De complete gids voor het proces van kunststof-overmolding

Het overmallen van kunststof wordt op grote schaal toegepast in de spuitgietindustrie om de afwerking van de onderdelen te verbeteren. Het helpt fabrikanten om te voldoen aan de eisen op het gebied van veiligheid, gebruiksgemak en doeltreffendheid van de producten. Zo worden bijvoorbeeld gebruiksvoorwerpen en handgereedschap zo ontworpen dat ze beter in de hand liggen. Ingenieurs passen kunststof overmolding toe om specifieke patronen aan de handgrepen aan te brengen, zodat het gereedschap tijdens het gebruik niet wegglijdt. Overmolding lijkt op insert molding, omdat beide technieken gebruikmaken van het spuitgietproces. Terwijl bij traditioneel insert-spuitgieten vaak kunststof of rubber rond een metalen oppervlak wordt aangebracht, is overmolding in de productie van op maat gemaakte, niet-standaardproducten een bredere categorie. Het omvat zowel tweefasig spuitgieten als pick-and-place-methoden om een flexibel materiaal over een vooraf gegoten, stijf kunststofsubstraat aan te brengen.

Sommige mensen beschouwen overmolding als een oppervlakteafwerkingsproces, simpelweg omdat het het uiterlijk van een product kan veranderen. Die opvatting klopt echter niet. Overmolding is in feite een spuitgietproces waarbij meerdere materialen worden gebruikt. Hoewel de overmoldlaag inderdaad afdichtende en esthetische voordelen biedt, is het een essentiële stap in de vormgeving van het onderdeel – en geen “leuke extra” die pas wordt aangebracht nadat het hoofdgedeelte al is geproduceerd.

In deze handleiding wordt het overmoldingproces behandeld en worden de verschillende stappen beschreven.

Hoe belangrijk is overmolding?

Bij overmolding wordt een substraat gedeeltelijk omhuld of ingekapseld in secundair materiaal. In de meeste gevallen bestaat het substraat dat bij overmolding wordt gebruikt uit rubber of thermoplasten, waardoor één geïntegreerd product ontstaat. Er zijn talrijke toepassingen van overmolding in de productiesector.

Ergonomie en esthetiek

Veel op maat gemaakte kunststofproducten worden vervaardigd uit harde technische thermoplasten zoals nylon, ABS of PC om structurele stevigheid te garanderen. Deze harde oppervlakken kunnen echter ongemak veroorzaken bij de gebruiker en onvoldoende grip bieden bij langdurig gebruik. Door middel van overmolding wordt een elastomeerlaag aan deze producten toegevoegd, waardoor de druk tijdens het gebruik gelijkmatig over de handen van de gebruiker wordt verdeeld. Overmolding zorgt voor groeven in de handgrepen van de apparaten om te voorkomen dat ze uit de hand van de gebruiker glijden. Dit is een zeer belangrijk veiligheidsoverweging voor hamers in werkplaatsen.

Bij het gebruik van elektrisch gereedschap draagt kunststof omspuiten bij aan het dempen van schokken en trillingen, wat de ergonomische veiligheid ten goede komt. Sommige materialen die bij het omspuiten worden gebruikt, zoals zachte elastomeren, absorberen de trillingen die tijdens het gebruik ontstaan. In vergelijking met harde kunststoffen kunnen gespecialiseerde elastomere omspuitingen hoogfrequente trillingen met 20-30% verminderen, een aanzienlijk dempend effect dat van cruciaal belang is voor het minimaliseren van het risico op het hand-armtrillingssyndroom (HAVS) voor operators in industriële omgevingen ^[1].

De rol van overmolding reikt verder dan veiligheid en draagt ook bij aan de esthetische uitstraling van de gegoten producten. Bij dit proces kunnen verschillende kleurlagen op de matrijs worden aangebracht. Deze kleurlagen worden vervolgens overgebracht op het uiteindelijke product. Zo kunnen bijvoorbeeld tangen met vergelijkbare afmetingen in verschillende kleuren verkrijgbaar zijn. Deze kleurverschillen kunnen bepalend zijn voor de marketing van de vervaardigde kunststof spuitgietproducten.

