Silikon-Spritzguss mit Liquid Silicone Rubber (LSR) bei Mythentec

Liquid Silicone Rubber gehört zur Gruppe der Silikonelastomere und wird im Spritzguss üblicherweise als zweikomponentiges Material verarbeitet. Die beiden flüssigen Komponenten werden kontrolliert dosiert und miteinander vermischt. Im beheizten Werkzeug erfolgt anschliessend die Vernetzung des Materials zum dauerelastischen Formteil.

Charakteristisch für LSR ist die Kombination aus hoher Elastizität, gutem Rückstellvermögen und Beständigkeit gegenüber unterschiedlichen thermischen und umgebungsbedingten Einflüssen. Im Gegensatz zu thermoplastischen Elastomeren lässt sich ein einmal vernetztes Silikon nicht erneut durch Erwärmen aufschmelzen.

Abhängig vom verwendeten LSR-Typ können unter anderem folgende Eigenschaften relevant sein:

• hohe Elastizität und dauerhaftes Rückstellvermögen
• gute Temperatur- und Alterungsbeständigkeit
• Beständigkeit gegenüber Witterung, UV-Strahlung und Ozon
• gute elektrische Isolationseigenschaften
• unterschiedliche Härtegrade und mechanische Eigenschaftsprofile
• transparente oder eingefärbte Materialvarianten
• spezielle Compounds für besondere technische oder regulatorische Anforderungen

Die konkreten Eigenschaften sind stets vom eingesetzten Silikoncompound abhängig. Anforderungen an Medienbeständigkeit, Temperaturbereich, Shore-Härte, elektrische Eigenschaften oder regulatorische Konformität sollten deshalb bereits bei der Werkstoffauswahl berücksichtigt werden.

Gegenüber thermoplastischen Elastomeren (TPE) unterscheidet sich LSR insbesondere durch die chemische Vernetzung. TPE bleibt thermoplastisch verarbeitbar und kann erneut aufgeschmolzen werden, während LSR nach der Vernetzung dauerhaft elastisch bleibt. Welcher Werkstoff geeigneter ist, hängt daher nicht allein von der gewünschten Flexibilität, sondern von der gesamten Anwendung und den späteren Einsatzbedingungen ab.

Die Silikon-Spritzguss-Verarbeitung unterscheidet sich grundlegend vom klassischen thermoplastischen Spritzguss. Während ein Thermoplast vor dem Einspritzen aufgeschmolzen und anschliessend im Werkzeug gekühlt wird, wird LSR in flüssigem Zustand dosiert und in ein beheiztes Werkzeug eingespritzt. Dort wird die chemische Vernetzungsreaktion gezielt ausgelöst.

Die niedrige Viskosität von Flüssigsilikon ermöglicht es, auch feine Strukturen und komplexe Kavitäten zuverlässig zu füllen. Gleichzeitig stellt dieses Fliessverhalten hohe Anforderungen an Werkzeugpräzision und Prozesskontrolle. Bereits sehr kleine Spalte an Trennebenen oder beweglichen Werkzeugbereichen können zu unerwünschter Gratbildung führen.

Für einen stabilen LSR-Spritzguss müssen deshalb Materialdosierung, Mischungsverhältnis, Einspritzbedingungen, Werkzeugtemperatur, Entlüftung und Vernetzungszeit aufeinander abgestimmt werden. Ein reproduzierbares Prozessfenster ist insbesondere bei engen funktionalen oder geometrischen Anforderungen entscheidend für eine konstante Bauteilqualität.

Je nach Bauteil, Material und Werkzeugkonzept kann der Prozess weitgehend automatisiert ausgelegt werden. Dies macht die Silikonverarbeitung im Spritzguss insbesondere für wiederkehrende Serien interessant, bei denen hohe Reproduzierbarkeit und gleichbleibende Bauteileigenschaften gefordert sind.

Dosieren, Mischen und Vernetzen von Flüssigsilikon

Gebinden gefördert und in einem definierten Verhältnis dosiert. Anschliessend werden sie homogen vermischt. Je nach Materialsystem können in diesem Prozess zusätzlich Farb- oder weitere vorgesehene Zusatzkomponenten eingebracht werden.

Das gemischte Flüssigsilikon wird über die Spritzgiessmaschine zum Werkzeug geführt. Dabei muss eine vorzeitige Reaktion des Materials vermieden werden. Erst innerhalb der temperierten Kavität beginnt die kontrollierte Vernetzung.

Die benötigten Prozessparameter sind werkstoff- und bauteilabhängig. Werkzeugtemperatur, Einspritzverhalten, Vernetzungszeit und weitere Einstellungen müssen deshalb für das jeweilige Projekt definiert und während der Bemusterung abgesichert werden. Bei bestimmten Silikonqualitäten und Anwendungen kann nach der Entformung zusätzlich eine thermische Nachbehandlung vorgesehen sein.

Ein funktionsgerechtes Bauteildesign ist eine wichtige Voraussetzung für einen stabilen LSR-Spritzgussprozess. Bereits während der Konstruktion sollten deshalb das Fliessverhalten des Materials, mögliche Trennebenen, Entformung, Wandstärken und funktionale Bereiche des späteren Silikonteils berücksichtigt werden.

Die hohe Elastizität des Werkstoffs eröffnet konstruktive Möglichkeiten, die bei starren Thermoplasten nur eingeschränkt realisierbar wären. Abhängig von Geometrie und Materialhärte können beispielsweise Hinterschneidungen teilweise durch elastische Verformung des Bauteils entformt werden. Gleichzeitig müssen filigrane Bereiche so ausgelegt sein, dass sie beim Entformen nicht unzulässig belastet oder beschädigt werden.

