Silicone et thermoplastiques – une symbiose réussie dans la micro-injection

2K-Micro-Démonstration de pièces - dans l'image, les deux pièces de démonstration sont représentées dans une seule pièce de moulage (PM). La moitié gauche de la PM avec sous-coupe (variante : rivet), la moitié droite de la PM sans sous-coupe (variante : adhérence).

Moule d'injection par micro-soufflage 2K avec pièces de démonstration.

Tests de responsabilité du thermoplast et du silicone (HTV) – combinaisons des pièces de démonstration 2K.

Responsabilité entre le silicone et le thermoplastique.

Adhésifs entre silicone et thermoplastique.

Atelier d'outillage avec manipulation intégrée pour le refroidissement dynamique.

Dans de nombreux domaines et produits de la vie quotidienne, allant de l'automobile à l'électronique en passant par la technologie médicale, les silicones ont pu conquérir une large gamme d'applications grâce à leur combinaison unique de propriétés.

La combinaison d'un thermoplastique avec un caoutchouc silicone liquide dans un cycle d'injection, afin de réaliser des substitutions de matériaux ou d'éviter des étapes de montage ultérieures, gagne également en importance.

Dans l'injection standard, cette combinaison de matériaux s'est déjà imposée, mais elle doit encore être mise en œuvre dans la micro-injection.

Objectif du développement

Le projet de recherche « Développement de solutions technologiques et constructives pour la micro-injection de micro-pièces 2K en combinaison thermoplastique – silicone » au Centre des plastiques de Leipzig (KUZ) s'est consacré à cette problématique exigeante. L'objectif était de réaliser, par de nouvelles solutions techniques et technologiques, une connexion de pièce moulée thermoplastique – silicone en un seul cycle d'injection, sans étapes de montage supplémentaires, sur une micro-matrice 2K. Des temps de cycle courts, typiques pour la micro-injection avec ses faibles épaisseurs de paroi, doivent être atteints. La base du projet est une plateforme de machines modulaire avec des unités d'injection à piston « 2K-formicaPlast », développée au KUZ pour la micro-injection bimatière avec un bras d'indexation intégré.

Un point central est le développement d'un concept pour la séparation thermique des cavités de moule dans la unité de rotation, car le caoutchouc silicone liquide nécessite des températures d'outillage beaucoup plus élevées pour la vulcanisation que le composant thermoplastique pour la solidification. Il faut également veiller à ce qu'après la rotation du bras d'indexation, les deux cavités de moule puissent rapidement atteindre la température d'outillage requise. Des études ciblées doivent montrer quelle combinaison des deux composants conduit à une liaison optimale pour la micro-injection.

Développement technologique et tests systématiques

Le périmètre global des travaux de R&D pour ce projet comprenait deux volets :

1. développement constructif et technologique de la conception du moule pour le traitement du caoutchouc silicone liquide en combinaison avec un plastique standard dans un cycle d'injection
2. étude systématique et optimisation des deux composants par variation du caoutchouc silicone liquide, du thermoplastique et des paramètres d'injection

Comme illustré sur la figure 1, les pièces de démonstration micro-2K ont été conçues selon les règles de conception adaptées aux plastiques et à l'injection pour la micro-injection. Il fallait noter que la pièce de démonstration A ne présente qu'une liaison adhésive avec une surface de collage (variante : adhérence) et que la pièce B est caractérisée par une liaison mécanique avec une contre-dépouille, permettant également l'utilisation et le test ultérieur de silicone liquide non adhérent (variante : rivet).

Pour la réalisation du processus de micro-injection 2K avec un composant en matériau réactif comme le silicone, la conception du moule avec la séparation thermique nécessaire entre les cavités de moule est cruciale. Après des études approfondies, le concept de moule correspondant a été mis en œuvre (figure 2).

Essais d'injection avec différentes combinaisons de matériaux

Le changement entre les deux pièces de démonstration s'effectue par échange des cavités dans le moule 2K. Après la fabrication des moules avec les deux variantes de la pièce de démonstration, des essais d'injection ont été réalisés avec 6 thermoplastiques sélectionnés et 4 silicones liquides. Tous les thermoplastiques ont été combinés avec les silicones liquides. En général, la première composante était en thermoplastique et la seconde en silicone liquide.

