Qual é a diferença entre moldagem por inserção e sobremoldagem?

Dois processos, nomes semelhantes, lógicas de engenharia completamente diferentes. Essa pergunta nos é feita com frequência suficiente para que ela justifique uma redação técnica adequada, em vez do habitual boato de marketing que você encontra em outro lugar.

 

A moldagem por inserção coloca um componente pré-fabricado (metal, cerâmica, às vezes plástico pré{1}}moldado) no molde antes da injeção. A sobremoldagem coloca uma segunda camada de plástico sobre uma peça plástica existente. Essa é a versão-de uma frase. Todo o resto-decisões sobre ferramentas, dores de cabeça com materiais, modos de falha-fluem dessa diferença fundamental.

De onde vem a confusão

Ambos os processos criam peças multi-materiais. Ambos usam equipamentos de moldagem por injeção. Ambos são agrupados em listas de capacidade de fornecedores. Mas as considerações de engenharia divergem quase imediatamente.

A moldagem por inserção lida com interfaces de metal-para{1}}plástico. Não existe ligação química. Você depende inteiramente da geometria-recargas, furos e rebaixos-para travar mecanicamente a pastilha no lugar. O plástico encolhe ao redor do metal à medida que esfria, o que cria aderência, mas também cria problemas que abordaremos mais tarde.

A sobremoldagem lida com interfaces de plástico-para{1}}plástico. Quando existe compatibilidade de material, você obtém interdifusão molecular real na fronteira. As cadeias de TPE e as cadeias de substrato se misturam enquanto ambas as superfícies estão acima da transição vítrea. Feito corretamente, a resistência da ligação excede a resistência do material-você rasga o TPE antes de retirá-lo.

A realidade térmica dos moldes de polímero

Antes de entrar nos detalhes do processo, vale a pena entender os antecedentes sobre a transferência de calor nessas aplicações.

Uma pesquisa da Universidade de Ciências Aplicadas de Bielefeld demonstrou algo que surpreende as pessoas não familiarizadas com ferramentas de polímero: quando você injeta ABS em uma cavidade de molde de ABS, a temperatura de contato atinge aproximadamente 145 graus. A mesma injeção em ferramentas de aço? A temperatura de contato permanece em torno de 62-70 graus.

Por que isso é importante: o tempo de resfriamento aumenta dramaticamente com o material da cavidade. O resfriamento do molde de aço leva aproximadamente 12 segundos para seções típicas de parede. Cavidade de polímero? 680 segundos. O calor simplesmente não tem para onde ir-a condutividade térmica é muito baixa para que os canais de resfriamento convencionais funcionem.

Esta pesquisa levou a uma abordagem de resfriamento externo usando imersão em banho-maria após a ejeção, reduzindo os tempos de ciclo para cerca de 62 segundos, com quedas de temperatura de 16-39 graus possíveis. A técnica SPM (Space Puzzle Mold) permite que insertos de cavidades multipeças sejam ejetados com a peça de trabalho, resfriados externamente e depois reinseridos. As execuções de produção de 165 peças com 80 ciclos por conjunto de lote não mostraram danos externos às ferramentas.

Mencionamos isso porque o comportamento térmico da ferramenta afeta os resultados da moldagem por inserção e da sobremoldagem, e a maioria das discussões técnicas ignoram completamente a física subjacente.

Moldagem por inserção: o que realmente acontece

Inserções de metal vão para o molde. O plástico flui ao seu redor. Parte é ejetada. Bastante simples em conceito.

O detalhamento dos seis-estágios:

Preparação.As inserções são inspecionadas, limpas e, às vezes,{0}}tratadas superficialmente. O latão domina nas aplicações roscadas-boa usinabilidade, boa resistência à corrosão e comportamento previsível. Inoxidável para ambientes agressivos. Alumínio quando o peso importa. Os recursos de superfície (recartilhados, ranhuras circunferenciais, furos-passantes) são projetados para maximizar a retenção mecânica.

Carregando. A colocação manual funciona para volumes baixos. As prensas verticais tornam isso mais fácil, pois a gravidade ajuda em vez de lutar. Volumes maiores justificam robôs de carregamento-automatizados, alimentadores de tigelas e sistemas de coleta-e{4}}de colocação. A fixação tem que manter a posição contra a pressão de injeção, que se torna substancial.

Pré-aquecimento. Muitas vezes ignorado, frequentemente arrependido. O metal conduz o calor de forma agressiva. O latão-à temperatura ambiente colocado em um molde atua como um dissipador de calor, resfriando localmente o fundido, aumentando a viscosidade e criando linhas de solda fracas. O pré-aquecimento a ~100 graus resolve isso. Mas há uma segunda razão pela qual as pessoas não percebem: a expansão térmica. A inserção aquecida se expande. À medida que a montagem esfria, a pastilha e o plástico se contraem, reduzindo o diferencial de tensão residual.

