Silicone? Mettetelo alla prova!

Per la maggior parte di noi, il posto più semplice dove trovare la gomma siliconica è il negozio di ferramenta. Questo materiale viene venduto in tubetti e può essere utilizzato per creare guarnizioni flessibili con sistema di sigillatura FIPFG (formata sul posto), che vulcanizzano a temperatura ambiente.

Nella forma estrema, il silicone liquido è in grado di resistere a temperature costanti massime di 316 °C e a temperature discontinue fino a 371 °C. 

A chi ha più dimestichezza con i normali materiali termoplastici, potrebbe sembrare assurdo parlare di un materiale gommoso per applicazioni ad alta temperatura, ma il silicone è effettivamente prodotto per resistere al calore. A differenza dei materiali termoplastici, che si ammorbidiscono quando vengono riscaldati, i materiali termoindurenti come il silicone sono realizzati ad alte temperature e nelle loro diverse forme sono in grado di resistere a temperature che farebbero fondere i materiali termoplastici.

Questa caratteristica ben si presta ad una varietà di applicazioni automobilistiche e industriali ad alta temperatura e per prodotti medicali che vengono sottoposti a sterilizzazione termica.



In genere il silicone resiste altrettanto bene alle basse temperature e resta flessibile anche molto al di sotto             degli 0 °C. Il grado esatto di flessibilità dipende dal composto, ma può raggiungere livelli molto elevati. L’LR3003/50, ad esempio, ha un allungamento a rottura del 480%. I composti siliconici sono disponibili in diverse durezze e possono essere scelti in funzione dei requisiti delle singole applicazioni.

Questo materiale possiede valori eccellenti di resistenza termica, elettrica e chimica, ma è vulnerabile a determinati solventi, come la benzina e l’acquaragia, perciò può essere impiegato per applicazioni automobilistiche ad alte temperature, ma è sconsigliato per le tubazioni del carburante. Inoltre, ha un basso livello di “compression set” (la deformazione permanente prodotta a seguito dell’applicazione di una forza), una caratteristica ideale per gli elastomeri. Messo a confronto con gli elastomeri termoplastici (TPE) come il Santoprene, il silicone liquido è stato definito “un TPE sotto anabolizzanti”.

Pezzo in silicone liquido flessibile
Figura 1: Il silicone è un materiale resistente e flessibile, con una buona memoria di forma.

Il silicone liquido è approvato anche per applicazioni mediche quando entra a contatto con la pelle. La sua stabilità impedisce non soltanto di danneggiare la pelle, ma anche di essere danneggiato dalla pelle stessa.
Alcuni tipi di LSR, se utilizzati nel giusto ambiente di produzione, possono essere impiegati per applicazioni impiantabili. Le proprietà (idrorepellenti) del materiale lo rendono ideale per applicazioni destinate al trattamento delle acque. Infine, la sua ininfiammabilità e l’assenza di emissioni di tossine o alogeni a seguito di combustione bensi prestano a una varietà di applicazioni per la sicurezza. Si consiglia sempre di verificare le specifiche del materiale e di contattare lo stampatore per ricevere maggiori dettagli.

Materiali termoplastici e materiali termoindurenti

In alcuni aspetti del processo di stampaggio, i materiali termoplastici (ad esempio, il polietilene, il polipropilene, il policarbonato e l’ABS) e i materiali termoindurenti come il silicone dimostrano comportamenti diametralmente opposti. I materiali termoplastici, infatti, partono dallo stato solido a temperatura ambiente, si ammorbidiscono quando vengono riscaldati e diventano nuovamente solidi una volta raffreddati, il che li rende i candidati perfetti per il riciclaggio. I materiali termoindurenti, invece, partono generalmente dallo stato di gel o pasta e solidificano in modo permanente quando vengono riscaldati con un catalizzatore al platino (platino nel caso di LSR, per altri tipi di silicone sono disponibili anche altri catalizzatori). Ciò li rende poco adatti a essere riciclati ma garantisce prestazioni superiori alle alte temperature. 

Cross-linking in thermoset plastic materials
Figura 2: La reticolazione determina molte delle caratteristiche dei materiali termoindurenti come la solidità, la stabilità e la resistenza al calore.

