LSR widersteht der Hitze

Für viele von uns ist Flüssigsilikon (LSR) am leichtesten in einem Baumarkt zu finden. Es wird in Tuben angeboten und kann zur Herstellung von flexiblen Flüssigdichtungen verwendet werden, die mit der Wärme einer laufenden Maschine aushärten. In seiner extremen Form hält LSR konstanten Temperaturen von bis zu 316 °C und kurzzeitigen Temperaturspitzen von 371 °C stand.

Wer sich etwas mit gewöhnlichen Thermoplasten auskennt, wird es widersinnig finden, dass ein gummiartiger Werkstoff in Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden kann, doch LSR ist tatsächlich dafür gemacht, der Hitze standzuhalten. Im Gegensatz zu Thermoplasten, die bei Hitzeeinwirkung weich werden, werden Duroplaste wie LSR in großer Hitze hergestellt. In ihren unterschiedlichen Formen halten sie problemlos Temperaturen stand, die Thermoplaste zum Schmelzen bringen würden. Dadurch eignen sie sich gut für eine Reihe von Hochtemperaturanwendungen im Automobilund Industriebereich, sowie für medizinische Produkte, die mit hoher Hitze sterilisiert werden.



Neben hoher Hitze verkraftet LSR in der Regel auch tiefe Temperaturen bis weit in den zweistelligen Bereich unter 0 °C, ohne dabei an Flexibilität einzubüßen. Der genaue Grad an Flexibilität variiert je nach Verbund, kann jedoch sehr hoch sein; LR3003/50 beispielsweise besitzt eine Bruchdehnung von 480 Prozent. LSR-Verbunde sind in verschiedenen Härtegraden erhältlich und können entsprechend den Anforderungen der Anwendung ausgewählt werden.

Während der Werkstoff eine ausgezeichnete Wärme- und Chemikalienbeständigkeit sowie einen hervorragenden elektrischen Widerstand besitzt, kann er durch bestimmte Lösungsmittel wie Benzin oder Leichtbenzin angegriff en werden, weshalb er zwar in Hochtemperaturanwendungen im Automobilbereich, nicht jedoch für Kraftstoffl eitungen verwendet werden kann. Darüber hinaus besitzt LSR eine geringe bleibende Verformung bei Anwendung und Aufhebung einer Krafteinwirkung, wodurch es sich ideal für Elastomere eignet. Beim Vergleich von LSR mit thermoplastischen Elastomeren (TPE), wie Santoprene, wurde LSR als „TPE auf Steroiden“ beschrieben.

Flexible liquid silicone rubber part
Abbildung 1: Flüssigsilikon ist ein robuster, flexibler Werkstoff mit einem guten Formgedächtnis.

LSR ist außerdem für medizinische Anwendungen zugelassen, bei denen es mit der Haut in Kontakt kommt. Seine Stabilität verhindert eine Beeinträchtigung der Haut, oder umgekehrt eine Beeinträchtigung des Materials durch Hautkontakt. Einige LSRSorten können gepaart mit der geeigneten Produktionsumgebung in implantierbaren Anwendungen eingesetzt werden. Seine hydrophoben (wasserabweisenden) Eigenschaften machen den Werkstoff ideal für Wasserbehandlungsanlagen. Dank der Tatsache, dass es feuerhemmend ist und beim Verbrennen keine Giftstoffe oder Halogene entwickelt, ist es für eine Reihe von Sicherheitsanwendungen geeignet. Generell wird empfohlen, die Werkstoffspezifikationen zu prüfen oder bei Ihrem Spritzgießer ausführliche Informationen einzuholen.

Thermoplaste versus Duroplaste

In einigen Aspekten des Spritzgießens stehen sich Thermoplaste – u.a. Polyethylen, Polypropylen, Polycarbonat und ABS – und Duroplaste, wie LSR, gegenüber. Thermoplaste beginnen bei Raumtemperatur auszuhärten, werden bei Hitze weich und beim Abkühlen wieder hart, wodurch sie sich hervorragend wiederverwenden lassen. Duroplaste hingegen sind anfangs in der Regel gelartig und härten beim Erhitzen mit einem Platinkatalysator dauerhaft aus. Dies macht sie für ein Recycling zwar ungeeignet, ist jedoch auch der Grund für ihre hervorragende Leistungsfähigkeit bei hohen Temperaturen.

Cross-linking in thermoset plastic materials
Abbildung 2: Die Vernetzung ist für viele der Eigenschaften von Duroplasten, wie Festigkeit, Stabilität und Hitzebeständigkeit, verantwortlich.

