tecnologia si sarebbe limitata alla produzione di articoli semplici e di elevata tiratura, portando il beneficio di notevoli aumenti nella produttività, nelle rese e nella qualità. Specularmente, gli articoli di maggior pregio e costo, soprattut-to i vasi, venivano considerati appannaggio delle tecnologie più tradizionali, quali il colaggio con stampi di gesso su banchi ma-nuali o servomeccanizzati, poiché la loro produzione era grava-ta da importanti complicazioni tecnologiche, come ad esempio l’utilizzo di tasselli e/o l’incollaggio di varie parti costitutive del pezzo. L’esperienza accumulata negli anni successivi ha dimostrato, in realtà, come molti produttori siano disposti ad investire in que-

sta tecnologia anche in presenza di bassi volumi di produzione, pur di disporre di una gamma di prodotti di alta qualità con un design ricercato e spesso complesso dal punto di vista geometrico e tecnologi-co. Negli ultimi anni, la collaborazione con numerosi clienti ha consentito lo sviluppo di articoli ad alta difficoltà geometrica, di-segnati da famosi designer e destinati al colaggio in alta pressione (foto 1).La gamma di articoli sanitari sviluppati ad oggi da Sacmi comprende in pratica tutte le tipologie di prodotti, sia in vitreous chi-na (vari, bidet, orinatoi, turche, lavabi, cas-sette e colonne), che in fine fire clay (piatti doccia, console fino a 180 cm, lavatoi, lavel-li da cucina e copri cassette).

Vasi La tipologia più complessa dal punto di vi-sta geometrico e tecnologico resta comun-que quella dei vasi, il cui design ha subito in 30 anni una vera e propria rivoluzione. Si parte da quelli semplici a brida aperta, sifo-nici e non, dove la massima produttività è oggi raggiunta con colaggio in AVB o AVE, per arrivare ai vasi a brida incollata sempli-

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Vasco Mazzanti - Sacmi (Imola, Italy)

3D prototypes of complex stick-on rim WCsPrototipi 3D di vasi a brida incollata complessi

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gy, WCs have undergone a revolution in terms of design over the last 30 years. They range from simple open-rim, si-phonic and non-siphonic WCs cast with the highest levels of productivity in AVB or AVE machines through to simple stick-on rim WCs cast in AVE or AVM machines; from skirted WCs with lateral hollow cast walls subject to significant technological problems (deformation, casting waves, dry-ing issues, etc.), through to rimless WCs where modelling as-pects must be combined with a meticulous study of hy-draulic functions; and lastly the most complex one-piece WCs cast in AOM machines and produced in various ver-sions: open rim or box rim WCs with exposed siphon or skirt-ed WCs in which the siphon (before or after firing), the tank or the rim/tank assembly is stuck to the bowl. The geometrical complexity of these articles is handled us-ing specific modelling expertise and modern development technologies (3D scanning, CAD mod-elling, structural calculations, comput-erised milling of models and of de-moulding supports). These technologies are now an essential part of produc-tion process industrialisation given the increase in dimensions and structural complexity of the items (photo 2). These supports are engineered not only to protect the piece in the initial stages after demoulding but also to automate the production process in-side the casting cells, where the piece is handled automatically (depositing, overturning, rotation, carriage loading, etc.).The solution developed for larger and more complex items consists of pro-duction flows that allow the piece to be moved subsequent to demoulding and during the initial drying stage, tak-ing account of the specific needs of products in terms of accessibility of the surfaces to be finished, control of de-formations and exposure of the piece to the environment for optimal drying.Examples include large skirted WCs

ci, colati in macchine AVE o AVM; dai vasi carenati, con le pare-ti del pezzo in camera, e quindi con problematiche tecnologi-che importanti (deformazioni, cordoni di colaggio, problematiche di essiccazione ecc..), fino ai rimless, dove, oltre all’aspetto modellistico, è importante l’attento studio della fun-zionalità idraulica; infine, i più complessi vasi one piece, colati in AOM e sviluppati in diverse tipologie: a brida aperta o chiusa a sifone esposto, o carenati, con incollaggio del sifone (a crudo o a cotto), della sola cassetta o dell’insieme brida/cassetta sul corpo vaso. La complessità geometrica di questi articoli viene affrontata se-guendo uno specifico know how di modellazione che si avvale di moderne tecnologie per lo sviluppo (scansioni 3D, modella-zioni CAD, calcoli strutturali, fresatura computerizzata dei mo-delli e dei supporti di sformatura), oramai indispensabili nell’in-dustrializzazione dei processi produttivi dato l’aumento di