Sono queste diverse risposte al calore a definire i rispettivi processi di stampaggio. Le pastiglie di materiale termoplastico vengono riscaldate prima dell’iniezione per essere liquefatte e il particolare viene fatto poi raffreddare all’interno dello stampo prima dell’espulsione. La resina termoindurente, invece, viene raffreddata prima dell’iniezione e poi riscaldata all’interno dello stampo per la polimerizzazione.

Comportamento pseudoplastico

Prima di essere sottoposto a polimerizzazione, il silicone liquido è un fluido pseudoplastico (in inglese shear-thinning, cioè che si assottiglia al taglio). Nei fluidi pseudoplastici, l’applicazione di uno sforzo di taglio (come quello esercitato dall’iniezione nello stampo) comporta una diminuzione della viscosità, che condiziona in maniera significativa il comportamento dell’LSR nello stampo. Per comprendere il comportamento di un materiale pseudoplastico, consideriamo ad esempio il ketchup che, come il silicone liquido, si assottiglia al taglio, e il miele, che invece ha una natura diversa.

Flash in liquid silicone rubber molded part
Figura 3: Il silicone liquido ha un’elevata tendenza alla bava, che in alcuni casi può svilupparsi in fessure di appena 0,005 mm.

Pensiamo a cosa succede quando capovolgiamo una bottiglia di ketchup. Immaginiamo ora di fare la stessa cosa con un piccolo contenitore in plastica pieno di miele. A temperatura ambiente, il miele scorrerà verso il basso, anche se lentamente; il ketchup, invece, probabilmente resterà nella bottiglia perché è più viscoso. È per questo motivo che agitiamo il ketchup prima di versarlo e spesso siamo costretti a infilare il coltello nel collo della bottiglia per raccoglierlo tutto. Immaginiamo ora di mettere il ketchup in un contenitore di plastica di tipo “squeezer” e il miele in un dispenser di plastica. Il miele sarà difficile da erogare, mentre il ketchup scorrerà facilmente e in pochi secondi sommergerà completamente le nostre patatine. Questa diversa viscosità è un esempio del comportamento pseudoplastico che mostra l’LSR quando viene iniettato nello stampo.Il comportamento pseudoplastico ha effetti positivi e negativi sullo stampaggio del silicone liquido. Migliora il flusso nelle aree con pareti sottili, diminuendo la necessità di mantenere uno spessore di parete uniforme nel pezzo, come si consiglia di fare, invece, per lo stampaggio dei materiali termoplastici. Allo stesso tempo, però, proprio per il fatto di scorrere così facilmente nello stampo, l’LSR presenta una maggiore tendenza alla bava (cioè a infiltrarsi nelle aree di incontro dei due semistampi) e lascia residui indesiderati chedevono essere rimossi con un’operazione secondaria (si veda la Figura 3). La bava può essere evitata, o quanto meno ridotta, con un’attenta progettazione dello stampo, ma resta comunque un aspetto importante da considerare in ogni progetto.

I pezzi stampati utilizzando il silicone liquido continuano a ritirarsi durante il processo di raffreddamento in seguito alla rimozione dallo stampo. Questo comportamento è dovuto in parte al fatto che nello stampo la temperatura è generalmente più alta. Per questo motivo, i pezzi non restano aderenti al nucleo come succede con i materiali termoplastici, ma tendono a restare attaccati nel semistampo che presenta la superficie più estesa. A causa della flessibilità del materiale, dopo l’apertura dello stampo parti diverse di un pezzo finito potrebbero aderire ai due semistampi, lasciando il pezzo attaccato. Per risolvere questo problema potrebbe essere necessario riprogettare il pezzo.

Aspetti progettuali relativi ai pezzi in LSR

Dal punto di vista della progettazione, le linee guida indicate per i pezzi in LSR sono simili a quelle valide per i pezzi in materiali termoplastici, anche se per certi aspetti meno rigide. Questa minore rigidezza si deve al fatto che il silicone liquido, essendo flessibile, è un materiale più “indulgente” rispetto ai materiali termoplastici. I piani paralleli alla direzione di apertura dello stampo richiedono in genere l’aggiunta dell’angolo di spoglia, necessario non tanto per evitare l’attrito del pezzo contro le pareti dello stampo durante l’espulsione quanto per consentire la fresatura dello stampo. Solitamente è sufficiente un grado ogni 25,4 mm (un pollice) di profondità dello stampo.

