Silicon a termoplasty – úspěšná symbióza v mikroinjektáži

2K-Mikro-Demonstrationsformteile - na obrázku jsou obě demonstrační formové díly zobrazeny v jednom formovém díle (FT). Levá polovina FT s podříznutím (varianta: nýty), pravá polovina FT bez podříznutí (varianta: přilnavost).

2K-mikro vstřikovací nástroj s demonstračními díly.

Zkoušky odpovědnosti termoplastu a silikonu (htv) – kombinace 2K demonstračních dílů.

Odpovědnost mezi silikonem a termoplasty.

Adhese mezi silikonem a termoplasty.

Dílna s vysunutým manipulátorem pro dynamické temperování.

V mnoha oblastech a výrobcích každodenního života, počínaje automobilovým průmyslem, přes elektroniku až po zdravotnickou techniku, si silikony díky své jedinečné kombinaci vlastností dokázaly získat široké spektrum použití.

Také kombinace termoplastu s tekutým silikonovým kaučukem v jednom vstřikovacím cyklu, pro realizaci náhrad materiálů nebo k zabránění pozdějším montážním krokům, získává na významu.

V běžném vstřikování se tato kombinace materiálů již etablovala, zatímco v mikrovstřikování je třeba ji ještě realizovat.

Cíl vývoje

Výzkumný projekt „Vývoj technologických a konstrukčních řešení pro mikrovstřikování 2K mikroformových dílů v kombinaci termoplast – silikon“ na Kunststoff-Zentrum v Lipsku (KUZ) se věnoval této náročné problematice. Cílem bylo prostřednictvím nových technických a technologických řešení při 2K mikrovstřikování realizovat spojení formových dílů termoplast – silikon v jednom vstřikovacím cyklu bez nutnosti dalších montážních kroků na 2K mikroformu. Přitom mají být dosaženy krátké cykly, jaké jsou typické pro mikrovstřikování s jeho malými tloušťkami stěn. Základem projektu je modulární strojová platforma s pístovými vstřikovacími jednotkami „2K-formicaPlast“, která byla vyvinuta na KUZ pro dvousložkové mikrovstřikování s integrovaným ramenem pro sekvenční pohyb.

Hlavním bodem je vývoj konceptu pro tepelnou izolaci formových částí v otáčecí jednotce, protože tekutý silikonový kaučuk potřebuje k vulkanizaci podstatně vyšší teploty nástroje než termoplastová složka k tuhnutí. Dále je nutné zajistit, aby po otočení sekvenčního ramene obě formové části rychle dosáhly požadované teploty nástroje. Cílené studie mají ukázat, jaká kombinace obou složek vede k optimálnímu spojení v mikrovstřikování.

Technologický vývoj a systematické testy

Celkový rozsah výzkumných a vývojových prací pro tento projekt zahrnoval dvě tématické oblasti:

1. konstrukční a technologický vývoj nástroje pro zpracování tekutého silikonového kaučuku ve spojení s běžným plastem v jednom vstřikovacím cyklu
2. systematické zkoumání a optimalizace obou složek prostřednictvím variací tekutého silikonového kaučuku, termoplastu a vstřikovacích parametrů

Jak je znázorněno na obrázku 1, byly vyvinuty 2K mikro demonstrační formy podle pravidel vhodných pro konstrukci plastů a vstřikování pro mikrovstřikování. Je třeba vzít v úvahu, že demonstrační forma A má pouze materiálové spojení s adhezní plochou (varianta: Adheze) a forma B je charakterizována formovým spojem s výstupkem, který umožňuje použití a následné testování neadhezivního tekutého silikonového kaučuku (varianta: Nýt).

Pro realizaci 2K mikrovstřikovacího procesu, ve kterém jedna složka obsahuje reaktivní materiál, například silikon, je klíčové navržení nástroje s potřebnou tepelnou izolací mezi formovými částmi. Po rozsáhlých studiích byl realizován odpovídající koncept nástroje (obrázek 2).

