Cos'è il sovrastampaggio?
Ho iniziato a dedicarmi al sovrastampaggio circa dodici anni fa, quando un cliente lasciò cadere un contenitore pieno di manici di cacciavite sulla mia scrivania. Le impugnature in TPE si stavano staccando come pelle morta. "Risolvi questo," disse. Questa è stata la mia introduzione al processo.
Il sovrastampaggio mette una plastica sopra l'altra. Di solito morbido su duro. Uno strato di TPE o TPU circonda un nucleo rigido in ABS o nylon. L'impugnatura del trapano a batteria, la parte morbida del manico dello spazzolino da denti, il paraurti della custodia del telefono. Tutto sovrastampato.
Il concetto sembra semplice. L'esecuzione no.
Il problema dei legami
Ecco quello che nessuno ti dice in anticipo. I due materiali devono piacersi. Chimicamente. Se la polarità non corrisponde, ottieni ciò che quel cliente ha lasciato cadere sulla mia scrivania. Parti che sembrano a posto quando escono dalla macchina da stampa, poi cadono a pezzi tre settimane dopo quando qualcuno le usa effettivamente.
PP funziona con SEBS. Hanno una struttura molecolare simile. ABS e PC necessitano di TPU o di un TPE appositamente formulato. Il nylon è un incubo. Ho osservato ingegneri trascorrere mesi cercando di far aderire il TPE al nylon 66 riempito di vetro-. Gli stabilizzatori di calore nel nylon uccidono il legame. Pensi di averlo programmato, di spedire cinquantamila parti, di ricevere una chiamata due mesi dopo che le impugnature stanno scivolando via.
Abbiamo avuto un programma di utensili elettrici andato storto perché qualcuno ha cambiato fornitore di nylon senza dirlo a nessuno. Stesse specifiche sulla carta. Pacchetto additivo diverso. Le novità avevano più modificatori di impatto. La forza dei legami è scesa del 40%.
Le schede tecniche dei materiali non te lo dicono. L'unico modo per saperlo è eseguire la combinazione e testarla.
Due modi per farlo
La maggior parte dei negozi esegue il sovrastampaggio in due modi.
Pick{0}}and{1}}place è l'opzione più economica. Si modella il substrato in una pressa, si tirano le parti, le si mettono in scatole, le si sposta su un'altra pressa, le si carica in un secondo strumento, si spara il sovrastampaggio. Utensili semplici. Presse standard. Ma è necessario che un operatore carichi i pezzi tutto il giorno. E il substrato è freddo quando scatti il secondo materiale. Ciò danneggia il legame.
Avevamo un programma di gestione medica che prevedeva-and-place. Ha funzionato bene in estate. Arrivò l'inverno, la temperatura in officina scese a 60 gradi, le parti iniziarono a non superare i test di distacco. Il substrato freddo non dava alle molecole di TPE nulla a cui aggrapparsi. Ho dovuto aggiungere una stazione di preriscaldamento. Ancora un passo, ancora una cosa che va storta.
Two-shot utilizza una piastra rotante o un sistema di trasferimento per spostare il substrato dalla cavità A alla cavità B mentre è ancora caldo. Una macchina, un ciclo, un legame migliore. Ma lo strumento costa tre volte di più e servono attrezzature specializzate. Disponiamo di un Engel da 400 tonnellate con piano rotante. Quella macchina è rimasta ferma per otto mesi prima che trovassimo un volume sufficiente per giustificarne il funzionamento.
Il punto di crossover dipende dalla tariffa della manodopera e dal volume annuale. Ho visto programmi passare dal pick{1}}and{2}}place al two{3}}shot e viceversa quando il cliente rivedeva le proprie previsioni.
Quando la presa si stacca
Il distacco del TPE- è la modalità di guasto più comune. Il materiale morbido lascia andare il substrato. A volte avviene gradualmente ai bordi. A volte l'intera impugnatura scivola via tutta intera.
Cause:
Umidità nel substrato. Il nylon è igroscopico. Estrae l'acqua dall'aria. Se non lo si asciuga prima dello stampaggio, si forma del vapore sull'interfaccia durante il secondo colpo. Quel vapore impedisce il legame molecolare. Ho visto intere corse demolite perché qualcuno ha lasciato un Gaylord di nylon aperto durante il fine settimana.