dimensioni e complessità strutturali (foto 2). L’ingegneria di questi supporti è studia-ta, oltre che per tutelare il pezzo nelle prime fasi dopo la sformatura, anche per automatizzare il processo di produzione all’interno delle celle di colaggio, dove il pezzo è movimentato automaticamente (depositi, ribaltamenti, rotazioni, carico carri, etc).Per gli articoli più grandi e complessi sono stati studiati flussi produttivi che, dopo la sformatura, consentono di muo-vere il pezzo nella prima fase di essicca-mento tenendo conto delle esigenze specifiche dei prodotti in termini di agi-bilità delle superfici da rifinire, del con-trollo delle deformazioni e dell’esposi-zione del pezzo all’ambiente per l’ottimizzazione dell’essiccamento.Ad esempio, i vasi carenati di grandi di-mensioni, dopo una prima fase di essic-camento e finitura con il piede orientato verso il basso, vengono automaticamen-te ribaltati per terminare il pre essicca-mento con la brida appoggiata su una placca di modellazione; o i lavabi d’arre-

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Structural calculations and dimensional analysis of 3D scans of modelsCalcoli strutturali e analisi dimensionale delle scansioni 3D dei modelli

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3. One-piece WC with only water tank stuck-on4. One-piece WC with rim/tank assembly stuck on

3. Vaso one piece con incollaggio della sola cassetta - 4. Vaso one piece con incollaggio dell’assieme brida/cassetta

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do di grandi dimensioni che, dopo una prima finitura a verde, vengono ribaltati con la superficie bella appoggiata sulla mede-sima placca.Sempre per assecondare la complessità strutturale e del pro-cesso di produzione di alcuni articoli (come i one piece), sono stati inoltre progettati supporti di sformatura “attivi” che con-sentono di supportare il pezzo seguendo i movimenti legati al ritiro, evitando quindi rotture dovute all’interferenza pezzo/supporto (foto 3-4).

IN/OUT technology

Per affrontare a 360° le esigenze di mercato e le problematiche comuni dei pezzi complessi occorre ripensare completamente l’articolo, la sua struttura portante, le connessioni fra la parte estetica e la parte funzionale, minimizzando quanto più possi-bile le geometrie in tensione e ottimizzando i pesi. A questo ri-sponde la tecnologia In/Out brevettata da Sacmi – sintesi del concetto “all’interno la tecnologia, all’esterno il design” – appli-cata a tutti gli articoli di grandi dimensioni con piede a spesso-re libero (vasi carenati). Le problematiche principali di questi articoli sono le deforma-zioni delle pareti e la scarsa qualità del prodotto finito (dovuta all’insorgenza di cordoni di colaggio nelle pareti a spessore li-bero). Il principio del sistema IN/OUT è di ridurre al minimo le parti a spessore libero e di formare il pezzo in due parti - la par-te funzionale brida, bacino e sifone (IN) e la parte estetica e di supporto (OUT) - incollandole assieme direttamente nella mac-china di colaggio. Così facendo, le pareti laterali, prima formate a spessore libero, sono ora a spessore obbligato, quindi prive di cordoni di colaggio e con spessore maggiore per ridurre al mi-nimo le deformazioni. Il sistema ha riscosso grande interesse ed è attualmente in produzione in Sud Africa (foto 5-6). Dispositivi automatici negli stampi

La filosofia Sacmi consolidatasi negli anni è quella di effettuare tutte le operazioni di incollaggio, laddove possibile, con le par-ti da incollare ancora contenute dallo stampo, riducendo al mi-nimo quelle eseguite manualmente (bande di sostegno laterali, sifoni, placche di chiusura, ecc). L’automazione del processo di colaggio è accompagnata dalla parallela evoluzione nell’ingegneria degli stampi in resina: ad esempio, sono stati realizzati vasi con incollaggio stampo su stampo della lingua e della brida contemporaneamente, inserti

which after an initial drying and finishing stage with the foot downwards are automatically overturned to com-plete the pre-drying operation with the rim resting on a modelling plate; and large designer washbasins which af-ter an initial green finishing operation are overturned with the top surface resting on the same plate.To cope with the complexity of the structure and produc-tion process of a number of articles such as one-piece WCs, active demoulding supports have been designed to accommodate shrinkage movements and thus avoid breakages caused by interference between the piece and the support (photos 3-4).