La figure 3 présente les combinaisons issues des essais d'injection. Grâce à l'essai avec la variante « Rivet », des combinaisons pertinentes, thermoplastique / silicone, ont déjà été spécifiées pour les essais ultérieurs avec la variante « Adhérence ». Ainsi, la charge de travail expérimentale pour la variante adhérence a été réduite à des combinaisons pertinentes.

La moitié de toutes les séries de pièces a été thermiquement traitée après fabrication (four à vide, 100 °C, 24 h) afin de comparer la résistance à l'adhérence entre l'état thermiquement traité et non traité.

Les essais de traction suivants ont été réalisés sur une machine d'essai Zwick Materialprüfmaschine Zwicki Z2.5/TN.

Force d'adhérence – à quel point la liaison est-elle résistante ?

Les forces d'adhérence ont pu être mesurées de manière plus significative lors des essais de traction sur la pièce de démonstration dans la variante « Adhérence » que dans la variante « Rivet ». La figure 4 montre l'aptitude de la liaison entre les thermoplastiques testés et les silicones. La combinaison de silicone auto-adhésif (LR3070) avec respectivement PPA, PA6 et PBT montre les meilleurs résultats.

En raison de la petite surface géométrique d'environ 5 mm², les forces d'adhérence obtenues sont également faibles. Il a été problématique de constater l'effet des forces de démoulage de la composante silicone lors du décollement, ce qui a parfois endommagé la liaison entre le thermoplastique et le silicone. Néanmoins, des résultats reproductibles pour l'adhérence des deux composants dans les variations d'injection ont pu être obtenus.

Il est très clair que les échantillons thermiquement traités présentent une force d'adhérence plus élevée que ceux non traités. Cela indique une influence du traitement thermique sur l'adhérence, liée à la formation de liaisons avec le thermoplastique. Seule la combinaison avec le PBT a montré une force d'adhérence légèrement inférieure pour la version thermiquement traitée. Par conséquent, un traitement thermique après injection est généralement recommandé pour une meilleure adhérence.

Différents traitements thermiques pour le mélange de matériaux

De bons résultats ont été obtenus avec une combinaison de PPA, LCP, PA6 et PBT avec du silicone auto-adhésif Elastosil LR3070. La condition préalable est ici le chauffage et le refroidissement dynamiques des cavités du moule pour éviter d'endommager le thermoplastique lors de l'injection de silicone en partie chaude. Une solution pertinente de traitement thermique a été démontrée en utilisant le chauffage par induction et le refroidissement par CO2 (figure 6). Le rôle important de la séparation thermique des cavités du moule, avec des températures de processus différentes pouvant atteindre jusqu'à 100 K, est également souligné.

Les conceptions futures du traitement thermique pourront être encore plus efficaces avec des éléments issus de la fabrication assistée par ordinateur (FAO). Par exemple, un inducteur à eau refroidi par conduction, fabriqué par fusion laser sélective (SLS), pourrait permettre une montée en température plus rapide pour atteindre la température de réseau du silicone liquide.

Application & avantages

Les études ont démontré qu'il est possible, même avec une surface d'adhérence très limitée, de réaliser une combinaison de thermoplastique et de silicone par micro-injection. Des forces d'adhérence d'environ 1,22 N/mm² ont été mesurées pour la combinaison de PBT Anjacom 400 avec Elastosil LR3070-30. Cela correspond à une force d'adhérence de 6,1 N pour une surface d'adhérence de 5 mm² dans le cas de la pièce de démonstration (variante « Adhérence »).

Les essais ont montré qu'avec une technique machine adaptée et une périphérie appropriée, la fabrication de micro-pièces 2K en combinaison thermoplastique et silicone liquide est possible. Cela nécessite toutefois une attention accrue lors de la conception des outils, qui sont généralement de petite taille pour la micro-injection, avec la mise en œuvre d'une séparation thermique dans un espace restreint.

Une application principale de cette technologie concerne principalement les micro-pièces avec fonction d'étanchéité, très répandues dans la technologie médicale.

L'équipement disponible au KUZ (technologie machine, outils et périphériques) est désormais également accessible aux clients intéressés pour des études d'adhérence ou des essais de moulage en fonction de leur application cible.