Silikon i termoplasty – udana symbioza w mikrowtryskiwaniu

2K-Mikro-Demonstrationsformteile - na rysunku przedstawione są oba demonstracyjne elementy formy w jednym elemencie formy (FT). Lewa połowa FT z podcięciem (wariant: nit), prawa połowa FT bez podcięcia (wariant: przyczepność).

2K-Mikrospritzgießwerkzeug mit Demonstrationsformteilen.

Próby odpowiedzialności termoplastu i silikonu (htv) – kombinacje dwukomponentowych elementów demonstracyjnych.

Odpowiedzialność między silikonem a termoplastem.

Więźnia między silikonem a termoplastem.

Pomieszczenie narzędziowe z wysuwanym systemem obsługi do dynamicznego temperowania.

W wielu dziedzinach i produktach codziennego życia, począwszy od przemysłu motoryzacyjnego, przez elektronikę, aż po medycynę, silikony dzięki swojej unikalnej kombinacji właściwości zdobyły szerokie spektrum zastosowań.

Również połączenie termoplastu z ciekłym kauczukiem silikonowym w jednym cyklu wtryskowym, w celu realizacji substytucji materiałów lub uniknięcia późniejszych etapów montażu, zyskuje coraz większe znaczenie.

W standardowym wtrysku ta kombinacja materiałów już się sprawdziła, natomiast w mikrowtrysku musi zostać jeszcze wdrożona.

Cel rozwoju

Projekt badawczy „Rozwój technologicznych i konstrukcyjnych rozwiązań do mikrowtrysku mikroelementów 2K w połączeniu termoplast – silikon” w Centrum Tworzyw Sztucznych w Lipsku (KUZ) poświęcony był tej wymagającej tematyce. Celem było opracowanie nowych rozwiązań technicznych i technologicznych umożliwiających wytwarzanie elementów formy łączących termoplast i silikon w jednym cyklu wtryskowym bez konieczności dodatkowych etapów montażu, w mikroformie 2K. Przy tym miały zostać osiągnięte krótkie czasy cyklu, typowe dla mikrowtrysku z jego cienkimi ściankami. Podstawą projektu była modułowa platforma maszynowa z jednostkami wtryskowymi „2K-formicaPlast”, opracowana w KUZ do dwukomponentowego mikrowtrysku z zintegrowanym ramieniem indeksującym.

Jednym z głównych punktów jest opracowanie koncepcji termicznego oddzielenia form w jednostce obrotowej, ponieważ ciekły kauczuk silikonowy wymaga znacznie wyższych temperatur narzędzi do vulkanizacji niż komponent termoplastyczny do zestalania się. Ponadto należy zapewnić, aby po obróceniu ramienia indeksującego oba elementy formy mogły szybko osiągnąć odpowiednią temperaturę narzędzia. Celowe badania mają pokazać, które połączenie obu komponentów prowadzi do optymalnego związku w mikrowtrysku.

Rozwój technologiczny i systematyczne testy

Wymagany zakres prac badawczo-rozwojowych obejmował dwa obszary tematyczne:

1. konstrukcyjny i technologiczny rozwój narzędzia do przetwarzania ciekłego kauczuku silikonowego w połączeniu z standardowym tworzywem w jednym cyklu wtryskowym
2. systematyczne badania i optymalizacja obu komponentów poprzez zmiany w ciekłym kauczuku silikonowym, termoplastach i parametrach wtrysku

Jak pokazano na rysunku 1, mikroformy demonstracyjne 2K zostały opracowane zgodnie z zasadami projektowania przyjaznego dla tworzyw sztucznych i wtrysku do mikrowtrysku. Należy zauważyć, że forma demonstracyjna A ma jedynie połączenie klejone z powierzchnią adhezyjną (wariant: adhezja), natomiast forma B charakteryzuje się połączeniem mechanicznym z nacięciem, które umożliwia także użycie i późniejsze badanie nieprzywierającego ciekłego kauczuku silikonowego (wariant: nit).

W celu realizacji procesu mikrowtrysku 2K, w którym jedna z komponentów składa się z materiału reaktywnego, takiego jak silikon, kluczowe jest zaprojektowanie narzędzia z koniecznym oddzieleniem termicznym między elementami formy. Po szerokich badaniach wdrożono odpowiednią koncepcję narzędzia (rysunek 2).

Próby wtrysku z różnymi kombinacjami materiałów

Zmiana między dwoma formami demonstracyjnymi odbywa się przez wymianę elementów formy w narzędziu 2K. Po ukończeniu narzędzi z dwiema wersjami formy demonstracyjnej przeprowadzono próby wtrysku z 6 wybranymi termoplastami i 4 ciekłymi kauczukami silikonowymi. Wszystkie termoplasty były łączone z ciekłymi kauczukami silikonowymi. Zasadniczo pierwszym komponentem był termoplast, a drugim ciekły kauczuk silikonowy.

