Welk proces past bij uw productie op maat? Overmolding versus insert molding

Spuitgieten is een breed vakgebied binnen de productietechniek. Afhankelijk van de toegepaste methoden en technologie kan spuitgieten worden onderverdeeld in insert-molding of overmolding: technieken die worden gebruikt om de chemische en mechanische eigenschappen van het eindproduct te verbeteren en om aan de strengste veiligheidsnormen te voldoen. Of er nu wordt gekozen voor overmolding of insert molding, de gebruiker moet zijn doelstellingen en intenties voor het eindproduct nauwkeurig definiëren. Zo werden we bij ons bedrijf geconfronteerd met twee veelvoorkomende scenario’s bij de productie van op maat gemaakte onderdelen voor onze klanten, en de beslissing om overmolding of insert molding toe te passen was gebaseerd op de vereisten in elk specifiek geval.

In het eerste scenario kregen we de opdracht om een industrieel elektrisch aansluitblok te vervaardigen. Het blok moest voldoen aan eisen op het gebied van betrouwbare elektrische geleidbaarheid, een stevige bevestiging van de aansluitingen en weerstand tegen hitte en trillingen. Na analyse kozen we voor insert molding in plaats van overmolding. Het team kwam tot de conclusie dat eisen op het gebied van uiterlijk en grip niet zwaarder konden wegen dan de functionele eis om een geleidend metalen onderdeel in het kunststof te integreren.

In het tweede scenario hebben we een klant geholpen bij de productie van een op maat gemaakte, omgespoten behuizing voor een oplaadbare elektrische tandenborstel, waarbij gebruik werd gemaakt van insert molding. De belangrijkste eisen waren hierbij een comfortabele grip, waterbestendigheid en een aantrekkelijk uiterlijk.

De twee scenario’s laten zien dat zowel overmolding als insert molding even belangrijke methoden binnen het spuitgieten zijn. Ze hebben echter elk hun eigen toepassingen. In deze bespreking lichten we kort in wat overmolding en insert molding inhouden en gaan we in op de verschillen tussen deze twee productiemethoden.

Wat is overspuiten?

Eenvoudig gezegd is overmolding een productieproces dat bij spuitgieten wordt toegepast, waarbij een onderdeel wordt omhuld of bedekt met een tweede materiaal. Dit tweede materiaal is doorgaans rubber of kunststof. De hierdoor ontstane verbinding leidt tot één geïntegreerd product. Overmolding verbetert de duurzaamheid, grip, esthetiek en functionaliteit van het product.

Het basisonderdeel bij overmolding wordt een substraat genoemd. Het substraat bepaalt de structurele eigenschappen van het eindproduct. Daarom is de keuze van de materialen voor de vervaardiging van het substraat van essentieel belang. De materiaalkeuze voor het substraat varieert afhankelijk van de toepassing. In de volgende tabel worden verschillende materialen en hun toepassingen samengevat.

Het tweede materiaal wordt ‘second-shot’-materiaal genoemd en wordt doorgaans gesmolten en rondom het substraat aangebracht. Voor ‘second-shot’-materiaal wordt gekozen vanwege de flexibiliteit, duurzaamheid, chemische bestendigheid of afdichtende eigenschappen ervan. In de onderstaande tabel worden enkele van deze ‘second-shot’-materialen samengevat.

Overmolding dient in de eerste plaats om de functionaliteit van het product te verbeteren. Door middel van overmolding realiseren fabrikanten een betere ergonomie, trillingsdemping, verbeterde grip, geluidsreductie en een aantrekkelijker uiterlijk.

Wat is insert-spuitgieten?

Inzetgieten is een geavanceerd productieproces voor kunststoffen waarbij een voorgevormd onderdeel (van metaal of een ander materiaal) in de matrijs wordt geplaatst en er kunststof omheen wordt gespoten om zo één sterk en geïntegreerd onderdeel te verkrijgen. Dit proces maakt secundaire assemblagewerkzaamheden overbodig. Het verbetert de sterkte van het product en garandeert een hoge precisie.