Injeção.Os parâmetros padrão de moldagem por injeção aplicam-temperatura de fusão, velocidade de injeção, pressão da embalagem e tempo de resfriamento. A localização do portão é mais importante do que o normal porque você está direcionando o fluxo em torno de uma obstrução.

Resfriamento. Desigual por natureza. O metal esfria mais rápido que o plástico. A interface vê gradientes térmicos que não existem na moldagem de-material único.

Ejeção e inspeção.Verificação de posição,{0}}teste de extração, se especificado, verificações dimensionais. A inspeção visual detecta problemas óbvios; os sutis aparecem mais tarde.

O problema do estresse do aro

Isso merece uma seção própria porque é o modo de falha que pega as pessoas.

O plástico encolhe quando solidifica. Taxas de encolhimento típicas: ABS 0,4-0,7%, PP 1,0-2,5%, POM 1,8-2,5%. Quando o plástico encolhe em torno de uma inserção de metal que não encolhe na mesma proporção, uma tensão de tração circunferencial se desenvolve no plástico. Esse estresse não relaxa. Está embutido na peça permanentemente.

O cálculo é simples:

Para acetal (POM) com encolhimento de 2,5% e módulo de ~ 2.600 MPa, você está observando uma tensão circular em torno de 52 MPa. Isso representa aproximadamente 75% da resistência à tração final do POM. Não é uma margem confortável. (kaysun.com/blog/material-comportamento-arco-estresse-e-arrepio)

Isso explica o fenômeno de rachaduras retardadas-as peças passam pela inspeção inicial, são enviadas aos clientes e depois quebram semanas ou meses depois, à medida que o material se arrasta sob tensão constante.

Mitigação do projeto: espessura de parede adequada ao redor das pastilhas (o diâmetro externo da saliência deve ser 1,5-2× o diâmetro externo da pastilha), seleção de material favorecendo menor contração e módulo, geometria de alívio de tensão e a etapa de pré-aquecimento mencionada anteriormente.

Incompatibilidade de CTE e ciclagem térmica

Relacionado, mas distinto da tensão circular: coeficiente de diferenças de expansão térmica.

Valores típicos:

• Plásticos: 50-80 ppm/grau
• Latão: ~19 ppm/grau
• Alumínio: ~24 ppm/grau
• Aço: 10-13 ppm/grau

Um diferencial de 40+ ppm/grau significa que o plástico se expande e contrai substancialmente mais do que o metal a cada ciclo de temperatura. Em aplicações que envolvem ciclos térmicos-capôs ​​automotivos, equipamentos externos, qualquer coisa com aquecimento ligado/desligado-esse diferencial cria estresse cíclico na interface.

Caso documentado em fóruns de engenharia (eng-tips.com): inserções de latão em náilon com 30% de vidro-, passaram no teste de pressão inicial a 120 psi, vazaram após o ciclo de temperatura para 80 graus . A incompatibilidade de expansão térmica abriu a interface. A análise pós--teste mostrou o início da trinca em concentrações de tensão na superfície da pastilha.

A solução nesse caso não foi o ajuste do processo-, foi a mudança no design. Vedação secundária (O-ring, junta de elastômero) ou geometria de interface reprojetada. A moldagem por inserção por si só não pode garantir vedações{4}}à prova de gás quando o ciclo térmico está envolvido, independentemente de quão perfeito seja o processo de moldagem.

Sobremoldagem: variantes de processo

Existem três abordagens, cada uma com diferentes implicações económicas e de qualidade.

Inserir sobremoldagem (moldagem por transferência).O substrato pré-moldado é colocado em um segundo molde. TPE ou outro material moldado é injetado sobre ele. Usa equipamento padrão de-disparo único. Trabalho-intensivo devido ao carregamento manual do substrato. Econômico abaixo de aproximadamente 250.000 unidades anuais, dependendo dos custos trabalhistas. A qualidade da ligação depende muito da temperatura do substrato no momento da injeção de sobremoldagem-substrato frio significa ligação interfacial mais fraca.

Moldagem-de duas injeções (múltiplas-injeções).Equipamento especializado com múltiplos barris. O primeiro material é injetado, o molde gira ou desliza, o segundo material é injetado no mesmo ciclo. O substrato permanece quente entre as injeções, maximizando a interdifusão molecular na interface. Melhor qualidade de ligação. Alto custo de ferramentas e equipamentos. Econômico acima de aproximadamente 250.000 unidades anuais.