Voor waterdichting en afdichting

Overmolding zorgt voor een waterdichte afdichting rond de elektronische componenten, schakelaars, behuizingsaansluitingen en connectoren. Het proces zorgt voor een permanente hechting van elastomeren aan het substraat, wat resulteert in een doorlopende barrière die zich aan alle complexe geometrieën aanpast. Dit voordeel van een doorlopende afdichting lost de uitdagingen op van conventionele pakkingen en O-ringen, die extra montage vereisen. Overmolding draagt bij aan de betrouwbaarheid van het product, met name voor producten die worden blootgesteld aan regen, vocht en reinigingschemicaliën. Als fabrikant van maatwerk maakt First Mold gebruik van overmolding als een betrouwbare methode om hogere IP-classificaties (zoals IP67 of IP68) te bereiken die voldoen aan de strenge IEC 60529-norm voor water- en stofbestendigheid, waardoor langdurige betrouwbaarheid in veeleisende omgevingen wordt gewaarborgd. ^[2].

 In de onderstaande tabel worden de belangrijkste toepassingen van overmolding voor het oplossen van afdichtingsproblemen samengevat:

Arbeidskosten

De meeste ingenieursbureaus die gespecialiseerd zijn in spuitgieten, streven ernaar hun productie te optimaliseren als strategie om aan te sluiten bij de principes van Industrie 4.0. Een van de manieren om dit doel te bereiken is het vervangen van traditionele assemblage door overmolding. Door de integratie van vele componenten en functies in één enkel spuitgietonderdeel wordt de hoeveelheid handmatig werk aanzienlijk verminderd. In feite realiseren fabrikanten hiermee een consistente productie en een hoge totale apparatuureffectiviteit (OEE).

Hoewel de gereedschapskosten bij overmolding relatief hoger liggen dan bij traditionele methoden zoals assemblage, zijn de exploitatiekosten relatief lager. Neem bijvoorbeeld de productie van een elektrisch gereedschap. Bij conventionele productie zijn er een reeks productiestappen nodig om een eenvoudig elektrisch gereedschap te vervaardigen, terwijl dit met overmolding kan worden vereenvoudigd.

Bij de traditionele assemblage van een accuboormachine zijn een afzonderlijk spuitgegoten behuizing, een losse rubberen handgreep, het aanbrengen van lijm, handmatige positionering, uithardingstijd en inspectie nodig. Al deze bewerkingen vergen meer tijd en brengen hogere arbeidskosten met zich mee.

Door middel van overmolding hebben we deze bewerkingen teruggebracht tot minder medewerkers, snellere productiecycli, een lagere voorraad onderhanden werk en een betere maatvastheid.

Hoe verloopt het productieproces van overmolding?

Overmolding is een proces dat uit meerdere stappen bestaat, van ontwerp tot het uitwerpen van het product.

1. Ontwerp

De ontwerpfase van het overmoulden is van cruciaal belang, aangezien deze bepalend is voor de functionele, esthetische en productietechnische eisen van de eindproducten. In deze fase worden doorgaans cruciale beslissingen genomen om mogelijke defecten zoals inzinkingen, kromtrekken en delaminatie te voorkomen. In de ontwerpafdeling maken we gebruik van verschillende softwareprogramma’s, zoals Mold Flow Analysis, CAD en CAE, om de procesparameters te optimaliseren en de eigenschappen van het eindproduct te voorspellen. Het ontwerpproces omvat diverse aspecten, zoals materiaalcompatibiliteit, hechtingsmechanisme, wanddikte, inlaatplaats, ontvormingshoek en krimp.

Materiaal compatibiliteit

De keuze van de juiste overmoldmaterialen voor hechting aan het substraat is een uiterst cruciale ontwerpbenadering. De overmoldmaterialen kunnen op verschillende manieren aan het substraat hechten, bijvoorbeeld door chemische hechting, mechanische vergrendeling, moleculaire diffusie of aantrekking door oppervlakte-energie. Een goede materiaalcompatibiliteit leidt tot een sterkere hechting, voorkomt afbladderen en zorgt ervoor dat de omspuitlaag niet loskomt van het substraat. De volgende tabel geeft een overzicht van verschillende omspuitmaterialen die compatibel zijn met substraatmaterialen.

Wanddikte

Bij het overmolding-proces wordt gestreefd naar een gelijkmatige wanddikte om een consistente materiaalstroom, maatvastheid en gelijkmatige afkoeling te garanderen. Dit helpt defecten tot een minimum te beperken.  Bovendien kunt u door een gelijkmatige wanddikte holtes voorkomen, de cyclustijd verkorten en kromtrekken tot een minimum beperken. De wanden mogen niet te dik zijn om trage afkoeling te voorkomen. Aan de andere kant kunnen dunnere wanden leiden tot onvolledige vulling of te weinig materiaal. De volgende tabel geeft een overzicht van de aanbevolen wanddikte voor verschillende materialen.