Contaminazione. Eventuali residui di olio, polvere o residui di muffa sulla superficie del substrato interrompono il legame. Avevamo un tecnico degli strumenti a cui piaceva colpire i nuclei con spray al silicone. Ha reso più semplice l'espulsione delle parti. Ho anche fatto staccare il sovrastampaggio. Ci sono volute due settimane per capire cosa stava succedendo.
Temperatura sbagliata. Il TPE ha una finestra ottimale per l'incollaggio. Troppo freddo e non scorre nella superficie del substrato. Troppo caldo e inizi a degradare il materiale. Ogni combinazione di materiali ha un punto debole diverso. La scheda tecnica fornisce un punto di partenza. Lo componi da lì.
Materiali incompatibili. Vedi sopra. Questo di solito è un problema di progettazione che si presenta tardi.
Il test
Togliamo le parti dalla linea e le testiamo. Test di pelatura secondo ASTM D6862. Fissi il substrato, afferri il TPE con un dispositivo, tiri a 90 gradi, misuri la forza per separarli.
Sopra le 15 libbre per pollice va bene. Sotto i 10 è un problema. Tra 10 e 15 è il momento in cui discuti con il tuo cliente se le specifiche sono realistiche.
Esistono due modalità di guasto. La rottura dell'adesivo significa che il TPE si stacca in modo netto dal substrato. Il legame si sciolse. Il fallimento coesivo significa che il TPE si rompe prima di separarsi. Il legame reggeva ma il materiale no. Il fallimento coesivo è in realtà ciò che desideri. Significa che l'articolazione è più resistente del materiale stesso.
Ho avuto clienti che insistono per 20 lbf/in quando il TPE stesso testa solo a 18. Non è possibile legare più forte del materiale. La fisica non si preoccupa delle specifiche di stampa.
Dettagli sulla progettazione dello strumento
Lo strumento deve sigillare contro il substrato per evitare bave. Le sbavature di sovrastampaggio sono particolarmente fastidiose perché il TPE è gommoso e difficile da tagliare in modo pulito. Le superfici di tenuta sull'utensile si usurano nel tempo. Ciò che funziona in modo pulito a 10.000 scatti potrebbe lampeggiare a 100.000.
La posizione del cancello è importante. Il TPE deve fluire attraverso la superficie del substrato senza intrappolare aria. L'aria intrappolata significa vuoti nell'interfaccia. I vuoti significano punti deboli. Avevamo una parte con un'ampia area di sovrastampaggio piatta. Il cancello era a un'estremità. Il materiale scorreva e spingeva l'aria verso l'angolo più lontano. Nessuno sfogo lì. Bond ha fallito in ogni parte in quell'angolo. Aggiunto un perno di sfiato, problema risolto.
La temperatura dello stampo influisce sulla durata del ciclo e sulla forza di adesione in modi opposti. Lo stampo più caldo offre un legame migliore ma un raffreddamento più lungo. Troverai l'equilibrio che soddisfa le tue specifiche di qualità senza ridurre i costi.
La struttura sul substrato aiuta. Una superficie lucida offre meno presa al TPE. La consistenza leggera, forse SPI C-2 o C-3, fornisce un incastro meccanico oltre al legame chimico. Ora utilizziamo superfici di substrato strutturate come pratica standard.
Numeri reali
Il costo dello strumento per una semplice configurazione-e-posiziona può variare da $ 15.000 a $ 25.000 per cavità per lo strumento per il substrato, simile per lo strumento per sovrastampaggio. Due-attrezzature per la stessa parte potrebbero costare da $ 80.000 a $ 120.000 a seconda della complessità.
Il tempo di ciclo per il prelievo-e-posto è quello eseguito da entrambi gli strumenti più il tempo di trasferimento. Calcola 30 secondi per il substrato, 25 per il sovrastampaggio, 10 secondi per il carico e lo scarico da parte dell'operatore. Chiamateli 65 secondi da un piano all'altro se tutto va liscio.
Due-scatti elimina il trasferimento ma lo strumento esegue il ciclo di entrambi gli scatti insieme. In genere finisci per circa 35-45 secondi. Più pezzi all'ora ma costi di capitale più elevati.
Il costo del materiale varia notevolmente. Il PP delle materie prime vale un dollaro e qualcosa per libbra. Il TPE speciale formulato per l'incollaggio del nylon potrebbe costare sei o otto dollari. Lo strato di sovrastampaggio è solitamente sottile, quindi non incide sul costo delle parti, ma aumenta nei programmi ad alto volume.