IN/OUT technology

To deliver an all-round solution to the needs of the market and the common problems of complex pieces, it is nec-essary to completely redesign the article, its load-bearing structure and the connections between the aesthetic and functional parts, while minimising as far as possible the geometries under stress and optimising weights. The solution is Sacmi’s patented In/Out technology, which embodies the concept of “technology inside, design out-side” and can be used on all large articles with a hollow cast foot (skirted WCs). The main problems that arise with these articles are defor-mations of the walls and the poor quality of the finished product (due to the occurrence of casting waves in the hollow cast walls). The concept behind the IN/OUT system is to minimise the parts with hollow cast walls and to form the piece in two parts – the functional part consisting of rim, bowl and siphon (IN) and the aesthetic and support-ing part (OUT) – and to stick them together directly in the casting machine. This means that the side walls are now solid cast rather than hollow cast, so they are free of cast-ing waves and have a greater thickness to minimise de-formations. The system has attracted a great deal of in-terest and is currently in operation in South Africa (photos 5-6). Automatic devices in moulds

The Sacmi philosophy that has developed over the years involves performing sticking operations as far as possible while the parts to be stuck are still contained inside the

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Assembly and demoulding stages of a complex WC cast with In/Out technologyFasi di assemblaggio e sformatura di un vaso complesso colato con tecnologia In/Out

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automatici a traietto-ria com-plessa per la creazio-ne di parti non realiz-zabili per questioni di sformo o fustellatu-re. Con questi dispositivi è stato pos-sibile rea-lizzare al-cuni progetti particolari, quali:• Vaso con inserto

automatico formato da due parti a traiettoria rotazionale per la formatura del sotto cartella del vaso (5 parti) (foto 7);

• Vaso sospeso con stampo in tre parti con l’impiego di un in-serto automatico per la formatura della lingua (foto 8);

• Vasi con inserti automatici nello stampo brida per la creazio-ne del canale ingresso acqua e del foro ingresso acqua incli-nato.

Conclusioni

Lo sviluppo di circa 1500 articoli nell’arco di 30 anni ha contri-buito alla formazione di un know how di modellazione, tecnico e tecnologico di assoluto rilievo, benché in costante evoluzio-ne. Oltre agli aspetti tecnici e tecnologici legati per lo più alla progettazione degli stampi per alta pressione, Sacmi ha svilup-pato negli ultimi anni soluzioni impiantistiche che consentono di controllare e condizionare la prima fase di essiccamento, no-toriamente la più critica per l’integrità meccanica dei pezzi, so-prattutto per quelli più grandi e complessi.L’attento studio della modellazione del pezzo, della supporte-ria, del lay out della cella di colaggio e la valutazione degli aspetti tecnologici legati al processo concorrono a conferire al prodotto finale una qualità di molto superiore a quella del co-laggio tradizionale, e soprattutto costante nel tempo.

mould and minimising man-ual operations (side-support-ing bands, siphons, etc.). Casting process automation is accompanied by parallel developments in resin mould engineering. For example, WCs have been developed with simultaneous mould-to-mould sticking of rim and tongue, along with auto-matic inserts with a complex trajectory to create parts that are not achievable due to incorrect demoulding an-gle or the need for punch-ing. These devices can be used in a number of special projects, such as:• WC with automatic two

part insert with a rotation-al trajectory for forming the surface under the seat cover fixing area (5 parts) (photo 7);

• Wall-hung WC with three-part mould using an automat-ic insert to form the tongue (photo 8);

• WCs with automatic inserts in rim mould to create wa-ter inlet channel and inclined water inlet hole (photo 10).

Conclusions

Sacmi’s experience in developing some 1500 articles over a period of 30 years has enabled it to acquire unique technical and technological expertise in the field of mod-elling. Alongside technical and technological aspects re-lating to the design of high-pressure moulds, in recent years Sacmi has also developed plant engineering solu-tions capable of controlling the initial drying phase, noto-riously the most critical for the mechanical integrity of large, complex articles.A meticulous study of the modelling process, the supports and the layout of the casting cell as well as evaluation of the technological aspects of the process are all factors that contribute to a much higher and more consistent fin-ished product quality than can be achieved with con-ventional casting.

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Sectional view of a fired WC cast with In/Out technologySezione di un vaso cotto colato con tecnologia In/Out

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