Na rysunku 3 przedstawiono kombinacje z prób wtrysku. Dzięki próbom z wariantem „Nit” można było już określić istotne kombinacje termoplast / silikon do późniejszych prób z wariantem „Adhezja”. W ten sposób zredukowano zakres eksperymentów dla wariantu adhezji do sensownych kombinacji.

Połowa wszystkich partii elementów formy została poddana starzeniu (piec próżniowy, 100 °C, 24 godziny), aby móc porównać przyczepność w stanie starzenia i bez niego.

Następne próby rozciągania przeprowadzono na maszynie Zwick Materialprüfmaschine Zwicki Z2.5/TN.

Siła adhezji – jak dobrze trzyma połączenie?

Siły adhezji można było bardziej wiarygodnie określić podczas prób rozciągania na formie demonstracyjnej w wariancie „Adhezja” niż w wariancie „Nit”. Na rysunku 4 widoczna jest przydatność połączenia testowanych termoplastów z silikonami. Najlepsze wyniki uzyskano dla połączenia samoadhezyjnego silikonu (LR3070) z PPA, PA6 i PBT.

Z powodu niewielkiej powierzchni adhezyjnej około 5 mm², uzyskane siły adhezji są również niewielkie. Problemem okazała się tutaj siła demontażu silikonowej części, która przy odlewie z cienkiej strony powodowała czasami uszkodzenie połączenia klejonego między termoplastem a silikonem. Niemniej jednak udało się uzyskać powtarzalne wyniki dotyczące przyczepności obu komponentów w wariantach wtrysku.

Wyraźnie widać, że próbki poddane starzeniu wykazują wyższą siłę adhezji niż te bez starzenia. Sugeruje to, że adhezja jest wpływana przez tworzenie się wiązań z termoplastem. Tylko w przypadku połączenia z PBT zaobserwowano nieco niższą siłę adhezji w wariancie starzonym. Dlatego dla uzyskania wyższej adhezji zaleca się ogólnie obróbkę termiczną po wtrysku.

Różne temperowanie dla mieszanki materiałów

Dobre wyniki uzyskano przy połączeniu PPA, LCP, PA6 i PBT z samoadhezyjnym silikonem Elastosil LR3070. Warunkiem jest tutaj dynamiczne podgrzewanie i chłodzenie wkładek narzędziowych, aby nie uszkodzić termoplastu podczas nadkładania silikonu na gorącej stronie narzędzia. Przedstawiono skuteczną metodę temperowania wspomaganą indukcyjnym podgrzewaniem i chłodzeniem CO₂ (rysunek 6). Duże znaczenie ma również termiczne oddzielenie wkładek narzędziowych z różnymi temperaturami procesu, które mogą różnić się nawet o 100 K.

Przyszłe rozwiązania temperowania mogą być jeszcze bardziej efektywne, korzystając z elementów z generatywnego odlewania narzędziowego. Przykładem może być blisko konturu, wodą chłodzony induktor z miedzi, wykonany metodą selektywnego spiekania laserowego (SLS), który umożliwia szybsze nagrzewanie do temperatury sieciowania silikonu.

Zastosowanie i korzyści

Przeprowadzone badania wykazały, że nawet przy bardzo małej dostępnej powierzchni adhezyjnej możliwe jest wytwarzanie mikroelementów z termoplastu i silikonu metodą mikrowtrysku. Siła adhezji dla połączenia PBT Anjacom 400 z Elastosil LR3070-30 wyniosła około 1,22 N/mm². Oznacza to, że przy dostępnej powierzchni 5 mm² w przypadku formy demonstracyjnej (wariant „Adhezja”) siła trzymania wynosi 6,1 N.

Próby pokazały, że przy odpowiedniej technice maszynowej i peryferiach możliwa jest produkcja mikroelementów 2K z połączeniem termoplastu i ciekłego silikonu. Jednak wymaga to większej staranności przy projektowaniu narzędzi, które są zwykle małe w mikrowtrysku, z koniecznością realizacji oddzielenia termicznego na bardzo ograniczonej przestrzeni.

Przykładem zastosowania tej technologii są głównie mikroelementy z funkcją uszczelniania, które znajdują się głównie w medycynie.

Wyposażenie dostępne w KUZ (technologia maszyn, narzędzia i peryferia) jest teraz również dostępne dla zainteresowanych klientów do badań przyczepności lub testowych odlewów w kontekście ich docelowego zastosowania.