Wat is overmolding?
Ongeveer twaalf jaar geleden begon ik met overmolding toen een klant een bak met schroevendraaierhandvatten op mijn bureau liet vallen. De TPE-grepen lieten los als dode huid. ‘Repareer dit,’ zei hij. Dat was mijn kennismaking met het proces.
Bij overmolding wordt het ene plastic over het andere geplaatst. Meestal zacht in plaats van hard. Om een stijve kern van ABS of nylon gaat een TPE- of TPU-laag. De grip op je accuboormachine, het zachte deel van het handvat van je tandenborstel, de bumper op je telefoonhoesje. Allemaal overmoled.
Het concept klinkt eenvoudig. De uitvoering niet.
Het obligatieprobleem
Dit is wat niemand je vooraf vertelt. De twee materialen moeten elkaar leuk vinden. Chemisch. Als de polariteit niet overeenkomt, krijg je wat die klant op mijn bureau heeft laten vallen. Onderdelen die er goed uitzien als ze van de pers komen, maar drie weken later uit elkaar vallen als iemand ze daadwerkelijk gebruikt.
PP werkt met SEBS. Ze hebben een vergelijkbare moleculaire structuur. ABS en PC hebben TPU of een speciaal samengestelde TPE nodig. Nylon is een nachtmerrie. Ik heb gezien hoe ingenieurs maanden bezig waren om TPE aan glas-gevuld nylon 66 te laten hechten. De hittestabilisatoren in het nylon vernietigen de hechting. Je denkt dat je het goed hebt ingebeld, verzendt vijftigduizend onderdelen en krijgt twee maanden later een telefoontje dat de handvatten eraf glijden.
We hadden een programma voor elektrisch gereedschap dat de verkeerde kant op ging omdat iemand van nylonleverancier veranderde zonder het aan iemand te vertellen. Zelfde specificaties op papier. Verschillende additievenpakketten. Het nieuwe spul had meer impactmodifier. De hechtsterkte daalde met veertig procent.
Materiaalgegevensbladen vertellen u dit niet. De enige manier om daar achter te komen is door de combinatie uit te voeren en te testen.
Twee manieren om het te doen
De meeste winkels gebruiken op twee manieren overmolding.
Kies-en-plaats is de goedkope optie. Je vormt het substraat in één pers, trekt de onderdelen eruit, stopt ze in dozen, brengt ze naar een andere pers, laadt ze in een tweede gereedschap en schiet de overmold. Eenvoudig gereedschap. Standaard persen. Maar u heeft een operator nodig die de hele dag onderdelen laadt. En het substraat is koud als je het tweede materiaal schiet. Dat schaadt de band.
We hadden een programma voor medische behandeling met Pick-and-place. Werkte prima in de zomer. De winter kwam, de werkvloer daalde tot 60 graden en onderdelen begonnen de afpeltesten niet te doorstaan. Het koude substraat gaf de TPE-moleculen geen houvast. Moest een voorverwarmingsstation toevoegen. Nog één stap, nog één ding dat fout gaat.
Two-shot maakt gebruik van een roterende plaat of een transfersysteem om het substraat van holte A naar holte B te verplaatsen terwijl het nog warm is. Eén machine, één cyclus, betere binding. Maar de tool kost drie keer zoveel en je hebt gespecialiseerde apparatuur nodig. We hebben een Engel van 400 ton met een roterende plaat. Die machine heeft acht maanden stilgestaan voordat we genoeg volume vonden om het draaien ervan te rechtvaardigen.
Het crossoverpunt is afhankelijk van uw arbeidstarief en uw jaarvolume. Ik heb programma's zien wisselen van keuze-en-naar twee-opnamen en weer terug toen de klant zijn prognose herzag.
Wanneer de grip loslaat
Het afpellen van TPE- is de meest voorkomende storing. Het zachte materiaal laat de ondergrond los. Soms gebeurt het geleidelijk aan de randen. Soms glijdt de hele grip er in één stuk af.
Oorzaken:
Vocht in het substraat. Nylon is hygroscopisch. Het haalt water uit de lucht. Als je het niet droogt voordat je het gaat vormen, ontstaat er tijdens de tweede opname stoom op het grensvlak. Die stoom voorkomt moleculaire binding. Ik heb gezien dat hele runs werden geschrapt omdat iemand dit weekend een Gaylord van nylon open had gelaten.
