Silicone e termoplastici – una simbiosi di successo nella microiniezione

2K-Micro-Demonstrationsformteile - nell'immagine sono rappresentate entrambe le parti della forma dimostrativa in un singolo pezzo di forma (FT). Metà sinistra del FT con sottosquadro (variante: rivetto), metà destra del FT senza sottosquadro (variante: adesione).

Strumento di stampaggio a iniezione a microscopio 2K con parti di dimostrazione.

Prove della responsabilità di termoplastico e silicone (HTV) – combinazioni dei componenti dimostrativi 2K.

Responsabilità tra silicone e termoplastica.

Legami tra silicone e termoplastica.

Stanza di attrezzi con movimentazione retratta per il riscaldamento dinamico.

In molti settori e prodotti della vita quotidiana, dalla produzione di automobili all'elettronica fino alla tecnologia medica, i siliconi grazie alla loro combinazione unica di proprietà hanno potuto conquistare una vasta gamma di applicazioni.

Anche la combinazione di un termoplastico con un elastomero di silicone liquido in un ciclo di stampaggio a iniezione, per realizzare sostituzioni di materiali o evitare fasi di montaggio successive, sta assumendo sempre più importanza.

Nel processo di stampaggio a iniezione normale, questa combinazione di materiali si è già affermata, mentre nel microstampo deve ancora essere implementata.

Obiettivo dello sviluppo

Il progetto di ricerca "Sviluppo di soluzioni tecnologiche e costruttive per lo stampaggio a iniezione micro di componenti micro 2K in combinazione termoplastico - silicone" presso il Centro di Materiali di Lipsia (KUZ) si è dedicato a questa complessa tematica. L'obiettivo era realizzare, attraverso nuove soluzioni tecniche e tecnologiche nello stampaggio micro 2K, un collegamento tra il componente in termoplastico e il silicone in un ciclo di stampaggio senza ulteriori fasi di montaggio su un componente micro 2K. Si mirava a raggiungere tempi di ciclo brevi, tipici dello stampaggio micro con spessori di parete ridotti. La base del progetto è costituita dalla piattaforma modulare di macchine con unità di iniezione a pistone "2K-formicaPlast", sviluppata presso il KUZ per lo stampaggio micro a due componenti con braccio di posizionamento integrato.

Un punto focale è lo sviluppo di un concetto per la separazione termica delle cavità dello stampo nel sistema di rotazione, poiché il silicone liquido richiede temperature di lavoro molto più elevate per la vulcanizzazione rispetto alla componente termoplastica per il raffreddamento. Inoltre, bisogna considerare che, dopo la rotazione del braccio di posizionamento, entrambe le cavità devono rapidamente raggiungere la temperatura di lavoro richiesta. Indagini mirate devono dimostrare quale combinazione delle due componenti porta a un collegamento ottimale per lo stampaggio micro.

Sviluppo tecnologico e test sistematici

L'entità complessiva delle attività di R&S richieste per questo progetto comprendeva due aree tematiche:

1. sviluppo costruttivo e tecnologico della configurazione dello stampo per la lavorazione di silicone liquido in combinazione con un termoplastico standard in un ciclo di stampaggio
2. indagine sistematica e ottimizzazione delle due componenti attraverso variazioni del silicone liquido, del termoplastico e dei parametri di stampaggio

Come mostrato in Figura 1, i componenti dimostrativi micro 2K sono stati sviluppati secondo le regole di progettazione per materiali plastici e stampaggio per lo stampaggio micro. È importante notare che il componente dimostrativo A presenta solo un collegamento adesivo con una superficie di adesione (variante: adesione), mentre il componente B è caratterizzato da un collegamento meccanico con un sottosquadro, che consente anche l'uso e il successivo controllo di silicone liquido non adesivo (variante: rivetto).

Per la realizzazione del processo di stampaggio micro 2K, in cui una componente è costituita da un materiale reattivo come il silicone, è fondamentale la progettazione dello stampo con una separazione termica necessaria tra le cavità. Dopo approfondite indagini, il relativo concetto di stampo è stato implementato (Figura 2).

Prove di stampaggio con diverse combinazioni di materiali

Lo scambio tra i due componenti dimostrativi avviene tramite la sostituzione delle cavità nello stampo 2K. Dopo aver completato gli stampi con le due varianti del componente dimostrativo, sono state eseguite prove di stampaggio con 6 termoplastici selezionati e 4 siliconi liquidi. In tutte le combinazioni, i termoplastici sono stati abbinati ai siliconi liquidi. In generale, la prima componente è stata realizzata in un termoplastico e la seconda in silicone liquido.