Bij insert-molding-toepassingen worden vaak onderdelen zoals schroefdraadinserts, pennen, bussen, elektrische contacten en metalen assen gebruikt. De gesmolten kunststof stroomt rondom de insert en vormt zo een hechte verbinding die de duurzaamheid en prestaties verbetert. Deze methode wordt op grote schaal toegepast in sectoren zoals de automobielindustrie, de elektrotechniek, de elektronica, medische apparatuur en consumentengoederen. In tegenstelling tot omspuiten zijn de belangrijkste functies van insert molding vaak gericht op het bieden van structurele versteviging of het direct in het product integreren van cruciale niet-kunststof functies (zoals elektrische geleiding of duurzame metalen schroefdraad). Veelgebruikte inzetstukken zijn onder meer messing schroefdraadinzetstukken, roestvrijstalen assen, magneten, elektrische contacten, koperen aansluitklemmen, lagers en bussen.

Wat zijn de belangrijkste verschillen tussen overmolding en insert molding?

Zowel overmolding als insert-molding maken het mogelijk om meerdere materialen te combineren tot één enkel onderdeel. Ze dienen echter verschillende doelen en hebben verschillende productiewerkprocessen. Inzicht in de verschillen tussen deze methoden kan het engineeringteam helpen bij het kiezen van het meest geschikte proces op basis van de productievolumes, het productontwerp en de prestatie-eisen.  

Verschillen in de productiewerkstroom

Inzetstukgieten is een spuitgietproces waarbij slechts één injectie plaatsvindt. Het proces begint met de vervaardiging van het inzetstuk door middel van verspanen, spuitgieten of andere processen. Soms worden de inzetstukken niet in dezelfde fabriek vervaardigd, maar elders ingekocht. Het inzetstuk wordt voorbereid en in de matrijs geplaatst, waarna gesmolten kunststof eromheen wordt gespoten. Het uiteindelijke onderdeel bestaat uit één geheel van het inzetstuk en de kunststof. Inzetstukspuitgieten maakt secundaire assemblagebewerkingen overbodig, waardoor de productie wordt vereenvoudigd.

Overmolding aan de andere kant verloopt vaak via een proces in twee fasen of met behulp van een gespecialiseerde two-shot-machine. De eerste stap is de productie van het substraat. Dit stijve substraat kan worden vervaardigd via een primaire spuitgietcyclus. Vervolgens kan het substraat worden overgebracht naar een aparte matrijs (ook wel ‘pick-and-place’-overmolding genoemd), of, bij gebruik van een tweeschotsmachine, in dezelfde machine blijven en naar de tweede holte worden gedraaid. Soms kan het ontwerp bestaan uit één matrijs met twee verschillende holtes. In dit geval wordt het substraat met behulp van een draaiplaat of indexeringssysteem van de eerste holte naar de tweede holte gedraaid. Vervolgens wordt het tweede materiaal gesmolten, rond het substraat gegoten en laat men het afkoelen. Het resulterende, complete onderdeel van meerdere materialen wordt uitgestoten met alle functionele vereisten geïntegreerd. Vanwege de twee afzonderlijke spuitgietfasen die bij overmolding nodig zijn, is het proces complex in vergelijking met insert molding.

Vergelijking van processen

In de onderstaande tabel worden de verschillen tussen de processen van insert-spuitgieten en overmolding samengevat. Insert-spuitgieten is een proces met één spuitgietbewerking, terwijl overmolding een spuitgietproces in twee fasen is.

Verschillen in de complexiteit van de productie

Inzetgieten kent een relatief eenvoudiger productiestroom dan omspuiten. Het proces vereist slechts één enkele spuitgietbewerking zodra het inzetstuk goed is uitgehard. In de praktijk leidt dit tot kortere cyclustijden, lagere productiekosten en minder complexe matrijzen. Omspuiten is relatief complex en gaat gepaard met relatief hogere arbeidskosten. Het substraat moet nauwkeurig worden uitgelijnd met de matrijs voor de tweede spuitgietbeurt. De effectiviteit van het proces hangt af van de compatibiliteit tussen het substraat en de overmolding. Het proces kent langere ontwikkelingstijden en een grotere complexiteit van de matrijzen. Een positief aspect is echter dat overmolding grotere functionele en esthetische verbeteringen oplevert.

Verschillen in materiaalkeuze

Er is een aanzienlijk verschil in materiaalcombinaties tussen insert molding en overmolding. Bij insert molding wordt normaal gesproken kunststof gebruikt als primair materiaal om het inzetstuk te omhullen. Het inzetstuk kan bestaan uit verschillende materialen, zoals metaal, keramiek of een elektrisch onderdeel. Bij overmolding daarentegen kan er sprake zijn van een combinatie van verschillende materialen tussen het substraat en het tweede materiaal.