Locatie van de poort

De injectieopening moet correct worden geplaatst om een gelijkmatige vulling en een effectieve preventie van defecten te garanderen. Een juiste plaatsing van de injectieopening minimaliseert lasnaden, vermindert de restspanning en verlaagt de benodigde injectiedruk. Veelvoorkomende plaatsen voor de injectieopening zijn onder meer de randopening, de waaieropening en de onderwateropening, zoals weergegeven in de onderstaande afbeeldingen.

Krimp

Alle thermoplasten krimpen tijdens het afkoelen. Bij het ontwerp houden ingenieurs rekening met deze krimp door de matrijsholtes ruimer te maken op basis van de vereiste of verwachte krimp. Deze schatting wordt bepaald aan de hand van de volgende formule:

S = (L_m – L_p) * 100%/L_m

Waar

S = krimp (%)

Lm = afmeting van de matrijsholte

Lp = afmeting van het laatste deel

Bij overmolding treedt echter beperkte krimp op, omdat het stijve substraat de natuurlijke krimp van het secundaire materiaal fysiek beperkt. Ingenieurs moeten vaak naast deze formule ook een mouldflow-analyse gebruiken om de holte nauwkeurig te dimensioneren en kromtrekken te voorkomen.

2. De vervaardiging van het substraat

Na de ontwerpfase begint het team met de productie van het basisonderdeel waarop secundair materiaal wordt overgegoten. Dit substraat vormt het raamwerk van het product en bepaalt de structurele, dimensionale en functionele kenmerken van het eindproduct. De materialen voor de productie van het substraat worden gekozen op basis van de toepassing. Dit houdt in dat een substraat kan worden vervaardigd uit thermoplasten, metalen of composietmaterialen. Voor de vervaardiging van de substraten worden verschillende methoden gekozen, zoals CNC-bewerking, spuitgieten, additive manufacturing, drukgieten en stansen. De gekozen methode moet zorgen voor een substraat met voldoende mechanische sterkte, nauwkeurige afmetingen en een goed hechtingsoppervlak.

Kunststofsubstraten worden doorgaans vervaardigd door middel van spuitgieten, waarbij de volgende stappen worden gevolgd:

1. Kunststofkorrels
2. Het drogen van materiaal
3. Smelt in het vat
4. Injectie in de matrijs
5. Verpakken en bewaren
6. Koeling
7. Uitwerping
8. Afgewerkt substraat

Metalen substraten worden gekozen wanneer een hoge thermische geleidbaarheid, mechanische sterkte en slijtvastheid vereist zijn. Deze substraten worden doorgaans vervaardigd door middel van CNC-bewerking, smeden, spuitgieten, metaalstansen of metaalspuitgieten. Na de fabricage onderwerpen ingenieurs deze substraten echter aan secundaire bewerkingen zoals oppervlakteafwerking, ontbramen, chemisch reinigen of zandstralen.

3. Het oppervlak voorbereiden

De hechting tussen het substraat en het omspuitmateriaal hangt af van de toestand van het substraat. Daarom moeten de oppervlakken van beide materialen goed worden voorbehandeld om een optimaal resultaat van het omspuitproces te garanderen. Een oppervlak dat niet is voorbehandeld, bevat verontreinigingen, vertoont oxidatie, heeft een lage oppervlakte-energie en kan te glad zijn, wat de hechting vermindert. Dit leidt tot afbladderen van het onderdeel, delaminatie en voortijdig falen van het onderdeel.

Er zijn verschillende redenen waarom we oppervlakken voorbereiden voordat het omspuiten plaatsvindt. Ten eerste verwijderen we verontreinigingen zoals stof, oliën, oxiden en lossingsmiddelen. Deze verontreinigingen kunnen de hechting tussen het substraat en de omspuitmaterialen beïnvloeden. Ten tweede verhoogt de voorbereiding de oppervlakte-energie van de materialen. Deze oppervlakte-energie noemen we oppervlaktebevochtigbaarheid. Ten derde verbetert de oppervlaktevoorbereiding de mechanische vergrendeling tussen het substraat en het omspuitmateriaal.

Oppervlaktevoorbehandeling is een verplichte vereiste voor toepassingen waarbij een langdurige hechting van cruciaal belang is. Voorbeelden hiervan zijn onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart, sensoren voor de automobielindustrie, waterdichte elektronica en elektrische connectoren. Er zijn verschillende methoden die u kunt toepassen bij het voorbereiden van de oppervlakken. De meest gebruikte methode is plasmabehandeling. Hierbij wordt het oppervlak gereinigd en wordt de oppervlakte-energie verhoogd door het genereren van hoogenergetische ionen en elektronen uit een plasmaontlading.

