Hướng dẫn thiết kế và quy trình ép phun LSR

Điều gì làm cho khuôn ép LSR trở nên khác biệt về cơ bản

Đúc phun cao su silicon lỏng (LSR) là một quy trình sản xuất chính xác khác với ép phun nhựa nhiệt dẻo thông thường ở hầu hết mọi thông số quan trọng. Trong khi đúc nhựa nhiệt dẻo bơm vật liệu đã được nung nóng vào khuôn đã nguội để đông đặc, thì đúc LSR làm ngược lại: một hợp chất silicon lỏng hai thành phần lạnh được bơm vào khuôn đã nung nóng, nơi nó trải qua phản ứng liên kết ngang xử lý bổ sung và lưu hóa vĩnh viễn thành một bộ phận đàn hồi dẻo, bền. Sự đảo ngược nhiệt này—phun nguội vào khuôn nóng—xác định toàn bộ kiến ​​trúc máy, triết lý thiết kế khuôn và chiến lược kiểm soát quy trình cần thiết để sản xuất LSR thành công. Hiểu được sự đảo ngược cơ bản này là điểm khởi đầu cho bất kỳ ai chỉ định, vận hành hoặc thiết kế xung quanh máy ép phun LSR.

Các hợp chất LSR được cung cấp dưới dạng hệ thống gồm hai phần: Phần A chứa polyme cơ bản với chất xúc tác bạch kim và Phần B chứa gói chất liên kết ngang và chất ức chế. Hai thành phần này được bảo quản riêng biệt để ngăn chặn quá trình đóng rắn sớm, được đo theo tỷ lệ 1:1 bằng hệ thống định lượng của máy, được trộn trong máy trộn tĩnh ngay trước khi phun và đưa vào khuôn theo dòng được điều hòa nhiệt độ, được kiểm soát cao. Toàn bộ hệ thống phun và xử lý vật liệu phải được duy trì ở nhiệt độ từ 5°C đến 25°C để ngăn chặn quá trình tạo gel sớm, trong khi khuôn hoạt động đồng thời ở nhiệt độ 150°C đến 220°C để thúc đẩy quá trình xử lý hoàn toàn nhanh chóng. Quản lý độ tương phản nhiệt này trong toàn bộ máy và khuôn là thách thức kỹ thuật trọng tâm của quá trình ép phun LSR.

Các thành phần cốt lõi của máy ép phun LSR

Một Máy ép phun LSR là một hệ thống tích hợp bao gồm một số hệ thống con phải hoạt động phối hợp chính xác để mang lại chất lượng bộ phận ổn định. Không giống như máy phun nhựa nhiệt dẻo tiêu chuẩn trong đó thùng và vít thực hiện quá trình làm dẻo và phun, bộ phận phun của máy LSR được thiết kế nhằm mục đích xử lý chất lỏng hai thành phần có độ nhớt thấp, nhạy cảm với nhiệt. Mỗi hệ thống con đóng một vai trò cụ thể và không thể thay thế trong quy trình.

Hệ thống đo lường và định lượng hai thành phần

Hệ thống đo lường lấy Phần A và Phần B từ thùng hoặc thùng cung cấp bằng cách sử dụng các tấm tiếp theo để duy trì áp suất không đổi trên bề mặt vật liệu và ngăn không khí lọt vào. Bơm bánh răng chính xác hoặc bơm định lượng kiểu piston cung cấp đồng thời cả hai thành phần với tỷ lệ thể tích 1:1 được kiểm soát chính xác, với độ chính xác về tỷ lệ thường được giữ trong khoảng ±1% để đảm bảo mật độ liên kết ngang và độ cứng cuối cùng nhất quán. Nhiều hệ thống còn kết hợp dây chuyền định lượng bột màu—dòng đo thứ ba đưa hạt màu hoặc chất phụ gia chức năng vào đầu trộn theo tỷ lệ có thể lập trình, cho phép sản xuất nhiều màu hoặc định lượng chất phụ gia mà không cần chuẩn bị hỗn hợp thủ công. Cảm biến áp suất và đồng hồ đo lưu lượng trong toàn bộ mạch định lượng cung cấp phản hồi theo thời gian thực để kích hoạt cảnh báo và dừng máy nếu phát hiện thấy sự chênh lệch tỷ lệ hoặc dòng chảy bất thường.

