¿Qué es el sobremolde?
Empecé a sobremoldear hace unos doce años cuando a un cliente se le cayó un contenedor de mangos de destornillador sobre mi escritorio. Las empuñaduras de TPE se estaban despegando como piel muerta. "Arreglen esto", dijo. Esa fue mi introducción al proceso.
El sobremoldeo pone un plástico sobre otro. Generalmente blando sobre duro. Una capa de TPE o TPU rodea un núcleo rígido de ABS o nailon. El mango de su taladro inalámbrico, la parte blanda del mango de su cepillo de dientes, el parachoques de la funda de su teléfono. Todo sobremoldeado.
El concepto suena simple. La ejecución no lo es.
El problema de los bonos
Esto es lo que nadie te dice de antemano. Los dos materiales tienen que gustar. Químicamente. Si la polaridad no coincide, obtendrás lo que ese cliente dejó caer sobre mi escritorio. Piezas que se ven bien al salir de la prensa y luego se desmoronan tres semanas después, cuando alguien realmente las usa.
PP trabaja con SEBS. Tienen una estructura molecular similar. El ABS y el PC necesitan TPU o un TPE especialmente formulado. El nailon es una pesadilla. He observado a ingenieros pasar meses tratando de lograr que el TPE se adhiera al nailon 66 relleno de vidrio-. Los estabilizadores térmicos del nailon eliminan la unión. Crees que lo tienes ajustado, envías cincuenta mil piezas y recibes una llamada dos meses después que las empuñaduras se están soltando.
Un programa de herramientas eléctricas fracasó porque alguien cambió de proveedor de nailon sin decírselo a nadie. Mismas especificaciones en papel. Paquete de aditivos diferente. El material nuevo tenía más modificador de impacto. La fuerza de los bonos cayó un cuarenta por ciento.
Las hojas de datos de los materiales no indican esto. La única forma de saberlo es ejecutar la combinación y probarla.
Dos maneras de hacerlo
La mayoría de las tiendas realizan el sobremoldeo de dos maneras.
Elegir{0}}y-colocar es la opción económica. Moldeas el sustrato en una prensa, sacas las piezas, las colocas en cajas, las llevas a otra prensa, las cargas en una segunda herramienta y disparas el sobremolde. Herramientas sencillas. Prensas estándar. Pero necesita un operador cargando piezas todo el día. Y el sustrato está frío cuando disparas el segundo material. Eso daña el vínculo.
Teníamos un programa de atención médica que ejecutaba pick{0}}and-place. Funcionó bien en verano. Llegó el invierno, el suelo del taller bajó a 60 grados y las piezas empezaron a fallar las pruebas de pelado. El sustrato frío no daba a las moléculas de TPE nada a lo que agarrarse. Tuve que agregar una estación de precalentamiento. Un paso más, una cosa más que saldrá mal.
Dos-disparo utiliza una placa giratoria o un sistema de transferencia para mover el sustrato de la cavidad A a la cavidad B mientras aún está caliente. Una máquina, un ciclo, mejor unión. Pero la herramienta cuesta tres veces más y se necesita equipo especializado. Disponemos de un Engel de 400 toneladas con plato giratorio. Esa máquina estuvo inactiva durante ocho meses antes de que encontráramos suficiente volumen para justificar su funcionamiento.
El punto de cruce depende de su tasa de mano de obra y su volumen anual. He visto programas pasar de elegir-y-lugar a dos-disparos y viceversa cuando el cliente revisó su pronóstico.
Cuando el agarre se pela
El desprendimiento-de TPE es el modo de falla más común. El material blando se desprende del sustrato. A veces ocurre gradualmente en los bordes. A veces, toda la empuñadura se desliza en una sola pieza.
Causas:
Humedad en el sustrato. El nailon es higroscópico. Saca agua del aire. Si no lo seca antes de moldearlo, se forma vapor en la interfaz durante la segunda inyección. Ese vapor previene los enlaces moleculares. He visto tiradas enteras desechadas porque alguien dejó abierto un Gaylord de nailon durante el fin de semana.