Data la sua natura pseudoplastica, il silicone liquido scorre agevolmente nello stampo e può riempire pareti sottili che nei materiali termoplastici presenterebbero, invece, problemi di riempimento. Per la stessa ragione, non è fondamentale mantenere uno spessore di parete uniforme. E poiché il materiale termoindurente si solidifica con il calore e si polimerizza in gran parte prima di raffreddarsi, le depressioni sono praticamente assenti, ciò significa che gli elementi del pezzo possono avere uno spessore maggiore rispetto ai normali materiali termoplastici (sebbene sia comunque preferibile evitare di realizzare elementi più spessi del necessario).

Silicone rubber part manufactured with aluminum tooling
Figura 4: Pezzo in LSR in cima a un paio di stampi in alluminio.

Nella progettazione dello stampo, la differenza principale tra i materiali termoplastici e l’LSR riguarda il trattamento dei sottosquadri.
I materiali termoplastici rigidi possono essere stampati con sottosquadri sia mediante azionamenti laterali, che creano i sottosquadri e devono poi essere rimossi prima dell’apertura dello stampo per consentire l’espulsione del pezzo, sia con tecniche complesse come i pick-out. Grazie alla flessibilità del silicone, i pezzi finiti in silicone possono spesso essere estratti dallo stampo semplicemente “sbucciandoli”. Gli elementi stampati in materiali termoplastici, invece, rischiano di restare intrappolati dietro un sottosquadro e devono essere tirati via dalla sporgenza. L’unica vera limitazione con i sottosquadri in LSR riguarda la possibilità o meno di fresatura.

Lo stampaggio dei pezzi in LSR con Proto Labs

Da oggi ProtoQuote (il motore di analisi del modello 3D e di preventivazione di Proto Labs) supporta, oltre ai materiali termoplastici, anche l’LSR. L’invio di un modello 3D per la produzione in LSR è simile al processo già seguito per i materiali termoplastici. Il cliente:

  • carica il modello 3D
  • specifica il materiale e le quantità
  • ottiene un preventivo chiaro, corredato da informazioni sui prezzi e un’analisi del modello 3D, in genere nel giro di poche ore

 Attualmente i tempi di realizzazione per la produzione in LSR sono di tre settimane. Per alcuni modello 3D è possibile accorciare i tempi scegliendo il servizio di consegna rapida, che consente di ridurre enormemente i tempi dei metodi tradizionali grazie alla capacità del processo Proto Labs di convertire i modelli 3D direttamente in percorsi per la fresatura degli stampi. Come per i materiali termoplastici, Proto Labs gestisce il processo di realizzazione degli stampi per LSR mediante un software proprietario installato su un’estesa rete telematica di computer. I percorsi generati dal software azionano le macchine di fresatura automatiche che producono i semistampi, i quali vengono poi collocati nelle presse di stampaggio specifiche per il silicone liquido.

Il processo è in grado di produrre a basso costo pezzi in LSR in quantità da 25 a 25.000. Con quantità di produzione moderate, il processo può produrre pezzi in tempi e con costi inferiori rispetto ai processi di stampaggio del silicone liquido tradizionali. Proto Labs utilizza i suoi processi di produzione su vasta scala anche per volumi di produzione o prototipazione molto ridotti, a differenza di quanto accade con altri metodi di prototipazione in LSR.

La maggior parte dei produttori di prototipi in LSR in volumi ridotti non riesce a eguagliare il livello di controllo dei processi industriali di Proto Labs perché mescola a mano i componenti in gel all’interno di un mescolatore. In alcuni casi, questi produttori scelgono di non utilizzare stampi fresati o LSR polimerizzato a caldo e realizzano i prototipi con un processo di vulcanizzazione a temperatura ambiente, partendo da una copia in materiale termoplastico del pezzo realizzato con una stampante 3D. Lo stampo viene colato intorno al pezzo stampato in 3D e riempito a mano con una pistola per silicone. Il pezzo risultante potrà essere impiegato per testare la forma e l’adattamento ma, dal momento che non replica il processo di produzione e non utilizza vero materiale in LSR, non potrà essere utilizzato in maniera affidabile per eseguire collaudi funzionali o per la produzione effettiva.

Per ottenere pezzi veri per la prototipazione, i produttori tradizionali devono spesso aspettare fino alla realizzazione degli stampi, che può richiedere settimane o anche mesi. In questa fase avanzata dello sviluppo, anche un solo problema rischia di provocare gravi battute d’arresto nel processo di sviluppo e di rendere inservibili utensili molto costosi. La fresatura automatizzata di stampi in alluminio di Proto Labs consente di realizzare prototipi a basso costo con processi industriali e materiali veri in una fase iniziale dello sviluppo, quando la riprogettazione di un pezzo risulta più semplice, richiede meno tempo ed è meno costosa.

