Niederdruck-Spritzgießen: Wie es die 3 größten Probleme in der Elektronik löst

Vor der Erfindung des Niederdruckspritzgießens (LPIM) in den 1970er Jahren wurden verschiedene herkömmliche Methoden wie hermetisches Versiegeln, Vergießen und konforme Beschichtungen für die Verkapselung elektronischer Bauteile verwendet. Die größte Herausforderung bei diesen Techniken besteht darin, dass die elektronischen Bauteile manchmal nicht richtig abgedichtet werden oder die Dichtungen im Laufe der Zeit nachlassen, wodurch die elektronischen Bauteile Feuchtigkeit und potenziellen Gefahren ausgesetzt werden.

Außerdem bestand die Gefahr einer Beschädigung während des Versiegelungsprozesses durch hohe Temperaturen oder eine mechanische Beschädigung während des Auftragens des Versiegelungsmittels. Bauteile wie Leiterplatten haben in der Regel unebene Oberflächen oder eine komplexe Geometrie, was eine gleichmäßige Versiegelung erschwert. Diese traditionellen Methoden sind meist arbeitsintensiv und zeitaufwändig, was die Herstellungskosten in die Höhe treibt.

Was ist Niederdruck-Spritzgießen?

Wie der Name schon sagt, werden thermoplastische Materialien bei niedrigem Druck (20 bis 580 psi) und niedriger Temperatur (356°F bis 428°F) verwendet, um empfindliche elektronische Teile zu verkapseln. Der niedrigere Druck macht sie sicher für Komponenten wie Steckverbinder und Leiterplatten (PCB), die bei hohen Temperaturen und Drücken leicht beschädigt werden können.

Thermoplastische Werkstoffe wie Polycarbonate und Polyamide (Nylon) werden meist wegen ihrer besseren Fließfähigkeit bei niedrigeren Drücken verwendet. Im Folgenden werden die verschiedenen Arten von Materialien, die beim Niederdruckspritzgießen verwendet werden, und ihre Vorteile beschrieben.

Bei der Wahl des Materials für Ihr Produkt spielen verschiedene Faktoren eine Rolle. Die wichtigsten Faktoren sind die Eigenschaften, die das Produkt haben soll, und die Umgebung, in der es verwendet werden soll. Wenn Sie beispielsweise ein Produkt herstellen, das in einem Krankenhaus verwendet werden soll, ist medizinisches Silikon (zertifiziert nach ISO 10993) aufgrund seiner hohen Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit sowie seiner Biokompatibilität die beste Wahl.

Arbeitsschritte beim Niederdruck-Spritzgießen

Der Grundgedanke dieser Technik besteht darin, das gewünschte Kunststoffmaterial zu schmelzen und es um das Bauteil herum zu formen. Der gesamte Prozess lässt sich in vier Hauptschritten zusammenfassen. Daher ist es einfacher zu sagen, dass es sich um ein rationalisiertes Verfahren handelt, verglichen mit traditionellen Methoden wie dem Vergießen mit sieben bis acht Schritten. Die einzelnen Schritte beim Niederdruckspritzgießen sind wie folgt:

• Erhitzen der Formmasse: Der erste Schritt ist die Erwärmung des gewünschten thermoplastischen Materials.
• Platzierung der Komponente: Das zu umspritzende Bauteil wird in die eine Hälfte des Formhohlraums eingelegt und die Form wird geschlossen.
• Einspritzen der Formmasse: Die verflüssigte Formmasse wird mit niedrigem Druck in die Kavität eingespritzt.
• Kühlung: Aufgrund der geringeren Temperatur und des geringeren Drucks härtet das Niederdruckspritzgießen schneller aus.

Technische Vergleichstabelle: LPIM vs. traditionelle Verfahren

Das LPIM-Verfahren zur Beschichtung von Materialien ist im Vergleich zu herkömmlichen Methoden einfacher und effizienter. Im Gegensatz zu letzteren erfordert sie weniger menschlichen Einsatz, was eine Skalierung ohne zusätzliche menschliche Fehler ermöglicht. Es ermöglicht eine perfekte Verschleierung, ohne empfindliche Materialien zu beschädigen. Im Folgenden werden einige der wichtigsten Vorteile des LPIM-Verfahrens in der Fertigungsindustrie genannt.

