Silicona y termoplásticos – una exitosa simbiosis en el microinyección

2K-Mini-Muestras de formas - en la imagen, ambas muestras de forma están representadas en una sola pieza de molde (FT). La mitad izquierda del FT con contrafuerte (variante: remache), la mitad derecha del FT sin contrafuerte (variante: adherencia).

Herramienta de inyección por microinyección 2K con piezas de demostración.

Pruebas de la responsabilidad de termoplástico y silicona (HTV) – combinaciones de las piezas de demostración 2K.

Responsabilidad entre silicona y termoplástico.

Cámaras de retención entre silicona y termoplástico.

Sala de herramientas con manipulación retraída para la termorregulación dinámica.

En muchas áreas y productos de la vida cotidiana, desde la fabricación de automóviles, pasando por la electrónica hasta la tecnología médica, los silicones han logrado conquistar una amplia gama de aplicaciones debido a su combinación única de propiedades.

También la combinación de un termoplástico con un caucho de silicona líquida en un ciclo de inyección, para realizar sustituciones de materiales o evitar pasos posteriores de montaje, está ganando cada vez más importancia.

En el proceso de inyección normal, esta combinación de materiales ya se ha establecido, pero aún debe implementarse en la microinyección.

Objetivo del desarrollo

El proyecto de investigación "Desarrollo de soluciones tecnológicas y constructivas para la microinyección de piezas micro de 2K en combinación de termoplástico - silicona" en el Centro de Plásticos en Leipzig (KUZ) abordó esta temática exigente. El objetivo era, mediante nuevas soluciones técnicas y tecnológicas en la microinyección 2K, realizar una unión de piezas moldeadas de termoplástico y silicona en un ciclo de inyección sin pasos adicionales de montaje en una pieza micro de 2K. Se busca alcanzar tiempos de ciclo cortos, típicos de la microinyección con sus paredes delgadas. La base del proyecto es la plataforma de máquinas modular con unidades de inyección de émbolo "2K-formicaPlast", desarrollada en el KUZ para la microinyección de dos componentes con un brazo de índice integrado.

Un enfoque principal es el desarrollo de un concepto para la separación térmica de las cavidades del molde en la unidad de rotación, ya que la silicona líquida requiere temperaturas de herramienta mucho más altas para vulcanizar que el termoplástico para solidificarse. Además, se debe tener en cuenta que, tras la rotación del brazo de índice, ambas cavidades del molde puedan alcanzar rápidamente la temperatura de herramienta requerida. Se realizarán investigaciones específicas para determinar qué combinación de los dos componentes conduce a una unión óptima para la microinyección.

Desarrollo tecnológico y pruebas sistemáticas

El alcance total de las actividades de I+D para este proyecto incluyó dos bloques temáticos:

1. desarrollo constructivo y tecnológico de la estructura de la herramienta para el procesamiento de silicona líquida en combinación con un plástico estándar en un ciclo de inyección
2. investigación sistemática y optimización de los dos componentes mediante variación de la silicona líquida, el termoplástico y los parámetros de inyección

Como se muestra en la Imagen 1, las piezas demostrativas micro de 2K se desarrollaron siguiendo las reglas de diseño para plásticos y moldeo por inyección para la microinyección. Es importante destacar que la pieza demostrativa A solo presenta una unión superficial con una superficie de adhesión (variante: adhesión) y la pieza demostrativa B se caracteriza por una unión mecánica con un contrafoso, que también permite el uso y la posterior prueba de silicona líquida no adhesiva (variante: remache).

Para la realización del proceso de microinyección 2K, en el que una de las componentes es un material reactivo como la silicona, la concepción de la herramienta con la separación térmica necesaria entre las cavidades del molde es crucial. Tras extensas investigaciones, se implementó el concepto de herramienta correspondiente (Imagen 2).

Pruebas de inyección con diferentes combinaciones de materiales

El cambio entre las dos piezas demostrativas se realiza mediante el intercambio de las cavidades en la herramienta 2K. Tras la fabricación de las herramientas con las dos variantes de la pieza demostrativa, se realizaron pruebas de inyección con 6 termoplásticos seleccionados y 4 siliconas líquidas. En todos los casos, se combinaron todos los termoplásticos con las siliconas líquidas. En general, la primera componente se fabricó con un termoplástico y la segunda con silicona líquida.

