{"id":7265,"date":"2018-06-08T11:40:24","date_gmt":"2018-06-08T09:40:24","guid":{"rendered":"https:\/\/php8.plastv.de\/?p=7265"},"modified":"2018-06-08T11:41:13","modified_gmt":"2018-06-08T09:41:13","slug":"silikon-und-thermoplast-erfolgreiche-symbiose-im-mikrospritzguss","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/plas.tv\/?p=7265","title":{"rendered":"Silikon und Thermoplast \u2013 erfolgreiche Symbiose im Mikrospritzguss"},"content":{"rendered":"
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In vielen Bereichen und Produkten des t\u00e4glichen Lebens, angefangen vom Automobilbau, \u00fcber die Elektronik bis hin zur Medizintechnik haben Silikone aufgrund ihrer einzigartigen Kombination von Eigenschaften eine gro\u00dfe Bandbreite von Anwendungen erobern k\u00f6nnen.Auch die Kombination eines Thermoplasts mit einem Fl\u00fcssigsilikonkautschuk in einem Spritzgie\u00dfzyklus, um Materialsubstitutionen zu realisieren oder sp\u00e4tere Montageschritte zu vermeiden, gewinnt zunehmend an Bedeutung.<\/p>\n

Im Normalspritzguss hat sich diese Materialkombination bereits etabliert, die im Mikrospritzguss noch umgesetzt werden muss.<\/p>\n

Ziel der Entwicklung<\/h4>\n

Das Forschungsprojekt \u201eEntwicklung technologischer und konstruktiver L\u00f6sungen zum Mikrospritzgie\u00dfen von 2K-Mikroformteilen in Kombination Thermoplast \u2013 Silikon\u201c am Kunststoff-Zentrum in Leipzig (KUZ) widmete sich dieser anspruchsvollen Thematik. Ziel war es durch neue technische und technologische L\u00f6sungen beim 2K-Mikrospritzgie\u00dfen eine Formteilverbindung Thermoplast \u2013 Silikon in einem Spritzgie\u00dfzyklus ohne zus\u00e4tzliche Montageschritte an einem 2K-Mikroformteil zu realisieren. Dabei sollen kurze Zykluszeiten erreicht werden, wie sie f\u00fcr das Mikrospritzgie\u00dfen mit seinen geringen Wandst\u00e4rken typisch sind. Die Basis des Projektes bildet dabei die modulare Maschinenplattform mit Kolbenspritzeinheiten \u201e2K-formicaPlast\u201c, die am KUZ f\u00fcr das Zweikomponenten-Mikrospritzgie\u00dfen mit integriertem Indexarm entwickelt wurde.<\/p>\n

Ein Schwerpunkt stellt die Entwicklung eines Konzeptes f\u00fcr die thermische Trennung der Formeins\u00e4tze in der Dreheinheit dar, da der Fl\u00fcssigsilikonkautschuk wesentlich h\u00f6here Werkzeugtemperaturen zum Vulkanisieren ben\u00f6tigt als die Thermoplastkomponente zum Erstarren. Weiterhin muss beachtet werden, dass nach der Drehung des Indexarms beide Formeins\u00e4tze schnell die entsprechend geforderte Werkzeugtemperatur annehmen k\u00f6nnen. Zielgerichtete Untersuchungen sollen zeigen, welche Kombination der beiden Komponenten f\u00fcr den Mikrospritzguss zu einer optimalen Verbindung f\u00fchrt.<\/p>\n

Technologische Entwicklung und systematische Tests<\/h4>\n

Der erforderliche Gesamtumfang der FuE-Arbeiten f\u00fcr dieses Projekt umfasste zwei Themenkomplexe:<\/p>\n

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  1. konstruktive und technologische Entwicklung des Werkzeugaufbaus f\u00fcr die Verarbeitung von Fl\u00fcssigsilikonkautschuk in Kombination mit einem Standardkunststoff in einem Spritzgie\u00dfzyklus<\/li>\n
  2. systematische Untersuchung und Optimierung der beiden Komponenten durch \u00a0Variation des Fl\u00fcssigsilikonkautschuks, des Thermoplasts und der Spritzgie\u00dfparameter<\/li>\n<\/ol>\n

    Wie in Bild 1 dargestellt, wurden die 2K-Mikro-Demonstrationsformteile nach den Regeln der kunststoff- und spritzgie\u00dfgerechten Gestaltung f\u00fcr das Mikrospritzgie\u00dfen entwickelt. Zu beachten war dabei, dass das Demonstrationsformteil A nur eine stoffschl\u00fcssige Verbindung mit einer Haftungsfl\u00e4che aufweist (Variante: Haftung) und Demonstrationsformteil B durch eine formschl\u00fcssige Verbindung mit einem Hinterschnitt gekennzeichnet ist, der auch die Verwendung und anschlie\u00dfende Pr\u00fcfung von nicht haftendem Fl\u00fcssigsilikonkautschuk erm\u00f6glicht (Variante: Niete).<\/p>\n<\/section>\n