#1. Verbesserte Kosteneffizienz

Beim Niederdruckspritzgießen wird im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren weniger Material für eine vollständige Verkapselung benötigt. Außerdem wird mit geringerem Druck und niedrigerer Temperatur gearbeitet, was zu niedrigeren Energiekosten führt. Die kürzere Zykluszeit ermöglicht es den Herstellern, ihre Produktion zu steigern und Aufträge schneller zu erfüllen.

#2. Geringere Investitionen in Werkzeuge

Aufgrund der geringeren Temperatur- und Druckanforderungen für dieses Verfahren sind weniger teure Aluminiumformen können anstelle der teureren Stahlformen ideal sein, insbesondere bei kleineren Produktionsserien. Dies senkt die Anfangsinvestition und die Vorlaufzeit.

#3. Besserer Schutz der Komponenten

LPIM schützt Komponenten mit komplexen Geometrien wie Steckverbinder, Sensoren und Leiterplatten mit größerer Beständigkeit und minimalem Risiko einer Beschädigung besser. Das Dichtmittel gelangt in Bereiche, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu erreichen sind.

#4. Bessere Ästhetik und Widerstandsfähigkeit

Beim Niederdruck-Spritzgießen wird eine sauberere und poliertere Oberfläche erzielt, die die Verbraucher im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren attraktiver finden. Außerdem können die Hersteller die Eigenschaften ihrer Produkte durch Änderung des verwendeten Materials individuell anpassen.

Eingehende Analyse der drei Hauptprobleme bei der Herstellung elektronischer Geräte

Elektronische Geräte sind empfindlich. Ihre Effizienz und ihr Nutzen können durch natürliche Elemente wie Staub, UV-Strahlung und Feuchtigkeit beeinträchtigt werden. Daher müssen die Hersteller elektronischer Geräte einen Weg finden, ihre Produkte vor diesen natürlichen Einflüssen zu schützen, ohne die Geräte zu beschädigen. Dieses Gleichgewicht zu finden, war bis zum Niederdruckspritzgießen eine große Herausforderung für die Branche.

Obwohl frühere herkömmliche Methoden ein gewisses Maß an Schutz für elektronische Geräte wie Leiterplatten und Steckverbinder boten, waren sie in der Regel mit drei wesentlichen Problemen konfrontiert: mangelnde Präzision, hohe Schadensquote und hohe Auswirkungen auf Kosten und Umwelt. Hersteller, die sich auf herkömmliche Methoden verließen, wurden von den Umweltbehörden häufig wegen ihrer schmutzigen Fußspuren gerügt. Wie konnten die Hersteller also die Probleme herkömmlicher Vergussmethoden mit Hilfe des Niederdruckspritzgießens überwinden?

Schmerzpunkt 1: Das Dilemma der Verpackungseffizienz für elektronische Präzisionsbauteile

Die herkömmlichen Beschichtungsmethoden wären einfacher anzuwenden, wenn die Elektronik nur ein einziges Bauteil hätte. Eine typische Leiterplatte besteht jedoch aus verschiedenen Bauteilen mit unterschiedlichen Geometrien, Größen und Ausrichtungen - und genau hier haben die traditionellen Vergussverfahren ihre Schwierigkeiten.

Bei der konformen Beschichtung und dem Verguss ist es schwierig, die gleiche Versiegelungskonsistenz auf der gesamten Leiterplatte zu erreichen. Mit anderen Worten, Sie erhalten ein Produkt, bei dem ein Bereich eine dicke Schicht des Dichtungsmaterials aufweist, während ein anderer Bereich eine dünne Schicht hat. Diese unvollkommene Beschichtung kann zu Luftspalten oder einer unvollständigen Abdeckung führen, was wiederum einen unvollständigen Schutz des elektronischen Geräts zur Folge hat.

Schmerzpunkt 2: Hohe Schadensquote bei dünnwandigen Teilen/Einsätzen

Im Gegensatz zum Niederdruck-Spritzgießen sind herkömmliche Vergussverfahren arbeitsintensiv, was bei dünnwandigen Bauteilen zu höheren Schäden durch menschliches Versagen führen kann. Da der Aushärtungsprozess einiger Vergussmassen chemische Reaktionen beinhaltet, können sie beispielsweise Wärme erzeugen, die empfindliche Bauteile beschädigen oder Lötstellen beschädigen kann.