Diese Unterschiede in der Reaktion dieser Werkstoffe auf Hitze sind ausschlaggebend für die jeweils eingesetzten Spritzgussverfahren. Thermoplastisches Granulat wird vor dem Einspritzen erhitzt, um den Kunststoff zu verflüssigen und dann noch vor dem Auswerfen in der Form abgekühlt. Duroplastische Kunststoffe hingegen werden vor dem Einspritzen abgekühlt und anschließend in der Form zum Aushärten erhitzt.

Strukturviskosität

Vor dem Aushärten ist Flüssigsilikon ein strukturviskoses (auch pseudoplastisches) Fluid. Die Strukturviskosität ist die Eigenschaft eines Fluids, bei hohen Scherkräften (wie z.B. beim Einspritzen in eine Form) eine abnehmende Viskosität zu zeigen und beeinflusst erheblich das Verhalten von LSR in der Form. Um das Verhalten eines pseudoplastischen Werkstoffs zu verstehen, denken Sie an Ketchup, das genau wie LSR ein strukturviskoses Fluid ist, und an Honig, das keines ist.

Flash in liquid silicone rubber molded part
Abbildung 3: LSR bildet leicht Gussgrate in Spalten, die manchmal bis zu 0,005 mm schmal sein können.

Denken Sie daran, was passiert, wenn Sie eine Ketchupflasche kippen. Stellen Sie sich dann vor, was passiert, wenn Sie den kleinen Honigbär aus Plastik kippen. Bei Raumtemperatur fließt der Honig, wenn auch langsam; der Ketchup fließt wahrscheinlich nicht, weil der Ketchup viskoser ist. Deshalb werden Sie schließlich die Ketchupflasche schütteln oder ein Messer in den Flaschenhals stecken. Stellen Sie sich jetzt den Ketchup in einer Quetschflasche vor und quetschen Sie diese und den Honigspender aus Plastik nebeneinander. Der Honig ist schwer zu dosieren, während der Ketchup frei fließt und in wenigen Sekunden Ihren Burger oder Ihre Pommes frites bedeckt. Diese Änderung der Viskosität ist ein Beispiel für Strukturviskosität, und das gleiche passiert, wenn LSR in eine Form gespritzt wird.

Die Strukturviskosität hat sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf das Spritzgießen von LSR. Sie verbessert nämlich den Fluss durch dünnwandige Bereiche und reduziert die Notwendigkeit einer für das gesamte Teil einheitlichen Wandstärke, wie dies beim Spritzgießen von Thermoplasten empfohlen wird. Andererseits geht damit eine Tendenz zur Gratbildung einher, da LSR leicht in eine Form fließt und in die Bereiche einsickert, in denen die Formhälften aufeinandertreffen. Dadurch entstehen unerwünschte Angussreste, die in Nachbearbeitungsschritten entfernt werden müssen (siehe Abbildung 3). Grate können zwar durch ein sorgfältiges Formdesign verhindert oder zumindest minimiert werden, spielen aber trotzdem eine Rolle beim Teiledesign.

Mit LSR spritzgegossene Teile schrumpfen nach dem Herausnehmen aus der Form beim Abkühlen noch weiter. Dies liegt teilweise an der in der Regel höheren Formtemperatur. Aus diesem Grund haften sie nicht so stark an den Kernen wie Thermoplaste; stattdessen neigen sie dazu, an der Formhälfte mit der größten Oberfläche zu haften. Aufgrund der Flexibilität des Werkstoffs können verschiedene Teile eines fertigen Stücks an den beiden Formhälften haften, wodurch das Teil nach dem Öffnen der Form hängenbleibt. Dieses Problem kann durch eine Überarbeitung des Teils vermieden werden.

Design-Überlegungen für LSR-Teile

 Vom Standpunkt des Teiledesigners aus betrachtet, gleichen die Designempfehlungen für LSR denen für Thermoplaste, obwohl sie in manchen Bereichen etwas lockerer sind. Der Grund hierfür ist, dass LSR dank seiner Flexibilität ein toleranterer Werkstoff ist als andere Thermoplaste. Flächen, die parallel zur Richtung der Formöffnung verlaufen, benötigen normalerweise etwas Formschräge. Der Grund dafür ist jedoch nicht, dass das Teil beim Auswerfen nicht an der Formwand schabt, sondern damit die Form gefräst werden kann. In der Regel ist etwa ein Grad Formschräge pro 25,4 mm Formtiefe ausreichend.

Da strukturviskoses LSR leicht in die Form fließt, kann es dünne Wände durchfließen, die bei Thermoplasten Einspritzprobleme verursachen würden. Daher ist eine einheitliche Wandstärke nicht so entscheidend. Und da duroplastische Werkstoffe durch Hitze fest werden und meistens vor dem Abkühlen ausgehärtet sind, sind Einfallstellen kein Problem. Das bedeutet, dass die Merkmale von Teilen dicker gestaltet werden können als bei typischen thermoplastischen Werkstoffen (obwohl es weitere gute Gründe dafür gibt, Merkmale nicht dicker zu gestalten als notwendig). Doch der größte Unterschied beim Formdesign mit Termoplasten und duroplastischem LSR liegt wahrscheinlich im Umgang mit Hinterschneidungen.