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    <\/a>Bild 1: 2K-Mikro-Demonstrationsformteile – im Bild sind beide Demonstrationsformteile in einem Formteil (FT) dargestellt. Linke FT-H\u00e4lfte mit Hinterschnitt (Variante: Niete), rechte FT-H\u00e4lfte ohne Hinterschnitt (Variante: Haftung)<\/p>\n<\/div>\n<\/section>\n

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    F\u00fcr die Realisierung des 2K-Mikrospritzgie\u00dfprozesses in dem eine Komponente aus einem reaktiven Material wie Silikon besteht, ist die Konzeption des Werkzeugs mit der notwendigen thermischen Trennung zwischen den Formeins\u00e4tzen von entscheidender Bedeutung. Nach umfangreichen Untersuchungen wurde das entsprechende Werkzeugkonzept umgesetzt (Bild 2).<\/p>\n<\/div>\n<\/section>\n

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    <\/a>Bild 2: 2K-Mikrospritzgie\u00dfwerkzeug mit Demonstrationsformteilen<\/p>\n<\/div>\n<\/section>\n

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    Spritzgie\u00dfversuche mit verschiedenen Materialkombinationen<\/h4>\n

    Der Wechsel zwischen den beiden Demonstrationsformteilen erfolgt durch Austausch der Formeins\u00e4tze im 2K-Werkzeug. Nach Fertigstellung der Werkzeuge mit den beiden Varianten des Demonstrationsformteiles erfolgten Spritzgie\u00dfversuche mit 6 ausgew\u00e4hlten Thermoplasten und 4 Fl\u00fcssigsilikonen. Dabei wurden alle Thermoplaste mit den Fl\u00fcssigsilikonen kombiniert. Generell wurde die erste Komponente aus einem Thermoplast gefertigt und die 2. Komponente aus einem Fl\u00fcssigsilikon.<\/p>\n<\/div>\n<\/section>\n

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    <\/a>Bild 3: Versuche der Haftung von Thermoplast und Silikon (htv) \u2013 Kombinationen der 2K-Demonstrationsformteile<\/p>\n<\/div>\n<\/section>\n

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    In Bild 3 sind die Kombinationen aus den Spritzgie\u00dfversuchen dargestellt. Durch die Versuche mit der Variante \u201eNiete\u201c konnten bereits relevante Kombinationen, Thermoplast \/ Silikon, f\u00fcr die sp\u00e4teren Versuche mit der Variante \u201eHaftung\u201c spezifiziert werden. Somit wurde der Versuchsaufwand f\u00fcr die Variante Haftung auf sinnvolle Kombinationen reduziert.<\/p>\n

    Die H\u00e4lfte aller Formteilchargen wurde nach der Fertigung getempert (Vakuumofen, 100 \u00b0C, 24 h), um einen Vergleich der Haftfestigkeit im getemperten und ungetemperten Zustand vornehmen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n

    Die anschlie\u00dfenden Zugversuche wurden an einer Zwick Materialpr\u00fcfmaschine Zwicki Z2.5\/TN durchgef\u00fchrt.<\/p>\n

    Haftkraft \u2013 wie gut h\u00e4lt die Verbindung?<\/h4>\n

    Die Haftkr\u00e4fte konnten bei den Zugversuchen am Demonstrationsformteil in der Variante \u201eHaftung\u201c aussagekr\u00e4ftiger ermittelt werden als in der Variante \u201eNiete\u201c. In Bild 4 ist die Eignung der Verbindung der getesteten Thermoplaste mit den Silikonen ersichtlich. Die Kombination von selbsthaftendem Silikon (LR3070) mit jeweils PPA, PA6 und PBT zeigt dabei die besten Ergebnisse.<\/p>\n<\/div>\n<\/section>\n

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    <\/a>Bild 4: Haftung zwischen Silikon und Thermoplast<\/p>\n<\/div>\n<\/section>\n

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    Auf Grund der geringen geometrischen Haftfl\u00e4che von ca. 5 mm\u00b2 fallen auch die erzielten Haftkr\u00e4fte sehr gering aus. Problematisch zu sehen war hier die Wirkung der Entformungskr\u00e4fte der Silikonkomponente zur d\u00fcsenseitigen Entformung, welche teilweise zu einer Vorsch\u00e4digung der stoffschl\u00fcssigen Verbindung zwischen Thermoplast und Silikon f\u00fchrte. Es konnten dennoch reproduzierbare Ergebnisse f\u00fcr die Haftung beider Komponenten in den Spritzgie\u00dfvariationen ermittelt werden.<\/p>\n<\/div>\n<\/section>\n