Durch die Schrumpfung der Vergussmasse während des Aushärtungsprozesses können Schäden an dünnwandigen Teilen entstehen. Das Schrumpfen kann aufgrund der Unflexibilität des Vergussmaterials zu Spannungen im Bauteil führen. Ein Teil dieses Versagens kann auf Rissbildung oder Delaminierung des Beschichtungsmaterials zurückzuführen sein. Risse können aufgrund des unterschiedlichen wärmebedingten Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Beschichtungsmaterial und dem Substrat entstehen. Sobald sich Risse bilden, werden die elektronischen Bauteile anfällig für Staub und Flüssigkeiten.

Außerdem lassen sich herkömmliche Dichtungen nur schwer entfernen, was die Reparaturfähigkeit erschwert, wenn das Teil beschädigt ist. Daher muss bei der Entfernung der Dichtungen sehr vorsichtig vorgegangen werden, um weitere Schäden an den Teilen zu vermeiden.

Schmerzpunkt 3: Hohe Kosten und Risiken der Einhaltung von Umweltvorschriften

Im Vergleich zur Herstellung einer Aluminium-Niederdruck-Spritzgussform mag der Materialabfall bei herkömmlichen Methoden zunächst gering erscheinen. Die Kosten summieren sich jedoch mit der Zeit, wenn Sie häufig neue Bestellungen aufgeben müssen. Der Verguss ist außerdem arbeitsintensiv, was bedeutet, dass Sie mehr Mitarbeiter einstellen müssen. Das Niederdruckspritzgießen gleicht die anfänglich höheren Werkzeugkosten aus, indem es den Herstellern ermöglicht, schnellere Zyklen zu fahren, den Arbeitsaufwand zu reduzieren und den Materialverbrauch zu senken.

Abgesehen von den wirtschaftlichen Kosten werden bei herkömmlichen Beschichtungen häufig Chemikalien verwendet, die für die Umwelt giftig sein können. Beim Vergießen werden zum Beispiel Isocyanate verwendet. Das kurzfristige Einatmen dieser Verbindungen kann zu Augenreizungen, Nasen- und Rachenreizungen, Keuchen, Husten und Magen-Darm-Beschwerden wie Übelkeit führen.

Niederdruck-Spritzgießen Technische Umsetzungsrichtlinien

Für die effektive und konsequente Umsetzung des Niederdruck-Spritzgießens müssen die Hersteller eine Reihe von Richtlinien befolgen. Diese Richtlinien betreffen die Materialauswahl, die Werkzeugkonstruktion, die Einrichtung der Spritzgießmaschine und die Prozesssteuerung. Jeder dieser Faktoren muss gut durchdacht sein, wobei die perfekte Verkapselung des elektronischen Teils oder Einsatzes im Mittelpunkt steht.

• Auswahl der Materialien: Das gewählte Material muss mit dem elektronischen Bauteil kompatibel sein und die richtigen Eigenschaften (Feuchtigkeits- und Temperaturbeständigkeit sowie chemische Verträglichkeit) für die vorgesehene Anwendung haben.
• Formenbau: Um einen gleichmäßigen Materialfluss zu gewährleisten und Schweißnähte zu vermeiden, muss die Wand eine gleichmäßige Dicke aufweisen und der Anschnitt muss die richtige Größe und Position haben. Scharfe Ecken sollten vermieden werden, um Spannungskonzentrationen zu verringern, die zu Rissen führen könnten. Die Entlüftung sollte ausreichend sein, damit die Luft während des Einspritzens richtig entweichen kann, um die Bildung von Lufteinschlüssen zu vermeiden, die zu fehlerhaften Produkten führen würden.
• Einrichten der Formmaschine: Die Spritzgießmaschine muss auf die vom Hersteller empfohlenen optimalen Parameter für das Niederdruckspritzgießen eingestellt sein, einschließlich Temperatur, Druck, Einspritzgeschwindigkeit und Kühlzeit.
• Prozesskontrolle: Die wichtigsten Formgebungsparameter müssen konsequent überwacht werden, um eine gleichbleibende Qualität der Teile zu gewährleisten. Alle Materialspezifikationen, Parameter, Verfahren und Fehlersuchanleitungen sollten dokumentiert werden.