Andere methoden zijn onder meer coronabehandeling, vlambehandeling, chemisch etsen en laserstructurering.

4. Het inlegvel laden

Het vervaardigde substraat of inzetstuk wordt in deze fase nauwkeurig in de matrijs voor de tweede spuitgietbeurt geplaatst, voordat de overmoldingmaterialen worden geïnjecteerd. U moet het substraat met de hoogste precisie plaatsen om de beste kwaliteit van het eindproduct te verkrijgen. Als u het inzetstuk onjuist plaatst, kan dit leiden tot een verkeerde uitlijning van het omspuitmateriaal, met als gevolg bramen en een slechte hechting. Het grootste deel van het afval tijdens het omspuiten is het gevolg van een slechte positionering van het inzetstuk. Om deze fouten te voorkomen, geven de meeste fabrikanten de voorkeur aan geautomatiseerde verwerkingssystemen. 

5. Injectie bij de tweede poging

In deze fase wordt het overmoldingproces uitgevoerd. Een gesmolten polymeer, zoals TPE, TPU of andere technische thermoplasten, wordt in de matrijsholte geïnjecteerd en stroomt vervolgens rond het gepositioneerde substraat. Terwijl de materialen in contact komen met het substraat, hechten ze zich chemisch of mechanisch aan het substraat. U moet de verwerkingsparameters in deze fase nauwkeurig regelen, aangezien deze bepalend zijn voor de algehele kwaliteit van het uiteindelijke product.

Het proces begint met het toevoeren van polymeerpellets in een verwarmde cilinder. De cilinder is voorzien van een roterende schroef die de pellets naar voren transporteert. Terwijl de korrels naar voren worden geduwd, wordt hun smelttemperatuur verhoogd door verwarmingsbanden, terwijl de wrijving tussen de schroef en het polymeer het smelten van het polymeer bevordert. Dit leidt tot een homogeen gesmolten polymeer. Het gesmolten polymeer hoopt zich op aan de voorkant van de schroef totdat er voldoende volume is verzameld voor het spuitgieten.

Terwijl de heen-en-weerbewegende schroef zich verder naar voren beweegt, drukt deze het opgehoopte gesmolten polymeer door het mondstuk, de spuitkanaal, het kanalenstelsel en de ingang naar de matrijsholte. In de matrijsholte stroomt het gesmolten materiaal rond het substraat, waardoor hechting en stolling plaatsvinden. Zodra het gesmolten materiaal rond het substraat is gestold, wordt het afgekoeld. Vervolgens wordt het eindproduct door de uitwerppinnen uit de matrijs geworpen. In de onderstaande tabel worden de verwerkingsparameters samengevat.

Opmerking: De exacte smelttemperatuur hangt af van de specifieke polymeertypen die worden verlijmd. Het is van cruciaal belang dat de smelttemperatuur van de tweede spuitlaag strikt binnen het thermische verwerkingsbereik van het materiaal wordt gehouden om een hechte chemische hechting te verkrijgen zonder dat het onderliggende op maat gemaakte substraat smelt of wordt aangetast. ^[3].

Conclusie

Overmolding biedt veelzijdige oplossingen voor productie-uitdagingen door verschillende materialen te combineren om de functionaliteit, duurzaamheid, ergonomie en esthetiek van producten te verbeteren. Fabrikanten die hun producten een zachte uitstraling willen geven om de grip of het “gevoel” te verbeteren en een stijlvolle look willen creëren die consumenten aanspreekt, zijn uitstekende kandidaten voor overmolding. Als u één enkel, massief onderdeel nodig hebt waarin meerdere lagen materialen en kleuren zijn geïntegreerd, dan is overmolding de ideale oplossing voor u.

Referentie

[1] Bernard, B. P., Nelson, N., Estill, C. F., & Fine, L. (1998). Het NIOSH-overzicht van het hand-armtrillingssyndroom: waakzaamheid is van cruciaal belang. Journal of Occupational & Environmental Medicine, 40(9), 780-785. Stacks van de Centers for Disease Control and Prevention (CDC). Opgehaald van https://stacks.cdc.gov/view/cdc/196388

[2] Internationale Elektrotechnische Commissie. (2013). IEC 60529:1989+AMD1:1999+AMD2:2013 CSV Geconsolideerde versie: Beschermingsgraden van behuizingen (IP-code). Ontleend aan https://webstore.iec.ch/publication/2452

[3] Awaja, F., Gilbert, M., Kelly, G., Fox, B., & Pigram, P. J. (2009). Hechting van polymeren. Progress in Polymer Science, 34(9), 948-968. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2009.04.007