Dove lo usiamo
Gli utensili elettrici sono l'applicazione di volume più grande che vedo. Ogni trapano, avvitatore a percussione e manico per sega è dotato di impugnature sovrastampate in TPE. Il materiale morbido assorbe le vibrazioni, migliora la presa quando le mani sono sudate o unte ed è semplicemente migliore della plastica nuda.
I dispositivi medici utilizzano il sovrastampaggio per l'ergonomia e la sigillatura. Gli strumenti chirurgici necessitano di impugnature-antiscivolo. Le apparecchiature per la movimentazione dei fluidi necessitano di guarnizioni e sigilli stampati in posizione. Il sovrastampaggio crea una superficie che può essere sterilizzata senza intrappolare i batteri nei giunti di assemblaggio.
Gli interni automobilistici sono enormi. Inserti del volante, pomelli del cambio, maniglie delle porte, pulsanti e interruttori. Al giorno d'oggi, tutto ciò che tocca il conducente è sovrastampato-morbido al tatto.
L'elettronica di consumo lo usa per custodie e cover. La custodia del telefono con il morbido paraurti attorno al bordo è sovrastampata. I morbidi cuscinetti sul fondo del tuo laptop sono sovrastampati.
Cosa va storto
Oltre al fallimento del legame, ci sono altri modi per rovinare tutto.
Flash sulla linea di giunzione o intorno alle funzioni di spegnimento-. Il TPE fuoriesce laddove l'utensile non sigilla perfettamente. Puoi tagliarlo, ma questo aggiunge lavoro e il segno di rifinitura non apparirà mai così pulito come un bordo adeguatamente modellato.
Scatti brevi in cui il TPE non si riempie completamente. Di solito si tratta di un problema di accesso o di ventilazione. Oppure stai cercando di spingere il materiale troppo lontano in una sezione sottile.
Deformazione del supporto durante la seconda ripresa. Il TPE arriva caldo. Se la parete del substrato è sottile, può deformarsi. Quindi non si adatta all'assemblaggio.
Segni di avvallamento dove la sezione in TPE è troppo spessa. Lo stesso problema dello stampaggio-single shot. Mantenere uniforme lo spessore della parete.
Delaminazione nel tempo. Questo è diverso dal fallimento immediato del legame. Le parti superano i test, entrano in servizio e iniziano a guastarsi mesi dopo. Solitamente causato da esposizione ambientale, attacco chimico o stress ciclico che alla fine distrugge l'interfaccia. Avevamo un programma di strumenti per esterni in cui l'esposizione ai raggi UV degradava la superficie del TPE e alla fine causava la separazione. Ci sono voluti diciotto mesi sul campo per vederlo.
Farlo funzionare
La selezione del materiale viene prima di tutto. Ottieni subito la corrispondenza del substrato e del TPE. Esegui test di distacco su placche campione prima di tagliare l'acciaio. Coinvolgi presto il tuo fornitore di materiali nella conversazione. Hanno grafici di compatibilità e possono consigliare gradi specifici.
Progettare il substrato per il sovrastampaggio fin dall'inizio. Texture le superfici di incollaggio. Aggiungi interblocchi meccanici in cui il TPE può avvolgere le caratteristiche o fluire attraverso i fori. Concediti più adesione di quanto pensi di aver bisogno perché il processo di produzione non sarà mai pulito come il prototipo.
Controlla l'inventario dei tuoi substrati. Tienilo asciutto. Mantienilo pulito. Se utilizzi nylon, quel materiale passa dall'asciugatrice alla pressa e da nessun'altra parte. Abbiamo costruito un'area di sosta dedicata accanto alla nostra macchina a due-proiezioni in modo che nessuno potesse contaminare i substrati in attesa del caricamento.
Convalidare il processo con attrezzature di produzione, materiali di produzione, operatori di produzione. Le parti prototipo realizzate dal tuo miglior tecnico il sabato non ti dicono cosa succederà il martedì pomeriggio quando è in corso il turno B-.
Quindi campione. Misura. Regolare. Campiona ancora. Il sovrastampaggio è meno indulgente rispetto al lavoro-single shot. Ma quando lo fai bene, ti ritroverai con parti che sarebbe impossibile realizzare in altro modo.
Quel cliente con i manici dei cacciaviti che si staccano? Lo abbiamo cambiato con un grado TPE diverso, abbiamo aggiunto consistenza ai nuclei del substrato, abbiamo aumentato la temperatura di fusione di 15 gradi. Le parti funzionano ormai da nove anni senza un solo ritorno sul campo.