Contaminación. Cualquier residuo de aceite, polvo o desmoldante en la superficie del sustrato mata la unión. Teníamos un técnico de herramientas al que le gustaba golpear los núcleos con spray de silicona. Facilitó la expulsión de las piezas. También hizo que se despegara el sobremolde. Nos tomó dos semanas descubrir qué estaba pasando.
Temperatura incorrecta. El TPE tiene una ventana óptima para la unión. Demasiado frío y no fluye hacia la superficie del sustrato. Demasiado calor y empiezas a degradar el material. Cada combinación de materiales tiene un punto óptimo diferente. La hoja de datos le proporciona un punto de partida. Lo marca desde allí.
Materiales incompatibles. Ver arriba. Éste suele ser un problema de diseño que llega tarde.
La prueba
Sacamos piezas de la línea y las probamos. Prueba de pelado según ASTM D6862. Sujetas el sustrato, agarras el TPE con un accesorio, tiras a 90 grados y mides la fuerza para separarlos.
Más de 15 libras por pulgada es bueno. Por debajo de 10 es un problema. Entre 10 y 15 es donde usted discute con su cliente sobre si la especificación es realista.
Existen dos modos de falla. La falla del adhesivo significa que el TPE se desprende limpiamente del sustrato. El vínculo se soltó. La falla de cohesión significa que el TPE se rompe antes de separarse. El vínculo se mantuvo pero el material no. El fracaso cohesivo es en realidad lo que quieres. Significa que la unión es más fuerte que el propio material.
He tenido clientes que insisten en 20 lbf/pulg cuando el TPE en sí solo prueba a 18. No se puede unir más fuerte que el material. A la física no le importan las especificaciones de impresión.
Detalles de diseño de herramientas
La herramienta debe sellar contra el sustrato para evitar rebabas. El rebaba del sobremolde es particularmente molesto porque el TPE es gomoso y difícil de recortar limpiamente. Las superficies de sellado de la herramienta se desgastan con el tiempo. Lo que funciona limpio con 10.000 disparos puede parpadear con 100.000.
La ubicación de la puerta importa. El TPE debe fluir a través de la superficie del sustrato sin atrapar aire. El aire atrapado significa vacíos en la interfaz. Los huecos significan puntos débiles. Teníamos una pieza con una gran zona de sobremolde plana. La puerta estaba en un extremo. El material fluyó y empujó el aire hacia la esquina más alejada. No hay ventilación allí. Bond falló en esa esquina en todos los aspectos. Se agregó un pin de ventilación, problema resuelto.
La temperatura del molde afecta el tiempo del ciclo y la fuerza de unión de manera opuesta. Un molde más caliente proporciona una mejor unión pero un enfriamiento más prolongado. Usted encontrará el equilibrio que cumpla con sus especificaciones de calidad sin reducir el costo.
La textura del sustrato ayuda. Una superficie pulida le da al TPE menos agarre. La textura ligera, tal vez SPI C-2 o C-3, proporciona un entrelazado mecánico encima del enlace químico. Actualmente utilizamos superficies de sustrato texturizadas como práctica estándar.
Números reales
El costo de la herramienta para una configuración simple de selección-y-colocación oscila entre $15 000 y $25 000 por cavidad para la herramienta de sustrato, similar a la herramienta de sobremolde. Las herramientas de dos-inyecciones para la misma pieza pueden alcanzar entre 80 000 y 120 000 dólares, dependiendo de la complejidad.
El tiempo del ciclo de selección-y-colocación es lo que ambas herramientas ejecutan más el tiempo de transferencia. Calcula 30 segundos para el sustrato, 25 para el sobremolde, 10 segundos para que el operador cargue y descargue. Llámelo 65 segundos piso a piso si todo va bien.
Dos-disparos eliminan la transferencia, pero la herramienta realiza un ciclo de ambos disparos juntos. Por lo general, terminas entre 35 y 45 segundos. Más piezas por hora pero mayor coste de capital.
El costo del material varía enormemente. El PP de materias primas cuesta un dólar por libra. El TPE especial formulado para unir nailon podría costar entre seis y ocho dólares. La capa de sobremolde suele ser delgada, por lo que no domina el costo de la pieza, pero suma en programas de gran volumen.