Verontreiniging. Eventuele olie-, stof- of loslaatresten op het substraatoppervlak vernietigen de hechting. We hadden een gereedschapstechnicus die graag met siliconenspray op de kernen sloeg. Maakte het uitwerpen van de onderdelen gemakkelijker. Ook de overmold eraf gehaald. Het kostte ons twee weken om erachter te komen wat er aan de hand was.
Verkeerde temperatuur. Het TPE heeft een optimaal venster voor verlijming. Te koud en het vloeit niet in het substraatoppervlak. Te warm en je begint het materiaal af te breken. Elke materiaalcombinatie heeft een andere sweet spot. Het gegevensblad geeft u een startpunt. Vanaf daar belt u het in.
Incompatibele materialen. Zie hierboven. Dit is meestal een ontwerpprobleem dat laat opduikt.
Het testen
Wij halen onderdelen van de lijn en testen deze. Afpeltest volgens ASTM D6862. Je klemt de ondergrond vast, pakt de TPE vast met een armatuur, trekt 90 graden, meet de kracht om ze los te maken.
Boven de 15 pond per inch is goed. Onder de 10 is een probleem. Tussen 10 en 15 discussieert u met uw klant over de vraag of de specificatie realistisch is.
Er bestaan twee faalwijzen. Door lijmfalen trekt de TPE netjes van het substraat. De band liet los. Cohesief falen betekent dat het TPE scheurt voordat het loslaat. De band hield stand, maar het materiaal niet. Samenhangend falen is eigenlijk wat je wilt. Het betekent dat de verbinding sterker is dan het materiaal zelf.
Ik heb klanten gehad die aandrongen op 20 lbf/in terwijl de TPE zelf pas bij 18 test. Je kunt niet sterker hechten dan het materiaal. De natuurkunde geeft niets om de printspecificaties.
Ontwerpdetails van het gereedschap
Het gereedschap moet tegen het substraat afdichten om flitsen te voorkomen. Overmold-flitsen is bijzonder vervelend omdat het TPE rubberachtig is en moeilijk schoon te knippen is. De afdichtingsoppervlakken op het gereedschap slijten na verloop van tijd. Wat bij 10.000 opnamen schoon blijft, kan bij 100.000 opnamen flitsen.
De locatie van de poort is belangrijk. Het TPE moet over het substraatoppervlak stromen zonder lucht vast te houden. Opgesloten lucht betekent holtes op het grensvlak. Leegtes betekenen zwakke plekken. We hadden een onderdeel met een groot vlak overmoldoppervlak. De poort bevond zich aan de ene kant. Het materiaal stroomde naar de overkant en duwde de lucht naar de verste hoek. Geen ventilatie daar. Bond faalde in die hoek op elk onderdeel. Ontluchtingspin toegevoegd, probleem opgelost.
De matrijstemperatuur beïnvloedt de cyclustijd en de hechtsterkte op tegenovergestelde manieren. Heter schimmel zorgt voor een betere hechting maar langere koeling. U vindt de balans die aan uw kwaliteitsspecificaties voldoet, zonder uw kosten te verlagen.
Textuur op het substraat helpt. Een gepolijst oppervlak zorgt ervoor dat het TPE minder vastgrijpt. Een lichte textuur, misschien SPI C-2 of C-3, zorgt voor mechanische vergrendeling bovenop de chemische binding. We gebruiken nu standaard gestructureerde substraatoppervlakken.
Echte cijfers
De gereedschapskosten voor een eenvoudige plaatsing-en-plaatsing bedragen misschien $15.000 tot $25.000 per holte voor het substraatgereedschap, vergelijkbaar met het overmoldgereedschap. Twee-tooling voor hetzelfde onderdeel kan afhankelijk van de complexiteit €80.000 tot €120.000 opleveren.
De cyclustijd voor ophalen-en-plaats is de tijd die beide tools uitvoeren, plus de overdrachtstijd. Figuur 30 seconden voor het substraat, 25 voor de overmold, 10 seconden voor de operator om te laden en lossen. Noem het 65 seconden van verdieping tot verdieping als alles soepel verloopt.
Met twee-schoten wordt de overdracht geëlimineerd, maar de tool laat beide schoten tegelijk doorlopen. Normaal gesproken ben je ongeveer 35 tot 45 seconden bezig. Meer onderdelen per uur, maar hogere kapitaalkosten.
De materiaalkosten variëren enorm. Grondstof PP kost een dollar per pond. Speciaal TPE geformuleerd voor nylonverbindingen kan zes tot acht dollar kosten. De overmoldlaag is meestal dun, zodat deze de kosten van de onderdelen niet domineert, maar bij programma's met een hoog volume wel toeneemt.