Proto Labs espande costantemente i propri processi e le proprie capacità. Presentiamo di seguito i requisiti e i vincoli di progettazione validi attualmente:

  • Le dimensioni massime dei pezzi sono 127 x 127 x 80 mm.* Questi valori corrispondono alle dimensioni di ingombro del pezzo, sebbene il pezzo non potrà occupare l’intero spazio disponibile.   *Le dimensioni dei pezzi potrebbero aumentare con l’incremento delle capacità.
  • L’area di stampaggio massima proiettata  del pezzo non deve superare 11.355 mm². Tale valore è inferiore all’impronta completa di 16.129 mm² che occuperebbe un pezzo con le dimensioni di 127 x 127 mm indicate sopra. Questa limitazione è dovuta al fatto che la pressione esercitata durante il riempimento di uno stampo con un’area maggiore di 11.355 mm² supererebbe la pressione di chiusura della pressa per stampaggio.
  • Il volume massimo del pezzo è 65.550 mm³. Questo valore è determinato dal volume massimo di iniezione degli attuali strumenti di stampaggio dell’LSR di Proto Labs.
  • Lo spessore di parete minimo è 0,5 mm. La limitazione non ha a che fare con la capacità di riempimento, ma con la possibilità di fresare pareti più sottili e di rimuovere i pezzi dallo stampo senza danneggiarli.
  • Data la natura pseudoplastica del silicone liquido, in genere uno spessore di parete non uniforme non costituisce un problema.
  • Lo spessore delle nervature deve essere 0,5-1 volte quello delle pareti adiacenti.
  • Il raggio di curvatura delle fasce interne deve essere approssimativamente analogo allo spessore della parete.
  • Le depressioni sono praticamente assenti; tuttavia è consigliabile eliminare lo spessore non necessario per ridurre i costi di materiale.
  • Per eliminare la bava, le linee di giunzione devono essere quanto più semplici e corte possibile.
  • La rimozione del pezzo in silicone dallo stampo è eseguita generalmente a mano senza l’impiego di perni di espulsore. Il pezzo deve essere progettato in modo da restare interamente in un semistampo e alcuni elementi del pezzo devono sollevarsi dalla superficie della linea di giunzione per agevolare la rimozione manuale.
  • È possibile realizzare numerosi pezzi con sottosquadri semplici, che verranno poi facilmente rimossi manualmente dallo stampo dall’operatore alla pressa. La fattibilità dei pezzi con sottosquadri sarà valutata caso per caso.
  • I pezzi in LSR richiedono in genere un angolo di spoglia simile a quello dei pezzi in materiali termoplastici, approssimativamente un grado per pollice (25,4 mm) di profondità. Nei pezzi poco profondi l’angolo di spoglia può anche non essere inserito. Il silicone liquido ha una maggiore tolleranza a valori di spoglia insufficienti rispetto ai materiali termoplastici. Questo aspetto sarà comunque valutato caso per caso.
  • Il silicone liquido ha un’elevata facilità di flusso, pertanto non richiede grandi punti di iniezione per l’ingresso della resina. I punti di iniezione devono essere posizionati possibilmente nella sezione trasversale più spessa o più ampia del pezzo, sebbene questa non sia una regola ferrea. Gli accessi sul margine in LSR lasciano segni o residui, perciò devono essere posizionati su una superficie poco importante dal punto di vista dimensionale o estetico.
  • Proto Labs aggiunge, se necessario, sfiati, traboccamenti o nastri a strappo per migliorare la qualità del pezzo. Questi elementi potrebbero lasciare piccoli segni sul pezzo finito. Proto Labs sottopone la posizione dei punti di iniezione e degli sfiati all’approvazione del cliente prima di realizzare gli utensili.
  • Proto Labs esegue le seguenti finiture sugli utensili per lo stampaggio del silicone liquido:
    • PM-F0
    • PM-F2
    • SPI-C1
    • SPI-A2
  • Prossimamente aggiungeremo nuove finiture e accoglieremo le richieste speciali dei clienti.
  • Le tolleranze tipiche per un pezzo ben progettato sono tolleranze lineari di 0,025 mm/mm.
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