Abbiamo ricevuto una richiesta di verificare degli ingranaggi per spazzolini da denti elettrici, oggi prodotti in acciaio C45, ed acquistati ed importati dalla Cina per assiemaggio in linea produttiva.

  • Vincoli: Resistenza all’usura, dimensioni definite da disegno, sopportare le coppie operative, resistenza alla corrosione.
  • Obiettivi: Ridurre il costo, migliorare la carbon footprint.
  • Variabili libere: Scelta del materiale, spessore della ruota dentata.
  • Note aggiuntive: Acquistate da rivenditore in Cina (Pechino) e assemblate a Bergamo.
  • Nazione/i in cui viene commercializzato il prodotto finale: Germania, Italia, Spagna.
  • Ulteriori requisiti normativi: Il prodotto finale deve essere commercializzabile in Europa (Germania, Italia, Spagna). Non è richiesto il contatto alimentare.
  • Descrizione: (informazioni utili per il calcolo della Carbon Footprint): Ruote dentate acquistate da rivenditore in Cina (Pechino) e assemblate a Bergamo nella linea produttiva degli spazzolini.
  • Descrizione delle condizioni di test per la FEM (analisi strutturale): Le ruote dentate devono supportare una coppia di 0,2 Nm nominalmente, e 0,5 Nm a rotore bloccato. Volume componenti 15 cm³.

Analisi Wyconi

L’acciaio al carbonio è economico e rigido, ma in ambiente umido rischia ruggine, contaminazione e fatica da corrosione. Con poche centinaia di microns di attacco la ruggine accelera usura e rumore. Le ruote dentate sono esposte ad acqua e vapore, potenzialmente, e questo va considerato nella selezione del materiale.

Si utilizza il metodo di Ashby per selezionare un indice prestazionale per questo componente.

Possiamo assimilare per semplicità le ruote dentate ad una trave sottoposta a flessione , per cui l’indice da massimizzare è il seguente:

Con Ef modulo a flessione, Cm costo per unità di massa, ρ la densità.

Se valutiamo nel nostro database un ranking per famiglie in merito ai moduli elastici, ovviamente i metalli dominano, vedasi l’immagine che raccoglie valori medi per metalli e polimeri per famiglie.



All’interno dei polimeri, alcuni hanno moduli mediamente molto superiori agli altri, esempio PEEK e famiglia, PPS, Nylon PA; ma l’indice che dobbiamo massimizzare per Ashby ha al numeratore il modulo, ma al denominatore densità e costo.

Abbiamo messo in tabella, prima per famiglia e poi nel dettaglio dei nomi commerciali, alcuni materiali più promettenti.

L’acciaio strutturale , esempio il C45, sembra non avere rivali, con un indice molto superiore al PA6 caricato 40% fibra di vetro (Akulon K224), al PA6 non caricato e al POM Delrin, che è caricato al 25% fibra di vetro. Ma, l’acciaio al carbono rischia la corrosione in ambiente umido, e il PA6 assorbe acqua con conseguenti variazioni dimensionali; per questi motivi il POM non è da scartare, anche per i bassi coefficienti di attrito, pur avendo moduli elastici generalmente più bassi di altri polimeri. L’usura del POM nel tempo è superiore a quella dell’acciaio C45, quindi molto dipende dal numero di cicli vita del prodotto.

Per la verifica alla compliance normativa, sia per l’importazione/utilizzo di acciaio che per i polimeri, va verificato che i materiali scelti siano dichiaratamente conformi alle normative REACH e RoHS, visto che i prodotti saranno commercializzati in Europa. Nel grafico la situazione normativa attuale dei materiali selezionati; alcuni di essi non stato analizzati e quindi andrebbero testati ad hoc.

L’ipotesi che si prende in considerazione è quella di sostituire l’importazione di ruole dentate dalla Cina allo stampaggio in Italia ed eventuale trasporto in linea produttiva delle stesse.

Verifichiamo dunque l’impronta di carbonio in queste condizioni per questi materiali:

  • Ruote dentate in acciaio importate dalla Cina via nave
  • Ruote dentate in plastica stampate ad iniezione in Italia e trasportate con piccolo VAN Euro 6 in linea produttiva.

Il risultato può sorprendere una volta fatto il calcolo nel nostro tool, vedasi l’immagine: l’acciaio c45 prodotto in Cina ha una carbon footprint (Kg C02 eq/Kg materiale) ancora inferiore di poco al POM (3,5 contro 4,1), mentre gli altri polimeri hanno processi produttivi molto più energivori.

Se però, come è giusto sia, rapportiamo l’impronta di carbonio al peso dei componenti finali (dato il volume di 15 cm3 come dato fornitoci dal cliente), il risultato è che il peso dei componenti finali sarà a seconda del materiale: 21,1 g per il POM, 117,8g per l’acciaio.

Conseguentemente, l’impronta totale di carbonio rapportata a questi pesi sarà: 0,087 CO₂-eq (kg) per il POM e 0,41 CO₂-eq (kg) per le ruote dentate in acciaio. Quindi la soluzione in POM risulta, a parità di volume finale, decisamente preferibile come carbon footprint.

Quindi il POM Delrin della Dupont selezionato sembra essere il candidato migliore a rimpiazzare l’acciaio C45, vista la compliance normativa, l’indice di prestazione e la carbon footprint.

Valutiamo ora, tramite calcolo FEM, se il materiale sostiene i carichi imposti dal cliente.

Abbiamo caricato, come prescritto in caso di “rotore bloccato”, la ruota dentata libera con un momento di 0,5 Nm.


Le ruote in acciaio sono ampiamente verificate. Vediamo ora il calcolo con POM.

Siamo molto lontani dal carico a rottura di questo materiale (150 MPa), quindi la struttura è ampiamente verificata anche con il POM in questione, anche considerando la vita a fatica del componente.

In conclusione, acciaio C45 e POM Delrin caricato sono entrambi verificati strutturalmente, normativamente, e molto simili come impronta carbonica/Kg, ma se rapportati al peso del componente finale, il POM prevale nettamente per carbon footprint, e si fa quindi preferire come scelta.