Hệ thống trộn tĩnh và chạy nguội

Sau khi đo, hai thành phần đi qua một máy trộn tĩnh dùng một lần—một ống chứa một loạt các phần tử trộn xoắn ốc phân chia và kết hợp lại dần dần các dòng nguyên liệu cho đến khi đạt được sự pha trộn đồng nhất hoàn toàn, thường trong khoảng 20 đến 40 phần tử trộn tùy thuộc vào độ nhớt của hợp chất và chất lượng hỗn hợp mong muốn. Sau đó, hợp chất hỗn hợp đi vào hệ thống dẫn lạnh trong khuôn, là một ống góp cách nhiệt được duy trì ở cùng nhiệt độ mát với thùng phun—thường dưới 20°C—sử dụng các mạch làm mát bằng nước chạy độc lập với bộ điều khiển nhiệt độ khuôn nóng. Đường dẫn nguội giữ lại LSR chưa được xử lý giữa các lần tiêm, ngăn ngừa lãng phí vật liệu và cho phép tự động khử cổng do đường dẫn và đường dẫn nguội vẫn ở dạng lỏng và được rút lại khi mở khuôn, không để lại phế liệu đường dẫn đã xử lý để cắt hoặc tái chế.

Thùng phun và vít chuyển động qua lại

Thùng phun nhận hợp chất LSR hỗn hợp từ ống góp dẫn lạnh và sử dụng vít chuyển động tịnh tiến có độ nén thấp để tích tụ một lượng vật liệu và bơm vào khoang khuôn. Không giống như vít nhựa nhiệt dẻo, được thiết kế để tạo ra nhiệt khi cắt, vít phun LSR có tỷ lệ nén rất thấp (thường là 1:1 đến 1,2:1) và được thiết kế để truyền tải vật liệu với mức gia nhiệt cắt tối thiểu để tránh kích hoạt quá trình xử lý sớm trong thùng. Toàn bộ cụm thùng được bọc bằng nước làm mát để duy trì nhiệt độ vật liệu dưới ngưỡng kích hoạt của chất xúc tác bạch kim. Độ chính xác của kích thước phun là rất quan trọng trong quá trình đúc LSR vì vật liệu có độ nhớt rất thấp và sẽ lóe sáng ngay cả những khoảng trống nhỏ nếu khối lượng phun vượt quá thể tích khoang đúc—áp suất phun điển hình cho LSR dao động từ 100 đến 250 bar, thấp hơn đáng kể so với áp suất phun nhựa nhiệt dẻo.

Nguyên tắc thiết kế khuôn cụ thể cho xử lý LSR

Thiết kế khuôn LSR tuân theo các nguyên tắc ngược lại với thiết kế khuôn nhựa nhiệt dẻo ở nhiều khía cạnh. Bởi vì LSR co lại một chút khi xử lý (thường là 2–4% độ co tuyến tính tùy thuộc vào hợp chất và điều kiện xử lý) và có độ nhớt cực thấp ở trạng thái chưa được xử lý, nên khuôn phải được thiết kế với dung sai đường phân khuôn chặt chẽ hơn, chiến lược thông hơi tích cực hơn và kiến ​​trúc nhiệt thúc đẩy quá trình xử lý nhanh chóng và đồng đều trong toàn bộ khuôn. Cấu trúc khuôn thường sử dụng thép công cụ cứng ở cấp độ P20 hoặc H13, với các bề mặt khoang được đánh bóng tới Ra 0,05 µm hoặc tốt hơn để đạt được độ bóng bề mặt cần thiết trên các bộ phận LSR cấp độ y tế, quang học hoặc tiêu dùng.

Dung sai đường chia tay và ngăn chặn flash

Độ nhớt thấp của LSR—thường là 50.000 đến 300.000 mPa·s ở nhiệt độ phun—có nghĩa là nó sẽ xuyên qua các khoảng trống nhỏ tới 0,004 mm ở áp suất phun, tạo ra tia chớp cực kỳ mỏng, khó cắt và không được chấp nhận trong các ứng dụng chính xác. Các bề mặt của đường phân khuôn phải được mài phẳng trong phạm vi 0,005 mm trên mặt khuôn và lực kẹp phải đủ để giữ cho đường phân khuôn đóng lại trước áp suất khoang trong suốt quá trình phun và xử lý. Lực kẹp cần thiết được tính toán dựa trên diện tích bộ phận dự kiến ​​và áp suất khoang cao nhất, với hệ số an toàn điển hình là 1,5 đến 2 được áp dụng. Đối với khuôn LSR nhiều khoang sản xuất các bộ phận y tế nhỏ, lực kẹp từ 50 đến 150 tấn là phổ biến ngay cả đối với các máy có kích thước khuôn khiêm tốn.