Zo kan bijvoorbeeld een stijf, op maat gemaakt kunststofsubstraat worden gecombineerd met een zacht elastomeer, of een metaal met een elastomeer, voor ontwerpen met meerdere materialen. Om bij deze combinaties een robuuste chemische binding te verkrijgen, moeten de oppervlakte-energieën en thermodynamische eigenschappen van beide materialen nauwkeurig op elkaar worden afgestemd ^[1]..

Verschillen in typische toepassingen

Zowel insert molding als overmolding hebben specifieke toepassingsgebieden. In de onderstaande tabel worden enkele toepassingsgebieden van deze methoden weergegeven.  

Hoe zorgt insert-spuitgieten voor een verbetering van de mechanische sterkte?

Insert molding is niet alleen een productietechnologie. De belangrijkste reden om voor deze technologie te kiezen, is het verbeteren van de mechanische en structurele sterkte. Een product dat uitsluitend uit kunststof bestaat, beschikt niet over het benodigde draagvermogen. Daarom moeten deze producten tijdens het spuitgieten worden versterkt met zeer sterke metalen inzetstukken. Het resulterende product heeft, hoewel het een laag gewicht heeft, een hoge mechanische sterkte en is zeer corrosiebestendig. Bij insert molding worden belastingen die anders op het polymeer zouden komen te staan, overgebracht naar de metalen versterking. Hierdoor bereikt het product een grotere structurele betrouwbaarheid. De mechanische eigenschappen van het insert-spuitgieten worden verbeterd door diverse ontwerpelementen toe te passen, zoals karteling, ondersnijdingen, doorgaande gaten en oppervlakteruwheid.

De rol van kartelen

Op het oppervlak van de inzetstukken worden doorgaans ruitvormige, rechte of spiraalvormige groefpatronen aangebracht als oppervlaktevervormingsprocedures. Deze ruwe textuur zorgt voor een micromechanische verbinding tussen het inzetstuk en het gesmolten polymeer. Tijdens het spuitgieten stroomt het gesmolten polymeer rond de groeven en zet het zich daar vast. Wanneer het polymeer stolt, klemt het zich vast in deze groeven, waardoor de uittreksterkte en de weerstand tegen torsie aanzienlijk worden verbeterd.

De rol van ondersnijdingen

Een andere manier om de mechanische eigenschappen bij het inzetgieten te verbeteren, is door elementen met een omgekeerde hoek in de geometrie van de inzetstukken te ontwerpen. Het gesmolten polymeer vult deze holtes en vormt zo een fysieke vergrendeling. Hierdoor wordt axiale of roterende beweging voorkomen, met name bij toepassingen die gevoelig zijn voor trillingen of bij hoge belastingen. Inzetstukken met ondersnijdingen worden vooral gebruikt in industriële of automobieltoepassingen.  

De rol van doorvoergaten

Doorlopende gaten zijn open doorgangen door de inzetstukken. Gesmolten kunststof stroomt door de gaten en stolt daar tot een stevige verankering. Deze verankering versterkt de hechtkracht tussen het inzetstuk en het polymeer, zowel verticaal als horizontaal. Bij het ontwerpen met doorlopende gaten moet u een stromingsanalyse uitvoeren om er zeker van te zijn dat er geen holtes ontstaan.

Wat zijn de DFM-richtlijnen voor metalen inzetstukken?

Voor een goede spuitgietkwaliteit is een goed ontwerp van de inzetstukken vereist. Bij metalen inzetstukken moet bij het ontwerp rekening worden gehouden met aanbevelingen voor een effectieve karteling, de plaatsing van de inzetstukken, uitloophoeken en de plaatsing van de ingangskanalen. Aanbevelingen voor karteling

Karteling biedt een sterkere mechanische bevestiging dan lijm. Verschillende kartelpatronen zijn geschikt voor verschillende toepassingen. Bij hoge belastingen wordt bijvoorbeeld aangeraden om voor diamantkarteling te kiezen. De kruisende patronen van deze kartelingen zorgen voor een mechanische vergrendeling in meerdere richtingen, wat essentieel is voor het koppel en de uittrekweerstand. Deze karteling is toepasbaar in behuizingen van autosensoren, elektronische connectoren, industriële machines en assemblages van medische apparatuur.

Een ander type karteling is de spiraalvormige karteling, die uitstekend geschikt is voor dynamische belasting. Deze kartelingen bestaan uit doorlopende spiraalvormige groeven rondom het inzetstuk, die zowel rotatiekrachten als axiale uittrekbelasting weerstaan. Naast hun hoge vermoeiingsweerstand zorgen spiraalvormige kartelingen voor een lagere spanningsconcentratie, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen in de robotica, elektrisch gereedschap en de lucht- en ruimtevaart. U kunt deze kartelingen kiezen voor inzetstukken die worden blootgesteld aan herhaalde belasting en trillingen.