Silicone rubber part manufactured with aluminum tooling
Abbildung 4: Ein LSR-Teil auf einem Paar Aluminiumformen.

Beim Spritzgießen von steifen Thermoplasten gibt es zwei Möglichkeiten, Hinterschneidungen herzustellen: entweder durch den Einsatz von Seitenschiebern bei denen die Hinterschneidungsmerkmale hergestellt und die Nocken anschließend vor dem Öffnen der Form wieder zurückgezogen werden, um das Auswerfen des Teils zu ermöglichen, oder durch kompliziertere Techniken wie lose Formeinsätze. Da LSR jedoch so flexibel ist, können fertige Teile oft aus der Form „geschält“ werden. Das bedeutet, dass aus Thermoplasten spritzgegossene Merkmale hinter einer Hinterschneidung eingeschlossen wären und um den Vorsprung herum gezogen werden müssten. Die einzige Voraussetzung für Hinterschneidungen bei LSR-Teilen ist, dass sie gefräst werden können..

LSR-Spritzgießen bei Proto Labs

Das interaktive Angebotssystem inkl. Designanalyse von Proto Labs, unterstützt neben Thermoplasten nun auch LSR. Der Prozess zum Vorlegen eines Entwurfs für die Produktion mit LSR ist ähnlich wie bei Thermoplasten.

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Die Bearbeitungsdauer für die LSR-Produktion beträgt derzeit drei Wochen. Bei manchen Designs sind gegen eine Eilgebühr schnellere Bearbeitungszeiten möglich. Dies ist deutlich schneller als es mit traditionellen Methoden möglich, da das Proto Labs-Verfahren 3D-CAD-Modelle direkt in Werkzeugwege zum Fräsen der Formen übersetzt. Wie bei Thermoplasten, wird der Prozess zur Herstellung der LSR-Formen bei Proto Labs mithilfe einer urheberrechtlich geschützten Software auf einem Supercomputer-Cluster gesteuert. Die von der Software generierten Werkzeugwege werden auf automatischen Fräsmaschinen angewendet, mit denen die Formhälften hergestellt werden. Diese werden anschließend in spezielle Flüssigsilikon-Spritzgusspressen eingesetzt.

Mit diesem Verfahren lassen sich kostengünstig LSR-Teile in Mengen von 25 bis über 25.000 Stück herstellen. Bei mittleren Produktionsmengen können Teile mit diesem Verfahren schneller und günstiger als mit traditionellen LSR-Spritzgussverfahren hergestellt werden. Doch selbst bei sehr kleinen Mengen an Produktions- oder Prototypenteilen verwendet Proto Labs Verfahren für die Serienfertigung. Dies ist ein deutlicher Unterschied zu anderen LSR-Prototypingverfahren.

Die meisten Hersteller von LSR-Prototypenteilen mischen bei geringen Stückzahlen die Gelbestandteile per Hand in einem Mischer – ein Verfahren, das es nicht mit der Prozesssteuerung bei den Industrieverfahren von Proto Labs aufnehmen kann. In einigen Fällen verwenden diese keine gefräste Form oder unter Hitze ausgehärtetes LSR. Die Prototypen hingegen werden mithilfe eines Vulkanisierungsverfahrens bei Raumtemperatur hergestellt, das mit der Herstellung eines thermoplastischen Exemplars des Teils mit einem 3D-Drucker beginnt. Eine Form wird um das 3D-gedruckte Teil herum gegossen und mit einer Fugenpistole von Hand gefüllt. Das so entstehende Teil eignet sich möglicherweise gut zum Testen von Form und Passgenauigkeit, da hierbei jedoch weder der Herstellungsprozess reproduziert noch echtes LSR-Material verwendet wird, kann es nicht für Funktionsprüfungen oder für die eigentliche Produktion, gleich in welchen Mengen, herangezogen werden.

Traditionelle Hersteller mussten oft Wochen oder Monate darauf warten, bis die Fertigungsformen hergestellt waren, um echte Teile für die Prototypenherstellung zu erhalten. In dieser späten Phase der Entwicklung kann es durch auftauchende Probleme zu schweren Rückschlägen im Entwicklungsprozess und zur Verschrottung sehr teurer Werkzeuge kommen. Das von Proto Labs angebotene automatisierte Fräsen von Aluminiumformen ermöglicht eine kostengünstige Prototypenherstellung mit echten Materialien und Industrieverfahren in einer früheren Entwicklungsphase, wenn eine Überarbeitung des Designs noch einfacher, weniger zeitaufwändig und weniger kostspielig ist.

