Siliconen en thermoplasten – succesvolle symbiose in microspuitgieten

2K-Mikro-Demonstratievormonderdelen - in de afbeelding zijn beide demonstratievormonderdelen weergegeven in één vormdeel (FT). Linker FT-helft met onderuitsnijding (variant: klinknagel), rechter FT-helft zonder onderuitsnijding (variant: hechting).

2K-micro-injectiesjabloon met demonstratievormdelen.

Proeven van de aansprakelijkheid van thermoplast en siliconen (HTV) – combinaties van de 2K-demonstratievormonderdelen.

Aansprakelijkheid tussen siliconen en thermoplasten.

Hechtmiddelen tussen siliconen en thermoplasten.

Werkzeugraum mit eingefahrenem Handling zur dynamischen Temperierung.

In veel gebieden en producten van het dagelijks leven, variërend van de automobielindustrie, elektronica tot medische technologie, hebben siliconen vanwege hun unieke combinatie van eigenschappen een breed scala aan toepassingen kunnen veroveren.

Ook de combinatie van een thermoplast met een vloeibare siliconenrubber in een spuitgietcyclus, om materiaalvervanging te realiseren of latere montage-stappen te vermijden, wint steeds meer aan belang.

Bij standaard spuitgieten heeft deze materiaalkombinatie zich al gevestigd, terwijl deze in micro-spuitgieten nog geïmplementeerd moet worden.

Doel van de ontwikkeling

Het onderzoeksproject “Ontwikkeling van technologische en constructieve oplossingen voor het micro-spuitgieten van 2K-microvormdelen in combinatie van thermoplast – siliconen” aan het Kunststoffen Centrum in Leipzig (KUZ) richtte zich op dit veeleisende onderwerp. Het doel was om door nieuwe technische en technologische oplossingen bij het 2K-micro-spuitgieten een vormdeelverbinding thermoplast – siliconen in één spuitgietcyclus zonder extra montage-stappen te realiseren. Daarbij moeten korte cyclustijden worden bereikt, zoals die typisch zijn voor micro-spuitgieten met dunne wanddiktes. De basis van het project vormt het modulaire machineplatform met zuiger-inrichtingen “2K-formicaPlast”, dat bij het KUZ is ontwikkeld voor het tweekomponent micro-spuitgieten met geïntegreerde index-arm.

Een belangrijk punt is de ontwikkeling van een concept voor thermische scheiding van de vormhelften in de draaieenheid, omdat vloeibare siliconenrubber aanzienlijk hogere gereedschapstemperaturen nodig heeft voor het vulkaniseren dan de thermoplastcomponent voor het uitharden. Verder moet worden rekening gehouden met het feit dat na het draaien van de index-arm beide vormhelften snel de juiste gereedschapstemperatuur moeten kunnen aannemen. Gerichte onderzoeken moeten aantonen welke combinatie van de twee componenten leidt tot een optimale verbinding voor het micro-spuitgieten.

Technologische ontwikkeling en systematische tests

De benodigde totale omvang van R&D-werkzaamheden voor dit project omvatte twee hoofdonderdelen:

1. constructieve en technologische ontwikkeling van de gereedschapsopbouw voor de verwerking van vloeibare siliconenrubber in combinatie met een standaardkunststof in één spuitgietcyclus
2. systematisch onderzoek en optimalisatie van de twee componenten door variatie van het vloeibare siliconenrubber, de thermoplast en de spuitgietparameters

Zoals weergegeven in afbeelding 1, zijn de 2K-micro-demonstratievormdelen ontwikkeld volgens de regels voor kunststof- en spuitgietontwerp voor micro-spuitgieten. Daarbij was het belangrijk dat demonstratievormdeel A slechts een stoffelijke verbinding met een hechtingsvlak heeft (variant: hechting) en demonstratievormdeel B wordt gekenmerkt door een vormsluitende verbinding met een uitsparing, die ook het gebruik en de daaropvolgende controle van niet-hechtend vloeibare siliconenrubber mogelijk maakt (variant: spijker).

Voor de realisatie van het 2K-micro-spuitgietproces, waarin één component uit een reactief materiaal zoals siliconen bestaat, is de ontwerp van het gereedschap met de noodzakelijke thermische scheiding tussen de vormhelften van cruciaal belang. Na uitgebreide onderzoeken is het bijbehorende gereedschapsconcept gerealiseerd (afbeelding 2).

Spuitgietproeven met verschillende materiaalkombinaties

De wisseling tussen de twee demonstratievormdelen gebeurt door het verwisselen van de vormhelften in het 2K-gereedschap. Na voltooiing van de gereedschappen met de twee varianten van het demonstratievormdeel, werden spuitgietproeven uitgevoerd met 6 geselecteerde thermoplasten en 4 vloeibare siliconen. Daarbij werden alle thermoplasten gecombineerd met de vloeibare siliconen. Over het algemeen werd de eerste component uit een thermoplast vervaardigd en de tweede uit een vloeibare siliconenrubber.