In Figura 3 sono rappresentate le combinazioni testate durante le prove di stampaggio. Attraverso le prove con la variante "rivetto" sono state già identificate combinazioni rilevanti, termoplastico / silicone, per i successivi test con la variante "adesione". In questo modo, il carico di prove per la variante adesione è stato ridotto a combinazioni sensate.

Metà di tutte le serie di componenti è stata sottoposta a tempra (forno sottovuoto, 100 °C, 24 ore) per poter confrontare la resistenza all'adesione tra stato temperato e non temperato.

Successivamente, sono stati eseguiti test di trazione su una macchina di prova Zwick Materialprüfmaschine Zwicki Z2.5/TN.

Forza di adesione – quanto resiste il collegamento?

Le forze di adesione sono state determinate più efficacemente durante i test di trazione sul componente dimostrativo nella variante "adesione" rispetto alla variante "rivetto". In Figura 4 è visibile l'idoneità del collegamento tra i termoplastici testati e i siliconi. La combinazione di silicone auto-adesivo (LR3070) con PPA, PA6 e PBT mostra i migliori risultati.

A causa della ridotta superficie geometrica di adesione di circa 5 mm², anche le forze di adesione ottenute sono molto basse. È stato problematico il ruolo delle forze di distacco del silicone durante la rimozione, che in alcuni casi ha portato a danni alla connessione adesiva tra termoplastico e silicone. Tuttavia, sono stati ottenuti risultati riproducibili per l'adesione di entrambe le componenti nelle varianti di stampaggio.

È chiaramente evidente che i campioni temperati mostrano una maggiore forza di adesione rispetto a quelli non temperati. Ciò suggerisce un'influenza sulla adesione dovuta alla formazione di legami con il termoplastico. Solo con la combinazione con PBT è stata riscontrata una leggera diminuzione della forza di adesione nella variante temperata. Di conseguenza, per una maggiore adesione, si raccomanda generalmente un trattamento termico post-stampaggio.

Temperatura diversa per il materiale misto

Ottimi risultati sono stati ottenuti combinando PPA, LCP, PA6 e PBT con silicone auto-adesivo Elastosil LR3070. È fondamentale il riscaldamento e il raffreddamento dinamico delle cavità dello stampo per evitare danni al termoplastico durante la sovrastampaggio con silicone sulla parte calda dello stampo. Una soluzione efficace è stata mostrata tramite riscaldamento induttivo e raffreddamento con CO₂ (Figura 6). Un ruolo importante è svolto anche dalla separazione termica delle cavità dello stampo con temperature di processo diverse, che possono differire fino a 100 K.

Le future progettazioni di sistemi di riscaldamento e raffreddamento potranno essere rese ancora più efficaci utilizzando elementi di produzione generativa dello stampo. È possibile immaginare un induttore a circuito vicino alla superficie, realizzato in rame tramite fusione laser selettiva (SLS), che consenta una maggiore dinamica nel riscaldamento per raggiungere la temperatura di reticolazione del silicone liquido.

Applicazioni & benefici

Le indagini hanno dimostrato che, anche con una superficie di adesione molto piccola, è possibile realizzare un collegamento tra termoplastico e silicone mediante microstampo. Sono state rilevate forze di adesione di circa 1,22 N/mm² combinando PBT Anjacom 400 con Elastosil LR3070-30. Ciò corrisponde, su una superficie di 5 mm² del componente dimostrativo (variante "adesione"), a una forza di adesione di 6,1 N.

Le prove hanno mostrato che, con tecnologie di macchina e periferiche adeguate, è possibile produrre componenti micro 2K in combinazione di termoplastico e silicone liquido. Tuttavia, ciò richiede maggiore attenzione nella progettazione di strumenti tipicamente di piccole dimensioni per lo stampaggio micro, con l'implementazione di una separazione termica in uno spazio molto ristretto.

Una delle applicazioni principali di questa tecnologia riguarda componenti micro con funzione di tenuta, molto usati nel settore medico.

Le attrezzature disponibili presso il KUZ (tecnologia di macchina, strumenti e periferiche) sono ora disponibili anche per clienti interessati a indagini di adesione o test di stampo per le loro applicazioni target.