Vstřikovací pokusy s různými kombinacemi materiálů

Výměna mezi oběma demonstračními formami probíhá výměnou formových částí v 2K nástroji. Po dokončení nástrojů s oběma variantami demonstračního dílu byly provedeny vstřikovací pokusy s 6 vybranými termoplasty a 4 tekutými silikony. Všechny termoplasty byly kombinovány s tekutými silikony. Obecně byla první složka vyrobena z termoplastu a druhá složka z tekutého silikonu.

Na obrázku 3 jsou znázorněny kombinace z pokusů vstřikování. Díky pokusům s variantou „Nýt“ bylo možné již specifikovat relevantní kombinace termoplastu a silikonu pro pozdější pokusy s variantou „Adheze“. Tím bylo sníženo množství pokusů na rozumné kombinace u varianty adheze.

Polovina všech šarží formových dílů byla po výrobě temperována (vakuová pec, 100 °C, 24 hodin), aby bylo možné porovnat adhezní pevnost v temperovaném a netemperovaném stavu.

Následné tahové zkoušky byly provedeny na zkušební stroj Zwicki Z2.5/TN.

Adhezní síla – jak pevně drží spojení?

Adhezní síly byly při tahových zkouškách na demonstračním dílu v variantě „Adheze“ zjištěny přesněji než u varianty „Nýt“. Na obrázku 4 je patrná vhodnost spojení testovaných termoplastů s silikony. Nejlepší výsledky ukazuje kombinace samoadhezivního silikonu (LR3070) s PPA, PA6 a PBT.

Vzhledem k malé geometrické adhezní ploše cca 5 mm² jsou i dosažené adhezní síly velmi nízké. Problematické bylo zde působení uvolňovacích sil silikonové složky při odformování z tenké strany, což částečně vedlo k poškození materiálového spojení mezi termoplastem a silikonem. Přesto bylo možné získat reprodukovatelné výsledky adheze obou složek v různých variantách vstřikování.

Je velmi patrné, že temperované vzorky vykazují vyšší adhezní sílu než netemperované. To naznačuje, že adheze je ovlivněna tvorbou vazeb s termoplastem. Pouze u kombinace s PBT bylo zjištěno mírně nižší adhezní síla u temperované varianty. Proto se obecně doporučuje tepelná úprava po vstřikování pro dosažení vyšší adheze.

Různé temperování pro materiálové směsi

Dobré výsledky byly dosaženy při kombinaci PPA, LCP, PA6 a PBT s samoadhezivním silikonem Elastosil LR3070. Podmínkou je zde dynamické ohřívání a chlazení formových dutin, aby nedošlo k poškození termoplastu při přetékání silikonem na horké straně nástroje. Účinné temperování bylo demonstrováno pomocí indukčního ohřevu a chlazení pomocí CO2 (obrázek 6). Velkou roli hraje také tepelná izolace formových dutin s různými teplotami procesu, které mohou mít rozdíl až 100 K.

Budoucí návrhy temperování mohou být ještě efektivnější s použitím prvků z generativního nástrojového strojírenství. Například je možné použít tvarově blízký vodou chlazený induktor z mědi, vyrobený pomocí selektivního laserového tavení (SLS), který umožní vyšší dynamiku při zahřívání k dosažení teploty tvorby vazeb v tekutém silikonu.

Uplatnění a přínos

Výzkum prokázal, že i při velmi malé dostupné adhezní ploše je možné pomocí mikrovstřikování spojit termoplast a silikon. Byly zaznamenány adhezní síly cca 1,22 N/mm² při kombinaci PBT Anjacom 400 s Elastosil LR3070-30. To znamená, že při dostupné adhezní ploše 5 mm² u demonstračního dílu (varianta „Adheze“) je adhezní síla 6,1 N.

Pokusy ukázaly, že s upravenou strojní technikou a periferiemi je možné vyrábět 2K mikroformy v kombinaci termoplastu a tekutého silikonu. To však vyžaduje větší pečlivost při návrhu typicky malých nástrojů pro mikrovstřikování s realizací tepelné izolace na nejmenším prostoru.

Většinové použití technologie je u mikroformových dílů s těsnící funkcí, které se především nacházejí v medicíně.

Zařízení dostupné na KUZ (strojní technika, nástroje a periferie) je nyní k dispozici i zájemcům pro zkoumání adhezí nebo testovací formování s ohledem na jejich cílové použití.