Szilikon és termoplaszt – sikeres szimbiózis a mikroszóróöntésben

2K-Mikro-Demonstrationsformteile - a képen mindkét demonstrációs formaelem egy formaelemben (FT) látható. A bal oldali FT-rész visszahajtással (változat: szegecs), a jobb oldali FT-rész visszahajtás nélkül (változat: tapadás).

2K-mikroinjektionswerkzeug mit Demonstrationsformteilen.

Kísérletek a hőre lágyuló műanyag és szilikon (htv) felelősségére – a 2K- bemutató alkatrészek kombinációi.

Felelősség a szilikon és a termoplaszt között.

Börtönök között szilikon és termoplaszt.

Szerszámkamra beépített kezelőszervekkel a dinamikus temperáláshoz.

Az élet mindennapi területein és termékeiben, kezdve az autóiparon, az elektronikán át az orvostechnikáig, a szilikonok egyedi tulajdonságainak köszönhetően széles alkalmazási körben váltak elfogadottá.

Szintén egyre nagyobb jelentőséggel bír a termoplaszt és egy folyékony szilikonkaucsuk kombinációja egy injekciós ciklus során, hogy anyaghelyettesítéseket valósítson meg vagy későbbi szerelési lépéseket kerüljön el.

A normál injekciós öntésben ez a anyagkombináció már bevezetésre került, de a mikroszintű injekciós öntés még megvalósításra vár.

A fejlesztés célja

A "Technológiai és szerkezeti megoldások fejlesztése 2K-mikroformázott alkatrészek mikroszintű injekciós öntéséhez termoplaszt – szilikon kombinációval" című kutatási projekt a lipcsei Műanyagközpontban (KUZ) foglalkozott e kihívást jelentő témával. A cél az volt, hogy új technikai és technológiai megoldásokkal a 2K-mikroinjekciós öntés során egy formadarab összeköttetést valósítsanak meg termoplaszt és szilikon között egy injekciós ciklusban, további szerelési lépések nélkül. Ezzel rövid ciklusidőket kívántak elérni, amelyek jellemzőek a mikroszintű injekciós öntésre, kis falvastagságai miatt. A projekt alapját a moduláris géppaletta képezi, mely a "2K-formicaPlast" dugattyús injektor egységeket tartalmazza, melyet a KUZ fejlesztett ki a kétkomponensű mikroszintű injekciós öntéshez, integrált indexkaros rendszerrel.

Az egyik fő terület a formázóelemek termikus szétválasztásának koncepciója, mivel a folyékony szilikonkaucsuk lényegesen magasabb szerszámhőmérsékleteket igényel a vulkanizáláshoz, mint a termoplaszt komponens a megdermedéshez. Továbbá figyelembe kell venni, hogy a indexkar elfordítása után mindkét formázóelem gyorsan elérje a kívánt szerszámhőmérsékletet. A célzott vizsgálatok megmutatják, melyik két komponens kombinációja vezet optimális kötéshez a mikroszintű injekciós öntés során.

Technológiai fejlesztés és szisztematikus tesztek

A kutatás összesen két témakört foglalt magában:

1. A szerszám felépítésének konstruktív és technológiai fejlesztése folyékony szilikonkaucsuk feldolgozására, kombinálva egy standard műanyaggal egy injekciós ciklus során
2. A két komponens szisztematikus vizsgálata és optimalizálása a folyékony szilikonkaucsuk, a termoplaszt és az injekciós paraméterek variálásával

Ahogyan az 1. ábra mutatja, a 2K-mikro-demonstrációs formadarabokat a műanyag- és injekciós tervezési szabályok szerint fejlesztették ki a mikroszintű injekciós öntéshez. Figyelembe kellett venni, hogy az A demonstrációs forma csak egy anyagkapcsolatot tartalmaz egy tapadási felülettel (változat: Tapadás), míg a B demonstrációs forma egy formás kapcsolatot egy bemetszéssel, amely lehetővé teszi nem tapadó folyékony szilikon használatát és utólagos vizsgálatát (változat: Dió).

A 2K mikroszintű injekciós folyamat megvalósításához, amely egy reaktív anyagból, például szilikonból álló komponenst tartalmaz, a szerszám koncepciója, a szükséges termikus szétválasztással a formázóelemek között, döntő fontosságú. Kiterjedt vizsgálatok után a megfelelő szerszámkoncepciót megvalósították (2. kép).