En la Imagen 3 se muestran las combinaciones de las pruebas de inyección. A través de las pruebas con la variante "remache" ya se pudieron especificar combinaciones relevantes de termoplástico y silicona para futuros ensayos con la variante "adhesión". De este modo, se redujo el esfuerzo experimental para la variante de adhesión a combinaciones útiles.

La mitad de todos los lotes de piezas se templaron tras su fabricación (horno de vacío, 100 °C, 24 h) para poder comparar la resistencia de adhesión en estado templado y no templado.

Las pruebas de tracción posteriores se realizaron en una máquina de pruebas de materiales Zwick Materialprüfmaschine Zwicki Z2.5/TN.

Fuerza de adhesión – ¿qué tan bien mantiene la unión?

Las fuerzas de adhesión pudieron determinarse con mayor fiabilidad en las pruebas de tracción en la pieza demostrativa en la variante "adhesión" que en la variante "remache". En la Imagen 4 se muestra la idoneidad de la unión de los termoplásticos probados con las siliconas. La combinación de silicona autoadhesiva (LR3070) con PPA, PA6 y PBT muestra los mejores resultados.

Debido a la pequeña superficie geométrica de adhesión de aproximadamente 5 mm², las fuerzas de adhesión obtenidas también son muy bajas. Se observó que un problema importante era la acción de las fuerzas de desmoldeo de la componente de silicona durante el desmoldeo en la cara delgada, lo que en algunos casos provocó daños en la unión superficial entre el termoplástico y la silicona. Sin embargo, se lograron resultados reproducibles en la adhesión de ambas componentes en las variaciones del proceso de inyección.

Es claramente visible que las muestras templadas presentan una mayor fuerza de adhesión que las no templadas. Esto indica que la adhesión se ve influida por la formación de enlaces con el termoplástico. Solo en la combinación con PBT se observó una fuerza de adhesión ligeramente menor en la muestra templada. Por lo tanto, para una mayor adhesión, generalmente se recomienda un tratamiento térmico tras la inyección.

Diferentes temperaturas de proceso para mezclas de materiales

Se lograron buenos resultados con combinaciones de PPA, LCP, PA6 y PBT con silicona autoadhesiva Elastosil LR3070. La condición previa aquí es la calefacción y enfriamiento dinámico de las cavidades del molde para evitar dañar el termoplástico durante la sobreinyección con silicona en el lado caliente del molde. Se mostró una solución efectiva mediante la ayuda de inducción para calentar y CO₂ para enfriar (Imagen 6). También juega un papel importante la separación térmica de las cavidades del molde con diferentes temperaturas de proceso, que pueden variar hasta 100 K.

En futuros diseños de temperaturas, se podrán utilizar elementos de fabricación generativa de herramientas de manera aún más eficiente. Se puede considerar un inductor de agua refrigerada cercano a la forma, fabricado mediante soldadura selectiva láser (SLS), que permite una mayor dinámica en el proceso de calentamiento para alcanzar la temperatura de unión de la silicona líquida.

Aplicación y beneficio

Las investigaciones demostraron que, incluso con una superficie de adhesión muy pequeña, es posible realizar una unión de termoplástico y silicona mediante microinyección. Se pudieron detectar fuerzas de adhesión de aproximadamente 1,22 N/mm² en la combinación de PBT Anjacom 400 con Elastosil LR3070-30. Esto significa que, con una superficie de adhesión de 5 mm² en la pieza demostrativa (variante "adhesión"), la fuerza de adhesión es de 6,1 N.

Los ensayos demostraron que, con tecnología de máquina ajustada y periféricos adecuados, es posible fabricar piezas micro de 2K en la combinación de termoplástico y silicona líquida. Sin embargo, esto requiere mayor cuidado en el diseño de las herramientas, que suelen ser pequeñas en la microinyección, y en la implementación de una separación térmica en espacios muy reducidos.

Una aplicación principal de esta tecnología se encuentra en piezas micro con función de sellado, principalmente en tecnología médica.

El equipamiento del KUZ (tecnología de máquinas, herramientas y periféricos) está ahora también a disposición de clientes interesados para investigaciones de adherencia o moldes de prueba relacionados con su aplicación objetivo.