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    <\/a>Bild 5: Haftkr\u00e4fte zwischen Silikon und Thermoplast<\/p>\n<\/div>\n<\/section>\n

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    Es ist sehr gut zu erkennen, dass getemperte Probek\u00f6rper eine h\u00f6here Haftkraft aufweisen als ungetemperte Probek\u00f6rper. Dies deutet auf eine Beeinflussung der Haftung als Folge der Ausbildung von Bindungen zum Thermoplast hin. Lediglich bei der Kombination mit PBT konnte eine etwas niedrigere Haftkraft f\u00fcr die getemperte Variante festgestellt werden. Folglich ist f\u00fcr eine h\u00f6here Haftung generell eine W\u00e4rmebehandlung nach dem Spritzguss zu empfehlen.<\/p>\n

    Unterschiedliche Temperierung f\u00fcr Materialmix<\/h4>\n

    Gute Ergebnisse konnten bei einer Kombination von PPA, LCP, PA6 und PBT mit selbsthaftendem Silikon Elastosil LR3070 erzielt werden. Voraussetzung ist hier die dynamische Heizung und K\u00fchlung der Werkzeugkavit\u00e4ten, um den Thermoplast w\u00e4hrend des \u00dcberspritzens mit Silikon in der hei\u00dfen Werkzeugseite nicht zu sch\u00e4digen. Eine sinnvolle M\u00f6glichkeit der Temperierung wurde durch Unterst\u00fctzung des Heizens mittels Induktion und des K\u00fchlens mittels CO2 aufgezeigt (Bild 6). Eine gro\u00dfe Rolle spielt ebenfalls die thermische Trennung der Werkzeugkavit\u00e4ten mit den unterschiedlichen Prozesstemperaturen, welche eine Differenz von bis zu 100 K aufweisen k\u00f6nnen.<\/p>\n<\/div>\n<\/section>\n

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    Bild 6: Werkzeugraum mit eingefahrenem Handling zur dynamischen Temperierung<\/p>\n<\/div>\n<\/section>\n

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    Zuk\u00fcnftige Auslegungen der Temperierung k\u00f6nnen mit Elementen aus dem generativen Werkzeugbau noch effektiver gestaltet werden. Dabei ist ein konturnaher wassergek\u00fchlter Induktor aus Kupfer, gefertigt mit dem selektiven Laserschmelzverfahren (SLS), denkbar, welcher eine h\u00f6here Dynamik im Aufheizprozess f\u00fcr das Erreichen der Vernetzungstemperatur des Fl\u00fcssigsilikons erm\u00f6glicht.<\/p>\n

    Anwendung & Nutzen<\/h4>\n

    Die Untersuchungen konnten den Nachweis erbringen, dass selbst bei einer sehr kleinen zur Verf\u00fcgung stehenden Haftfl\u00e4che eine Kombination von Thermoplast und Silikon mittels Mikrospritzguss m\u00f6glich ist. Haftkr\u00e4fte von ca. 1,22 N\/mm\u00b2 bei der Kombination von PBT Anjacom 400 mit Elastosil LR3070-30 konnten nachgewiesen werden. Dies bedeutet bei einer zur Verf\u00fcgung stehenden Haftfl\u00e4che von 5 mm\u00b2 im Falle des Demonstrationsformteiles (Variante \u201eHaftung\u201c) eine Haftkraft von 6,1 N.<\/p>\n

    Die Versuche haben gezeigt, dass mit angepasster Maschinentechnik und Peripherie eine Herstellung von 2K-Mikroformteilen in der Kombination Thermoplast und Fl\u00fcssigsilikon m\u00f6glich ist. Dies bedeutet jedoch eine h\u00f6here Sorgfalt bei der Auslegung der typischerweise f\u00fcr den Mikrospritzguss kleinen Werkzeuge mit der Realisierung einer thermischen Trennung auf engstem Raum.<\/p>\n

    Eine Anwendung der Technologie ist gr\u00f6\u00dftenteils bei Mikroformteilen mit Dichtfunktion zu sehen, welche vorrangig in der Medizintechnik zu finden sind.<\/p>\n

    Die im KUZ vorhandene Ausr\u00fcstung<\/a><\/span> (Maschinentechnik, Werkzeuge und Peripherie) steht nun auch interessierten Kunden f\u00fcr Haftungsuntersuchungen oder Testabformungen hinsichtlich Ihrer Zielanwendung zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n

    Quelle: KUZ<\/p>\n<\/div>\n<\/section>\n

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