Chiến lược thông gió cho sơ tán đường hàng không

Không khí bị mắc kẹt trong các khoang khuôn LSR không thể thoát ra ngoài vật liệu như trong một số quy trình nhựa nhiệt dẻo nơi khí được hấp thụ vào trạng thái tan chảy. Không khí bị mắc kẹt trong LSR tạo ra các khoảng trống, sự lấp đầy không đầy đủ và các khuyết tật bề mặt đặc biệt có thể nhìn thấy được trong các hợp chất LSR trong suốt hoặc mờ. Hai chiến lược thông hơi được sử dụng trong thiết kế khuôn LSR: thông hơi thụ động thông qua các lỗ thông hơi của đường phân chia mặt đất chính xác có độ sâu 0,003 đến 0,005 mm được đặt tại các vị trí điền cuối cùng và thông hơi chân không chủ động trong đó bơm chân không sơ tán các khoang khuôn kín thông qua các kênh thông hơi chuyên dụng ngay trước khi phun. Việc đúc LSR có hỗ trợ chân không là bắt buộc đối với các bộ phận hình học phức tạp, thành mỏng dưới 0,5 mm hoặc các ứng dụng có yêu cầu về chất lượng là hàm lượng khoảng trống bằng 0, như trong các bộ phận y tế cấy ghép.

Thiết kế nhiệt và bố trí hệ thống sưởi ấm

Nhiệt độ khuôn đồng đều là điều cần thiết để có tốc độ xử lý nhất quán trên tất cả các khoang, đặc biệt là trong các công cụ có nhiều khoang, nơi sự thay đổi nhiệt độ giữa các khoang tạo ra các bộ phận có độ cứng, độ co ngót và tính chất cơ học khác nhau. Bộ gia nhiệt hộp mực điện là phương pháp gia nhiệt phổ biến nhất cho khuôn LSR, được lắp đặt theo các mẫu được định vị chính xác để đạt được độ đồng đều nhiệt độ trong phạm vi ±3°C trên bề mặt khoang khi đo ở điều kiện sản xuất ở trạng thái ổn định. Bộ điều khiển nhiệt độ khuôn dành riêng cho nhiệm vụ LSR duy trì độ chính xác điểm đặt là ±1°C và phản ứng nhanh với quá trình thoát nhiệt do bơm LSR lạnh vào bề mặt khuôn nóng trong mỗi chu kỳ. Vị trí cặp nhiệt điện cách bề mặt khoang trong phạm vi 5 mm—chứ không phải trong đế khuôn—cung cấp phản hồi nhiệt độ khoang mang tính đại diện hơn và kiểm soát chặt chẽ hơn.

Các thông số quy trình chính và ảnh hưởng của chúng đến chất lượng bộ phận

Việc kiểm soát quy trình ép phun LSR để tạo ra các bộ phận nhất quán, không có khuyết tật đòi hỏi phải hiểu mỗi tham số quy trình ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng như thế nào. Bảng sau đây tóm tắt các thông số quan trọng, phạm vi hoạt động điển hình của chúng và các thuộc tính chất lượng mà chúng ảnh hưởng chủ yếu:

Thời gian xử lý có ảnh hưởng đặc biệt vì các bộ phận LSR chưa được xử lý sẽ bị rách trong quá trình tháo khuôn, trong khi chu kỳ chất thải xử lý quá mức đáng kể mà không cải thiện đáng kể các tính chất cơ học khi đạt được mật độ liên kết ngang đầy đủ. Thời gian xử lý tối thiểu đối với nhiệt độ khuôn nhất định được thiết lập thông qua nghiên cứu xử lý trong đó các bộ phận được tháo khuôn trong khoảng thời gian ngắn hơn dần dần và được kiểm tra độ bền xé cũng như bộ nén cho đến khi xác định được thời gian xử lý tối thiểu có thể chấp nhận được. Trong sản xuất, biên độ an toàn 10–15% được thêm vào thời gian xử lý tối thiểu để tính đến sự biến đổi thông thường của quy trình.

Thiết kế các bộ phận LSR để có khả năng tạo khuôn và hiệu suất

Thiết kế bộ phận cho khuôn ép phun LSR đòi hỏi phải tính đến sự kết hợp độc đáo của vật liệu giữa độ đàn hồi cao, mô đun thấp và độ co ngót đáng kể khi xử lý. Một số quy tắc thiết kế áp dụng cụ thể cho LSR khác với nguyên tắc thiết kế cao su silicone đúc nén và nhựa nhiệt dẻo:

• Độ dày đồng đều của tường: LSR dễ dàng chảy thành các phần mỏng, nhưng độ dày thành không đồng đều cao tạo ra tốc độ xử lý khác nhau và ứng suất dư gây ra hiện tượng cong vênh sau khi tháo khuôn. Việc duy trì sự thay đổi độ dày thành theo tỷ lệ tối đa 3:1—và lý tưởng nhất là 2:1—trên toàn bộ phận sẽ giảm thiểu hiệu ứng này. Việc chuyển đổi giữa các phần dày và mỏng nên diễn ra dần dần theo bán kính thay vì các bước đột ngột.
• Góc nháp để tháo dỡ: Mặc dù độ đàn hồi cao của LSR có nghĩa là nó có thể được kéo căng trên các đường cắt và bật ra khỏi khuôn, các góc nghiêng từ 3° đến 5° mỗi bên trên các bức tường bên trong giúp giảm lực tháo khuôn cần thiết và kéo dài tuổi thọ của khuôn. Đối với các bề mặt có kết cấu hoặc được liên kết, nên sử dụng góc nghiêng cao hơn từ 5° đến 10° để tránh làm rách kết cấu bề mặt trong quá trình đẩy chi tiết.
• Vị trí và kích thước cổng: Cổng LSR nên được đặt ở mặt cắt ngang dày nhất của bộ phận để cho phép vật liệu chảy từ dày sang mỏng, giảm nguy cơ bắn ngắn ở các chi tiết đẹp. Cổng đường hầm và cổng chốt tự khử cổng sạch sẽ trong LSR do khả năng phục hồi đàn hồi của vật liệu, khiến chúng được ưa chuộng hơn các cổng cạnh để lại dấu vết cần cắt tỉa thủ công.
• Bù co ngót theo kích thước khoang: LSR co lại tuyến tính 2–4% sau khi tháo khuôn và xử lý sau, đồng thời kích thước khoang phải được mở rộng theo mức độ co rút dự kiến để đạt được kích thước bộ phận mục tiêu. Độ co thay đổi theo máy đo độ cứng hỗn hợp, nhiệt độ xử lý và hình dạng bộ phận, do đó, việc thử nghiệm công cụ ban đầu là cần thiết để hiệu chỉnh độ co thực tế cho từng hợp chất và thiết kế khuôn cụ thể trước khi công cụ được hoàn thiện.

Các khiếm khuyết thường gặp trong khuôn LSR và nguyên nhân gốc rễ của chúng

Ngay cả với các khuôn được thiết kế tốt và máy được cấu hình phù hợp, khuôn ép phun LSR vẫn dễ mắc phải một loạt các lỗi tái diễn cần phải chẩn đoán có hệ thống và điều chỉnh quy trình để giải quyết. Xác định nguyên nhân gốc rễ của từng lỗi—cho dù nó nằm ở máy, khuôn, vật liệu hay thông số quy trình—là điều cần thiết để thực hiện hành động khắc phục hiệu quả thay vì che giấu triệu chứng bằng những thay đổi thông số bù.

• Nhấp nháy: Khiếm khuyết LSR phổ biến nhất, gây ra bởi áp suất phun quá cao, lực kẹp không đủ, bề mặt đường phân khuôn bị mòn hoặc vượt quá dung sai hoặc độ lệch của khuôn dưới áp suất khoang. Các hành động khắc phục bao gồm xác minh mức độ phù hợp của lực kẹp, mài lại bề mặt đường phân khuôn, giảm tốc độ và áp suất phun, đồng thời kiểm tra độ phẳng của tấm khuôn và tình trạng trụ đỡ.
• Ảnh ngắn và điền không đầy đủ: Nguyên nhân là do lượng bắn không đủ, lỗ thông hơi bị chặn, bẫy không khí hoặc vật liệu bị đông cứng một phần trong thùng hoặc đường dẫn nguội do chênh lệch nhiệt độ. Kiểm tra và làm sạch các kênh thông hơi, xác minh nhiệt độ thùng và đường dẫn lạnh, đồng thời tăng nhẹ lượng bắn là những bước chẩn đoán đầu tiên.
• Rách trong quá trình tháo dỡ: Biểu thị quá trình xử lý kém do thời gian xử lý không đủ hoặc nhiệt độ khuôn thấp. Kéo dài thời gian dừng hoặc tăng nhiệt độ khuôn lên 5–10°C sẽ giải quyết được hầu hết các vấn đề về rách. Vết rách liên tục trên hình dạng phức tạp có thể chỉ ra vấn đề về thiết kế khuôn trong đó hình dạng bộ phận tạo ra sự tập trung ứng suất trong quá trình đẩy yêu cầu phải sửa đổi thiết kế.
• Sự thay đổi độ cứng giữa các khoang: Nguyên nhân là do nhiệt độ khuôn không đồng đều trên tấm khoang, tạo ra tốc độ xử lý khác nhau trong các khoang khác nhau. Lập bản đồ cặp nhiệt điện của bề mặt khuôn trong quá trình sản xuất xác định vùng nóng và vùng lạnh, đồng thời thực hiện điều chỉnh vị trí đặt bộ sưởi hoặc phân bổ nguồn điện để đạt được độ đồng đều nhiệt trong thông số kỹ thuật.