Auswahltabelle Ausrüstung

Das Niederdruckspritzgießen erfordert eine spezielle Ausrüstung, die für die Handhabung des empfindlichen Einsatzes optimiert ist. Die Temperaturregelung und die Materialzufuhrsysteme sind kritische Komponenten, die über den Erfolg des Systems bei der Verkapselung empfindlicher elektronischer Teile entscheiden können. Die nachstehende Tabelle hilft Ihnen bei der Auswahl der Ausrüstung.

Eckpunkte der Formgestaltung

Bei der Konstruktion einer Form muss auf den Kern, die Entformungsschrägen, die Trennlinie, das Auswerfersystem und die Kühlkanäle geachtet werden. Die Strategie für den Formenbau beginnt mit der Analyse der 2D/3D-Zeichnung des Einsatzes, die Abmessungen, Geometrie und Toleranzen enthält. Das Kerndesign wird nach der Geometrie des Teils modelliert. Andere wichtige Überlegungen bei der Formkonstruktion sind:

• Entnahmewinkel: Verhindern Sie ein Verkleben des Teils mit der Form, was zu Schäden beim Auswerfen führen könnte.
• Abschiedsgruß: Die Stelle sollte sorgfältig ausgewählt werden, um die Sichtbarkeit zu minimieren, die die Ästhetik und strukturelle Integrität des Teils beeinträchtigen könnte.
• Auswurfsystem: Die Auswerferstifte sollten effektiv sein und eine mögliche Beschädigung des Formteils minimieren
• Kühlsystem: Sie müssen strategisch in der Form platziert werden, damit das Kühlmittel richtig zirkuliert und Einfallstellen oder Verformungen vermieden werden.
• Design für Herstellbarkeit: Die Form muss effizient und relativ einfach herzustellen sein.

Industrielle Anwendung von Niederdruck-Spritzgussformen

Das Spritzgießen unter niedrigem Druck hat ein breites industrielles Anwendungsspektrum, u. a. in der Elektronik, der Automobilindustrie, der Medizintechnik und der Luft- und Raumfahrt. Wenn es richtig gemacht wird, bietet es einen hervorragenden Schutz gegen Chemikalien, Staub und Feuchtigkeit. Dadurch wird die Lebensdauer des versiegelten Bauteils verlängert. Im Folgenden finden Sie praktische industrielle Anwendungen von LPIM.

• Elektronikindustrie: Wird zur Beschichtung von Leiterplatten, Steckern und anderen empfindlichen Bauteilen verwendet, um sie vor Feuchtigkeit, Stößen und Staub zu schützen. Es kann auch einen strukturellen Teil des Bauteils bilden.
• Automobilbranche: Es wird vor allem für das Umspritzen von Trägermaterialien verwendet, insbesondere im Fahrzeuginnenraum, einschließlich Türverkleidungen und Hutablageverkleidungen.
• Medizinische Geräte: Medizinische Geräte müssen häufig mit Chemikalien oder Hitze sterilisiert werden. Die empfindlichen Teile der Geräte werden in der Regel im Niederdruck-Spritzgussverfahren eingekapselt, um sicherzustellen, dass sie sterilisiert werden können, ohne ihre Wirksamkeit zu verlieren.
• Luft- und Raumfahrtindustrie: Das Niederdruck-Spritzgießen wird zur Abdichtung von Kabelverbindungen als haltbarere und dauerhafte Lösung für Kabelverbindungen verwendet.

Die Umstellung auf das Niederdruckspritzgießen hat den Herstellern geholfen, die Fallstricke des traditionellen Vergusses elektronischer Teile zu vermeiden und den gesamten Prozess schneller und nachhaltiger zu gestalten. Die Vorteile des Niederdruckspritzgießens sind enorm. Wenn die Hersteller den Prozess vollständig verstehen, können sie die richtige Wahl für das beste Material treffen, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.