De volgende tabel geeft een overzicht van de verschillende soorten kartelpatronen en hun toepassingen.

Plaatsing invoegen

De positionering van het inzetstuk is van invloed op de hechtkwaliteit, de maatnauwkeurigheid en de mechanische sterkte. Een kleine beweging of verschuiving van het inzetstuk in de matrijs tijdens het spuitgieten kan leiden tot een zwakke hechting, bramen en een slechte kwaliteit van het onderdeel, met afkeuring tot gevolg. Volg de onderstaande richtlijnen om een juiste positionering van het inzetstuk te waarborgen:

1. Zorg ervoor dat de wanddikte rondom het inzetstuk overal gelijk blijft.

Een gelijkmatige wanddikte rondom het inzetstuk bevordert een gelijkmatige smeltstroom, afkoeling en spanningsverdeling. Dikke delen dragen bij aan differentiële krimp vanwege trage afkoeling, terwijl dunne delen leiden tot holtes en zwakke plekken vanwege onvolledige vulling. Om variaties in dikte te voorkomen, kunt u geleidelijke overgangen met afschuiningen of afrondingen gebruiken. Voor veel op maat gemaakte thermoplasten is de aanbevolen wanddikte 2-4 mm. Daarnaast moeten ingenieurs rekening houden met het verschil in de lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) tussen het metalen inzetstuk en de kunststof om radiale spanning na het gieten te voorkomen. ^[2].

2. Zorg voor lange inzetstukken om verschuiving tijdens het injecteren te voorkomen.

Slanke of lange inzetstukken kunnen gemakkelijk verschuiven door de grote krachten van het gesmolten polymeer, dat met hoge snelheid de holte binnenstroomt. Zonder ondersteuning kunnen deze inzetstukken tijdens het vullen kantelen, draaien of trillen. Dit kan leiden tot een ongelijkmatige bedekking met kunststof, wat de productkwaliteit beïnvloedt. Daarom moet u de inzetstukken indien mogelijk aan beide uiteinden ondersteunen. Bij holle inzetstukken kunt u kernpennen gebruiken om de stabiliteit te waarborgen.

3. Gebruik positioneringspunten of speciale nestposities voor een herhaalbare plaatsing

Bij productie in grote volumes is herhaalbaarheid een cruciale ontwerpfactor. Er moet speciale aandacht aan worden besteed om fouten te voorkomen. Daarom zijn positioneringselementen nodig om de inzetstukken in alle cruciale richtingen vast te zetten. Veelgebruikte positioneringselementen zijn onder meer positioneringspennen, V-groeven, precisie-uitsparingen en schouders.

4. Ontwerp voor robotgeladen productie bij grootschalige productie.

Soms kan de vraag naar producten die met de insert-molding-techniek worden vervaardigd, het verwachte volume verdubbelen of verdrievoudigen. In dergelijke gevallen is het handmatig laden van de inserts wellicht niet haalbaar vanwege strikte beperkingen op het gebied van cyclustijd en de noodzaak van absolute consistentie bij het plaatsen. Om consistentie, snelle productiecycli en lagere arbeidskosten te waarborgen, wordt u aangeraden om over te stappen op het laden met robots.

Kostenvergelijking

In de onderstaande tabel worden de kosten van insert-molding vergeleken met die van overmolding.

Conclusie

Er bestaat geen vaste formule om te kiezen tussen insert-molding en overmolding. Beide technieken hebben hun eigen specifieke toepassingen in verschillende sectoren. De keuze tussen beide moet worden bepaald door de functie van het product, en niet door de beschikbare productiemogelijkheden. Wanneer structurele integriteit het belangrijkst is, kun je kiezen voor insert-molding. Dit zorgt ervoor dat het product op lange termijn mechanisch duurzaam is. Aan de andere kant is overmolding zeer geschikt in gevallen waarin de functionaliteit van het product het belangrijkst is, met name in omgevingen met trillingen, bij afdichting en bij het hanteren van gereedschap.

Referentie

[1] 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

[2] Elsevier B.V. (z.j.). Thermische uitzettingscoëfficiënt. ScienceDirect Topics. Ontleend aan https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/coefficient-of-thermal-expansion