Besondere Aufmerksamkeit erfordern Dichtflächen, Dichtlippen, Membranen und andere funktionsbestimmende Geometrien. Bei diesen Bereichen können bereits kleine geometrische Abweichungen die spätere Funktion beeinflussen. Auch die Position von Anspritzpunkt, Trennebene und Entlüftungsbereichen sollte daher frühzeitig mit dem Werkzeugkonzept abgestimmt werden.

Schwindung, Bauteilgeometrie und die elastischen Eigenschaften des jeweiligen LSR-Typs beeinflussen zudem die erreichbare Masshaltigkeit.

Das Spritzgiesswerkzeug übernimmt bei der Verarbeitung von Liquid Silicone Rubber eine zentrale Funktion. Anders als beim Thermoplast-Spritzguss muss die Kavität gezielt erwärmt werden, damit die Vernetzungsreaktion des Flüssigsilikons kontrolliert ablaufen kann. Gleichzeitig muss verhindert werden, dass das Material bereits vor dem Eintritt in die Kavität reagiert.

Ein geeignetes Werkzeugkonzept berücksichtigt deshalb unter anderem Kavitätenanordnung, Anguss, Temperaturführung, Trennebenen, Entlüftung und Entformung. Aufgrund der niedrigen Viskosität von LSR sind hohe Präzision und eine sorgfältige Abstimmung der Werkzeugkomponenten besonders wichtig.

Auch die spätere Seriengrösse beeinflusst die Werkzeugauslegung. Kavitätenzahl, Automatisierungsgrad und Angusskonzept können entsprechend der vorgesehenen Stückzahlen und Qualitätsanforderungen ausgelegt werden.

Temperierung, Kaltkanal und Gratvermeidung

Eine gleichmässige Werkzeugtemperierung unterstützt eine kontrollierte Vernetzung innerhalb der Kavität. Gleichzeitig können Kaltkanalsysteme dafür sorgen, dass das Flüssigsilikon im Zuführungsbereich zunächst unvernetzt bleibt. Dadurch lässt sich der Angussanteil reduzieren und das Material gezielt bis zu den einzelnen Kavitäten führen.

Ebenso wichtig ist die Entlüftung. Während des Füllvorgangs muss vorhandene Luft aus der Kavität entweichen können, ohne dass Flüssigsilikon unkontrolliert in die Entlüftungsbereiche eindringt. Abhängig von Bauteil und Prozess kann hierfür auch eine Evakuierung des Werkzeugs sinnvoll sein.

Da LSR selbst in sehr kleine Spalte fliessen kann, muss zudem die Ausbildung der Trennebenen gezielt auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden. Präzise Werkzeugflächen und kontrollierte Schliessbedingungen tragen dazu bei, Gratbildung an funktionalen oder optisch relevanten Bauteilbereichen möglichst gering zu halten.

LSR kann nicht nur für reine Silikonformteile eingesetzt werden. Abhängig von Materialkombination, Bauteilkonstruktion und Anwendung lassen sich auch Verbundlösungen mit anderen Werkstoffen realisieren. Dazu gehören beispielsweise Kombinationen aus Silikon und thermoplastischen Kunststoffen oder die Umspritzung geeigneter Einlegeteile.

Solche Bauteile können mehrere Funktionen innerhalb einer Komponente zusammenführen. Ein formstabiler Grundkörper kann beispielsweise mit einer elastischen Dicht-, Schutz- oder Funktionszone kombiniert werden. Dadurch lassen sich separate Montagevorgänge reduzieren und funktionale Eigenschaften direkt in das Bauteil integrieren.

Entscheidend ist dabei die Verbindung zwischen den einzelnen Werkstoffen. Je nach LSR-Typ und Substrat kann eine chemische Haftung möglich sein. In anderen Fällen muss die Verbindung konstruktiv über Hinterschneidungen, Durchbrüche oder andere mechanische Verankerungen sichergestellt werden.

Auch die Temperaturbeständigkeit des zweiten Werkstoffs ist zu berücksichtigen, da die Vernetzung des Silikons in einer beheizten Werkzeugkavität erfolgt. Materialauswahl, Bauteilgeometrie und Werkzeugkonzept müssen bei Mehrkomponentenlösungen deshalb besonders eng aufeinander abgestimmt werden.

Je nach Werkzeugausführung lassen sich glatte, strukturierte, matte oder technisch definierte Oberflächen erzeugen. Die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit sollte deshalb bereits bei der Werkzeugplanung berücksichtigt werden.

Bei Dichtungen, Membranen und anderen Funktionsbauteilen ist die Oberflächenqualität nicht nur optisch relevant. Unregelmässigkeiten, Grat oder Beschädigungen an funktionskritischen Bereichen können sich unmittelbar auf Dichtwirkung, Beweglichkeit oder Montageverhalten auswirken.

Abhängig vom Bauteil und vom verwendeten Silikon können nach dem Spritzgiessen zusätzliche Arbeitsschritte erforderlich sein. Dazu können beispielsweise die Entfernung verbleibender Grate oder Angussbereiche, eine Reinigung oder eine thermische Nachbehandlung gehören. Ob und in welchem Umfang solche Prozesse erforderlich sind, hängt vom verwendeten LSR-Typ und den Anforderungen der Anwendung ab.

Bei Bauteilen für regulierte Einsatzbereiche können darüber hinaus definierte Anforderungen an Sauberkeit, Dokumentation und Prozessführung relevant sein. Diese Anforderungen sollten bereits bei der Projektplanung berücksichtigt werden und fliessen in die Auswahl der geeigneten Fertigungs- und Nachbearbeitungsschritte ein.