Proto Labs erweitert ständig seine Prozesse und Möglichkeiten. Seine aktuellen Anforderungen und Designüberlegungen sind nachfolgend aufgeführt.

  • Die maximale Teilegröße beträgt 127 mm x 127 mm x 80 mm.* Dies ist der Rahmen, in dem sich das Teil bewegen muss, auch wenn das Teil nicht den gesamten Raum ausfüllen kann. * Mit der Erweiterung unserer Möglichkeiten können künftig u.U. größere Teile produziert werden.
  • Die maximale projizierte Formfläche liegt bei 11.355 mm². Beachten Sie, dass dies kleiner ist als die Formfläche von 16.129 mm² eines Teils, das die oben genannte volle Fläche von 127 mm x 127 mm ausfüllen würde. Der Grund für diese Beschränkung ist, dass der beim Befüllen einer Form mit einer Formfl äche über 11.355 mm² ausgeübte Druck den Klammerdruck der Spritzgusspresse überschreiten würde.
  • Das maximale Teilevolumen beträgt 65.550 mm³. Dies wird bestimmt durch das maximale Spritzvolumen der bei Proto Labs momentan vorhandenen LSR-Spritzgießmaschinen.
  • Die Wandstärke muss mindestens 0,5 mm betragen. Das Problem ist nicht die Einspritzfähigkeit, sondern die Fähigkeit, dünnere Wände zu fräsen und die dünnwandigeren Teile ohne Schäden von der Form zu entfernen.
  • Aufgrund der Strukturviskosität von LSR stellt eine uneinheitliche Wandstärke in der Regel kein Problem dar.
  • Die Rippenstärke muss 0,5 bis 1,0 Mal der Dicke der angrenzenden Wand entsprechen.
  • Der Radius von innen liegenden Kehlen muss in etwa der Wandstärke entsprechen.
  • Einfallstellen kommen so gut wie nicht vor, doch die Vermeidung von unnötig dicken Bereichen reduziert die Materialkosten.
  • Zur Vermeidung von Gussgraten sollten Trennfugen so einfach und kurz wie möglich gehalten werden.
  • Das Herausnehmen von LSR-Teilen aus der Form erfolgt in der Regel von Hand statt mithilfe von Auswerferstiften. Das Teil sollte so konzipiert sein, dass es vollständig in einer Formhälfte festgehalten wird. Außerdem sollten einige Merkmale des Teils über die Trennfugen-Oberfläche der Form herausragen, damit das Teil leichter von Hand herausgenommen werden kann.
  • Viele Teile mit einfachen Hinterschneidungen lassen sich leicht ohne mechanische Hilfe von der Bedienperson an der Presse aus der Form entfernen. Teile mit Hinterschneidungen werden einzeln auf ihre Herstellbarkeit geprüft.
  • LSR-Teile benötigen im Allgemeinen eine ähnliche Formschräge wie Teile aus Thermoplasten, d.h. etwa ein Grad Formschräge pro 25,4 mm Tiefe. Bei flachen Teilen wird unter Umständen auch keine Formschräge toleriert. LSR ist toleranter gegenüber einer reduzierten Formschräge als Thermoplasten. Dies wird von Fall zu Fall einzeln bestimmt.
  • Aufgrund der guten Fließeigenschaften von LSR werden relativ kleine Angüsse für die Kunststoffeinspritzung benötigt. Idealerweise sollten Angüsse in den dicksten oder breitesten Querschnitt des Teils führen, obwohl dies nicht absolut erforderlich ist. Kantenangüsse hinterlassen bei LSR einen Angussrest oder eine Fehlstelle und sollten daher auf einer Oberfläche platziert werden, die hinsichtlich ihrer Abmessungen oder ihres Aussehens keine besonderen Herausforderungen darstellt. Alternativ dazu sollte eine Auskehlung vorgesehen werden.
  • Proto Labs fügt bei Bedarf Entlüftungen, Überläufe oder Abreißstreifen hinzu, um die Teilequalität zu verbessern. Diese können am fertigen Teil eine kleine Spur hinterlassen. Proto Labs schlägt Positionen für Angüsse und Entlüftungsöff nungen vor, die der Kunde bestätigen muss, bevor mit der Herstellung des Werkzeugs begonnen wird.
  • Proto Labs bietet die folgenden Oberflächenqualitäten für LSR-Spritzugsswerkzeuge an:
    • PM-F0
    • PM-F2
    • SPI-C1
    • SPI-A2
  • Weitere Oberflächenqualitäten kommen in naher Zukunft hinzu, Sonderanfragen werden berücksichtigt.
  • Die Toleranzen für ein gut konzipiertes Teil sind normalerweise Längentoleranzen von 0,025 mm/mm.

 

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