In afbeelding 3 worden de combinaties uit de spuitgietproeven weergegeven. Door de proeven met de variant “spijker” konden al relevante combinaties, thermoplast / siliconen, worden gespecificeerd voor latere proeven met de variant “hechting”. Hierdoor werd de proefopzet voor de hechting-variant beperkt tot zinvolle combinaties.

De helft van alle vormdeelpartijen werd na productie getempereerd (vacuumoven, 100 °C, 24 uur), om een vergelijking van de hechtingssterkte in getempereerde en niet-getempereerde toestand mogelijk te maken.

De daaropvolgende trekproeven werden uitgevoerd met een Zwick materiaaltestmachine Zwicki Z2.5/TN.

Hechtkracht – hoe goed houdt de verbinding?

De hechtingskrachten konden bij de trekproeven aan het demonstratievormdeel in de variant “hechting” duidelijker worden vastgesteld dan in de variant “spijker”. In afbeelding 4 is de geschiktheid van de verbinding tussen de geteste thermoplasten en siliconen zichtbaar. De combinatie van zelfhechtend siliconen (LR3070) met respectievelijk PPA, PA6 en PBT toont daarbij de beste resultaten.

Vanwege de geringe geometrische hechtingsoppervlakte van ongeveer 5 mm² zijn de behaalde hechtingskrachten ook zeer laag. Problematisch was hier de werking van de demfoutkrachten van de siliconencomponent bij het losmaken, die soms leidde tot beschadiging van de stoffelijke verbinding tussen thermoplast en siliconen. Desalniettemin konden reproduceerbare resultaten worden vastgesteld voor de hechting van beide componenten in de spuitgietvarianten.

Het is duidelijk dat getempereerde proefstukken een hogere hechtingskracht vertonen dan niet-getempereerde proefstukken. Dit wijst op een invloed op de hechting door de vorming van bindingen met het thermoplast. Alleen bij de combinatie met PBT werd een iets lagere hechtingskracht voor de getempereerde variant vastgesteld. Daarom wordt voor een hogere hechting over het algemeen een warmtebehandeling na het spuitgieten aanbevolen.

Verschillende temperatuurbereiken voor materiaalmix

Goede resultaten werden behaald bij een combinatie van PPA, LCP, PA6 en PBT met zelfhechtend siliconen Elastosil LR3070. Voorwaarde hiervoor is de dynamische verwarming en koeling van de gereedschapskamers, om het thermoplast tijdens het overgieten met siliconen in de hete gereedschapszijde niet te beschadigen. Een effectieve temperatuurbewaking werd getoond door inductieverwarming en koeling met CO₂ (afbeelding 6). Ook speelt de thermische scheiding van de gereedschapskamers met verschillende proces-temperaturen een grote rol, die een verschil van tot 100 K kan vertonen.

Toekomstige ontwerpen van de tempering kunnen nog efficiënter worden gemaakt met elementen uit de generatieve gereedschapsbouw. Daarbij is een contournah watergekoelde inductie, vervaardigd met de selectieve laser smelttechniek (SLS), denkbaar, die een hogere dynamiek in het opwarmproces mogelijk maakt voor het bereiken van de netwerkingstemperatuur van het vloeibare siliconen.

Toepassing & voordeel

De onderzoeken hebben kunnen aantonen dat zelfs bij een zeer kleine beschikbare hechtingsoppervlakte een combinatie van thermoplast en siliconen via micro-spuitgieten mogelijk is. Hechtingskrachten van ca. 1,22 N/mm² bij de combinatie van PBT Anjacom 400 met Elastosil LR3070-30 konden worden vastgesteld. Dit betekent bij een beschikbare hechtingsoppervlakte van 5 mm² voor het demonstratievormdeel (variant “hechting”) een hechtingskracht van 6,1 N.

De proeven hebben aangetoond dat met aangepaste machine-techniek en periferie een productie van 2K-microvormdelen in de combinatie van thermoplast en vloeibare siliconen mogelijk is. Dit vereist echter meer zorg bij de ontwerp van de typisch voor micro-spuitgieten kleine gereedschappen, vooral met betrekking tot de realisatie van een thermische scheiding op de kleinste ruimte.

Een toepassing van de technologie wordt vooral gezien bij microvormdelen met afdichtfunctie, die vooral in de medische technologie worden toegepast.

De aanwezige uitrusting bij het KUZ (machine-techniek, gereedschappen en periferie) staat nu ook ter beschikking aan geïnteresseerde klanten voor hechtingsonderzoeken of testvormingen met het oog op hun doeltoepassing.