Co-injeção.Injeção simultânea de ambos os materiais. Aplicações limitadas. Não é comumente usado para sobremoldagem no sentido convencional.

O limite de 250.000 unidades é aproximado. A taxa de mão de obra afeta significativamente o cálculo. Com mão de obra de US$ 4/hora, a sobremoldagem de pastilhas permanece econômica em volumes maiores. Por US$ 30/hora, duas- doses se tornam atraentes mais cedo.

Compatibilidade de material-a parte que causa falhas

A ligação química entre o molde e o substrato requer compatibilidade molecular. Existem gráficos de compatibilidade, mas não contam toda a história.

Os parâmetros de processamento afetam substancialmente a qualidade da ligação. Recomendações de temperatura de fusão TPE de fornecedores de materiais (teknorapex.com):

• Sobre substrato PP: 170-190 graus
• Sobre substrato ABS: 220 graus
• Sobre substrato PA: 240 graus

A temperatura de fusão mais alta promove a transferência de calor da interface e a mobilidade molecular. A velocidade de injeção deve ser rápida para manter a temperatura durante o enchimento. Espessuras de sobremoldagem abaixo de 1,5 mm criam problemas-o material congela antes que a adesão adequada se desenvolva.

Diagnóstico do modo de falha:Ao testar a adesão (teste de descascamento, teste de cisalhamento), examine a superfície de falha. A separação limpa na interface=falha adesiva=ligação é o ponto fraco=processo ou problema de material. O TPE rasga-se dentro de si, deixando resíduos em ambas as superfícies=falha coesiva=a ligação excede a resistência do material=aceitável.

O estudo de caso de contaminação

PlasticsToday documentou uma análise de falha que vale a pena conhecer. Botões feitos de substrato PP com 30% de vidro-com revestimento de elastômero. A produção estava funcionando bem, então um lote apresentou adesão zero-O TPE se desprendeu completamente.

A análise DSC revelou que o substrato "PP" continha 40-60% de contaminação com nylon 6. O material se misturou em algum ponto rio acima. O elastômero formulado para PP não apresentou afinidade química com o náilon.

A indicação: peso da peça. 30% da densidade do nylon GF é 1,35 g/cm³. 30% da densidade do GF PP é 1,13 g/cm³. A verificação do peso teria detectado isso antes da sobremoldagem.

A verificação do material recebido é importante. Principalmente com conteúdo reciclado ou múltiplos fornecedores.

Regras de design que são ignoradas

De várias fontes da indústria e experiência de produção:

Para moldagem por inserção:

• DE do ressalto Maior ou igual a 1,5× diâmetro da pastilha (2× preferido para aplicações de alta-tensão)
• Insira a saliência na cavidade Maior ou igual a 0,4 mm (0,016")
• Profundidade moldada abaixo da pastilha Maior ou igual a 1/6 do diâmetro da pastilha (evita marcas de afundamento)
• Evite cantos agudos nas pastilhas-os concentradores de tensão aceleram a trinca
• Considere o pré-aquecimento da inserção como prática padrão, não opcional

Para sobremoldagem:

• Espessura mínima de TPE de 1,5 mm para uma colagem confiável
• Raios do canto interno Maior ou igual a 0,5× espessura da parede
• Evite seções finas que congelam antes de encher
• Superfícies de substrato texturizadas melhoram a adesão mecânica
• Localização da porta para minimizar o reaquecimento do substrato em áreas sensíveis

Eles são documentados, inseridos em diretrizes de projeto e depois ignorados quando a pressão do cronograma atinge. Os problemas aparecem na produção ou, pior, no campo.

Perguntas sobre qualificação de fornecedores

Ao avaliar fornecedores para esses processos, a verificação genérica da certificação ISO não diz muito. Perguntas específicas são mais importantes.

Para moldagem por inserção:

• Qual tolerância posicional Cpk você consegue na localização da pastilha? (Qualquer coisa abaixo de 1,33 é preocupante)
• Descreva o processo de pré-aquecimento da pastilha. Qual temperatura? Como verificado?
• Você teve problemas de cracking atrasado? Qual foi a causa raiz e a resolução?
• Como você lida com diferentes materiais CTE?

Para sobremoldagem:

• Como você qualifica novas combinações de substrato/sobremoldagem?
• Qual é o seu protocolo de teste de resistência de união? Mostrar dados.
• Como você controla a temperatura do substrato na injeção de sobremoldagem?
• Qual é o seu procedimento de prevenção de contaminação de superfície?

Para ambos:

• Explique-me uma revisão do DFM que você adiou. O que você pegou?
• Descreva um problema de produção que você resolveu. O que mudou?
• Qual é a sua abordagem quando o design citado não funciona?