Dónde lo usamos
Las herramientas eléctricas son la aplicación de mayor volumen que veo. Todos los taladros, destornilladores de impacto y mangos de sierra tienen empuñaduras sobremoldeadas de TPE. El material suave absorbe las vibraciones, mejora el agarre cuando tienes las manos sudorosas o grasosas y se siente mejor que el plástico desnudo.
Los dispositivos médicos utilizan sobremoldeado por razones ergonómicas y de sellado. Los instrumentos quirúrgicos necesitan agarres antideslizantes. Los equipos de manipulación de fluidos necesitan juntas y sellos moldeados en su lugar. El sobremolde crea una superficie que se puede esterilizar sin atrapar bacterias en las juntas de montaje.
Los interiores de los automóviles son enormes. Inserciones en volante, pomos de cambio, manijas de puertas, botones e interruptores. Todo lo que toca el conductor tiene un sobremolde-suave al tacto hoy en día.
La electrónica de consumo lo utiliza para estuches y cubiertas. La funda de tu teléfono con el parachoques suave alrededor del borde está sobremoldeada. Las suaves almohadillas de la parte inferior de su computadora portátil están sobremoldeadas.
¿Qué sale mal?
Además del fracaso del vínculo, hay otras formas de estropear esto.
Destella en la línea de separación o alrededor de elementos de cierre-. El TPE se escapa allí donde la herramienta no sella perfectamente. Puedes recortarlo, pero eso añade trabajo y la marca de recorte nunca se ve tan limpia como un borde moldeado correctamente.
Tomas cortas donde el TPE no se llena del todo. Generalmente es un problema de compuerta o ventilación. O está intentando empujar demasiado el material en una sección delgada.
Deformación del sustrato durante el segundo disparo. El TPE llega caliente. Si la pared del sustrato es delgada, puede distorsionarse. Entonces no encaja en el conjunto.
Marcas de hundimiento donde la sección de TPE es demasiado gruesa. El mismo problema que el moldeado de un solo-disparo. Mantenga uniforme el espesor de la pared.
Delaminación en el tiempo. Esto es diferente del fracaso inmediato del vínculo. Las piezas pasan las pruebas, entran en servicio y luego comienzan a fallar meses después. Generalmente causado por exposición ambiental, ataque químico o estrés cíclico que eventualmente rompe la interfaz. Teníamos un programa de herramientas para exteriores en el que la exposición a los rayos UV degradaba la superficie del TPE y, finalmente, provocaba la separación. Fueron necesarios dieciocho meses en el campo para verlo.
Hacerlo funcionar
La selección de materiales es lo primero. Haga coincidir el sustrato y el TPE desde el principio. Realice pruebas de pelado en placas de muestra antes de cortar acero. Incorpore a su proveedor de materiales a la conversación desde el principio. Tienen tablas de compatibilidad y pueden recomendar grados específicos.
Diseñe el sustrato para sobremoldear desde el principio. Texturice las superficies de unión. Agregue interbloqueos mecánicos donde el TPE pueda envolver características o fluir a través de orificios. Date más adherencia de la que crees que necesitas porque el proceso de producción nunca será tan limpio como el prototipo.
Controle su inventario de sustrato. Mantenlo seco. Mantenlo limpio. Si utiliza nailon, ese material pasa de la secadora a la prensa y a ningún otro lugar. Construimos un área de preparación dedicada junto a nuestra máquina de dos-disparos para que nadie pudiera contaminar los sustratos mientras esperaban la carga.
Validar el proceso con herramientas de producción, materiales de producción, operadores de producción. Las piezas prototipo fabricadas por su mejor técnico un sábado no le dicen lo que sucederá un martes por la tarde cuando esté funcionando el turno B-.
Luego muestra. Medida. Ajustar. Muestra nuevamente. El sobremoldeado es menos indulgente que el trabajo-de un solo disparo. Pero cuando lo haces bien, terminas con piezas que serían imposibles de hacer de otra manera.
¿Ese cliente con los mangos de destornillador pelables? Lo cambiamos a un grado de TPE diferente, agregamos textura a los núcleos del sustrato y aumentamos la temperatura de fusión hasta 15 grados. Las piezas han estado funcionando durante nueve años sin una sola devolución de campo.