Injekciós próbák különböző anyagkombinációkkal

A két demonstrációs forma közötti váltás a 2K szerszám formázóelemeinek cseréjével történik. A formák elkészítése után, mindkét változatban, injekciós próbákat végeztek 6 kiválasztott termoplaszttal és 4 folyékony szilikonnal. Minden termoplasztot kombináltak a folyékony szilikonokkal. Általánosságban az első komponens egy termoplasztból készült, a második pedig egy folyékony szilikonból.

A 3. ábrán láthatók a próbák során alkalmazott kombinációk. A "Dió" változat próbáival már releváns kombinációkat lehetett meghatározni a későbbi próbákhoz a "Tapadás" változathoz, így a kísérleti munka a tapadási vizsgálatok esetében csökkent a hasznos kombinációkra.

A formadarabok felének hőkezelésen (vákuumkemencében, 100 °C-on, 24 órán át) estek át, hogy összehasonlítsák a tapadási szilárdságot a hőkezelt és nem hőkezelt állapot között.

Az ezt követő húzási próbákat a Zwick Z2.5/TN anyagvizsgáló gépen végezték.

Tapadási erő – mennyire tartós a kötés?

A húzási próbák során a "Tapadás" változatban a tapadási erőket megbízhatóbban mérték, mint a "Dió" változatban. A 4. ábrán látható, hogy az alkalmazott termoplasztok és szilikonok közötti kötés megfelelősége. A saját tapadó szilikon (LR3070) és PPA, PA6, PBT kombinációja mutatja a legjobb eredményeket.

A kis geometriai tapadási felület miatt (~5 mm²) a tapadási erők is alacsonyak voltak. Problémát jelentett a szilikon komponens formázási ereje a vékony oldalról történő szerszámolás során, amely részben a termoplaszt és szilikon közötti kötés károsodásához vezetett. Ennek ellenére reprodukálható eredmények születtek mindkét komponens tapadásáról az injekciós változatokban.

Jól látható, hogy a hőkezelt minták nagyobb tapadási erőt mutatnak, mint a nem hőkezelt minták. Ez arra utal, hogy a tapadást befolyásolja a termoplaszttal való kötődések kialakulása. Csak a PBT kombináció esetében tapasztaltak valamivel alacsonyabb tapadási erőt a hőkezelt változatban. Ezért általánosan javasolt a hőkezelés az öntés utáni tapadás növelése érdekében.

Különböző hőkezelési módok anyagkeverékhez

Jó eredményeket értek el PPA, LCP, PA6 és PBT kombinációval saját tapadó szilikonokkal, mint az Elastosil LR3070. Feltétel a szerszámok dinamikus fűtése és hűtése, hogy a termoplaszt ne sérüljön az öntés közben a forró szerszám oldalán. Hatékony hőkezelési módszert mutattak be indukciós fűtéssel és CO₂ hűtéssel (6. kép). Nagy szerepet játszik a szerszámok közötti termikus szétválasztás, különböző folyamat-hőmérsékletekkel, amelyek akár 100 K különbséget is mutathatnak.

A jövőbeni hőkezelési tervezések hatékonyabbá tehetők a generatív szerszámkészítés elemeivel. Elképzelhető egy kontúrközeli, réz alapú induktor, melyet szelektív lézerolvasztással (SLS) készítenek, és gyorsabb felmelegedést tesz lehetővé a szilikon hálózati hőmérsékletének eléréséhez.

Alkalmazás & Haszon

A vizsgálatok igazolták, hogy még nagyon kis tapadási felületen is lehetséges a termoplaszt és szilikon kombinációja mikroszintű injekciós öntéssel. Körülbelül 1,22 N/mm² tapadási erő mutatható ki a PBT Anjacom 400 és Elastosil LR3070-30 kombinációjával. Ez 5 mm² felületen, a demonstrációs forma ("Tapadás") esetében, 6,1 N tapadási erőt jelent.

A próbák kimutatták, hogy megfelelő gépészeti és perifériás technikával lehetőség van 2K mikroszintű alkatrészek gyártására termoplaszt és folyékony szilikon kombinációjával. Ez azonban nagyobb odafigyelést igényel a kis méretű szerszámok kialakításában, különösen a termikus szétválasztás megvalósításában szűk helyen.

Az egyik fő alkalmazási terület a mikroszintű tömítő funkciót ellátó alkatrészek, melyek elsősorban az orvostechnikában fordulnak elő.

A KUZ-ben rendelkezésre álló felszerelés (géppark, szerszámok és periféria) most már érdeklődő ügyfelek számára is elérhető tömítettségvizsgálatokhoz vagy tesztformázásokhoz a célalkalmazásukkal kapcsolatban.