Waar we het gebruiken
Elektrisch gereedschap is de grootste volumetoepassing die ik zie. Elke boormachine, slagschroevendraaier en zaaghandgreep heeft met TPE omgoten handgrepen. Het zachte materiaal absorbeert trillingen, verbetert de grip als je handen bezweet of vettig zijn en voelt gewoon beter aan dan kaal plastic.
Medische apparaten maken gebruik van overmolding vanwege ergonomie en afdichting. Chirurgische instrumenten hebben antisliphandgrepen nodig-. Voor vloeistofbehandelingsapparatuur zijn op hun plaats gegoten pakkingen en afdichtingen nodig. De overmold creëert een oppervlak dat kan worden gesteriliseerd zonder dat bacteriën in de montageverbindingen terechtkomen.
Auto-interieurs zijn enorm. Stuurwielinzetstukken, pookknoppen, deurgrepen, knoppen en schakelaars. Alles wat de bestuurder aanraakt, is tegenwoordig voorzien van een zachte-touch-overlay.
Consumentenelektronica gebruikt het voor hoesjes en covers. Je telefoonhoesje met de zachte bumper rond de rand is overmold. De zachte pads aan de onderkant van uw laptop zijn overmold.
Wat gaat er mis
Naast het mislukken van obligaties zijn er nog andere manieren om dit te verpesten.
Flits bij de scheidingslijn of rond afgesloten- elementen. Het TPE knijpt eruit waar het gereedschap niet perfect afdicht. Je kunt het bijsnijden, maar dat voegt arbeid toe en de snijmarkering ziet er nooit zo schoon uit als een goed gevormde rand.
Korte shots waarbij de TPE niet volledig vult. Meestal een probleem met de poort of de ventilatie. Of u probeert materiaal te ver in een dun gedeelte te duwen.
Het kromtrekken van het substraat tijdens de tweede opname. De TPE wordt warm geleverd. Als de substraatwand dun is, kan deze vervormen. Dan past het niet in de montage.
Zinksporen waar het TPE-gedeelte te dik is. Hetzelfde probleem als enkel-spuitgieten. Houd de wanddikte uniform.
Delaminatie in de loop van de tijd. Dit is anders dan het onmiddellijk falen van een binding. De onderdelen slagen voor de tests, worden in gebruik genomen en beginnen maanden later te falen. Meestal veroorzaakt door blootstelling aan het milieu, chemische aanvallen of cyclische stress die uiteindelijk het grensvlak afbreekt. We hadden een gereedschapsprogramma voor buiten waarbij UV-blootstelling het TPE-oppervlak aantastte en uiteindelijk scheiding veroorzaakte. Het duurde achttien maanden in het veld om het te zien.
Het laten werken
Materiaalkeuze staat voorop. Zorg ervoor dat het substraat en het TPE vooraf op elkaar zijn afgestemd. Voer afpeltesten uit op monsterplaten voordat u staal snijdt. Betrek uw materiaalleverancier vroegtijdig bij het gesprek. Ze hebben compatibiliteitstabellen en kunnen specifieke kwaliteiten aanbevelen.
Ontwerp vanaf het begin het substraat voor overmolding. Geef structuur aan de hechtoppervlakken. Voeg mechanische vergrendelingen toe waarbij de TPE zich rond elementen kan wikkelen of door gaten kan stromen. Geef jezelf meer hechting dan je denkt nodig te hebben, want het productieproces zal nooit zo schoon zijn als het prototype.
Beheer uw substraatvoorraad. Houd het droog. Houd het schoon. Als je nylon gebruikt, gaat dat materiaal van de droger naar de pers en nergens anders. We hebben een speciale verzamelplaats gebouwd naast onze twee-schotmachines, zodat niemand de substraten kon besmetten terwijl ze wachtten met laden.
Valideer het proces met productietools, productiematerialen, productieoperatoren. De prototypeonderdelen die uw beste technicus op zaterdag maakt, vertellen u niet wat er gaat gebeuren op dinsdagmiddag als de B-ploeg draait.
Vervolgens monsteren. Meeteenheid. Aanpassen. Opnieuw monster. Overmolding is minder vergevingsgezind dan enkel-werk. Maar als je het goed doet, krijg je onderdelen die onmogelijk op een andere manier te maken zijn.
Die klant met de afbladderende schroevendraaierhandvatten? We schakelden over op een andere TPE-kwaliteit, voegden textuur toe aan de substraatkernen en verhoogden de smelttemperatuur met 15 graden. Onderdelen draaien nu al negen jaar zonder enige veldretour.