Comprensione della Durezza Shore: Una Guida allo Stampaggio a Iniezione di Silicone e TPE

Nel panorama contemporaneo della progettazione e della produzione di prodotti, l'interfaccia tra utente e macchina ha trasceso la mera funzionalità per diventare un elemento determinante dell'identità del marchio e dell'esperienza utente. Questa evoluzione si manifesta in modo più visibile nell'ampia adozione di superfici "soft touch", interfacce ergonomiche e tattili che comunicano qualità, sicurezza e comfort. Al centro di questa rivoluzione manifatturiera c'è il processo di sovrastampaggio, una sofisticata tecnica di stampaggio a iniezione in cui un materiale elastomero morbido viene legato chimicamente o meccanicamente a un substrato rigido. Che si tratti dell'impugnatura antivibrante di un utensile elettrico, della guarnizione biocompatibile di un dispositivo medico o della guarnizione impermeabile di un'elettronica di consumo, il successo di questi componenti dipende da una precisa comprensione della durezza del materiale.

Per produttori e ingegneri, in particolare quelli che sfruttano le capacità di leader del settore come HYM Plastic, la metrica della "durezza Shore" funge da linguaggio comune che traduce i desideri tattili soggettivi in specifiche ingegneristiche oggettive.¹ Tuttavia, la durezza Shore è molto più di un semplice numero stampato su una scheda tecnica del materiale; è una complessa proprietà viscoelastica che detta i parametri di lavorazione, la resistenza all'usura, l'efficacia della tenuta e la meccanica fondamentale dell'adesione.

Questo rapporto completo fornisce un'analisi esaustiva della durezza Shore nel contesto dello stampaggio a iniezione della gomma e dello stampaggio a iniezione del silicone. Attingendo alle competenze tecniche dello stabilimento di produzione di Xiamen di HYM Plastic, specializzato nello stampaggio multi-materiale di alta precisione, analizzeremo la fisica dell'indentazione, le distinzioni reologiche tra gli elastomeri termoplastici (TPE) e la gomma siliconica liquida (LSR) e le intricate linee guida di progettazione necessarie per ottenere legami robusti e privi di delaminazione. Sintetizzando la scienza teorica dei polimeri con le realtà pratiche dell'officina, questa guida mira a consentire agli ingegneri di ottimizzare i loro progetti per la producibilità, garantendo che il prodotto finale soddisfi le rigorose esigenze delle applicazioni automobilistiche, mediche e industriali.

Per utilizzare efficacemente la durezza Shore TPE nella progettazione, è necessario prima comprendere la fisica sottostante di come la durezza è definita e misurata nei materiali polimerici. A differenza dei metalli, dove la durezza è spesso un predittore statico della resistenza alla trazione e alla resistenza ai graffi, la durezza degli elastomeri è una risposta dinamica, dipendente dal tempo, allo stress applicato.

I polimeri, inclusi i TPE e i siliconi utilizzati nello stampaggio soft touch, mostrano un comportamento viscoelastico. Ciò significa che possiedono caratteristiche sia dei liquidi viscosi che dei solidi elastici. Quando una forza viene applicata a un elastomero, le catene polimeriche si srotolano e si allungano (risposta elastica), ma scorrono anche l'una sull'altra (flusso viscoso). Questa dualità crea un fenomeno noto come "creep" o rilassamento dello stress.

Quando un indentatore durometro viene premuto in un campione di gomma, il materiale inizialmente resiste con una certa forza. Tuttavia, se la forza viene mantenuta, le catene polimeriche si riorganizzano lentamente per adattarsi allo stress, facendo diminuire la lettura nel tempo. Questo è il motivo per cui gli standard ASTM D2240 e ISO 868 specificano tempi di permanenza precisi per le letture.³ Una lettura presa istantaneamente potrebbe essere "Shore 60A", mentre una lettura presa dopo una permanenza di 15 secondi potrebbe scendere a "Shore 55A". Per gli ingegneri che specificano materiali per applicazioni di tenuta, la comprensione di questo rilassamento è fondamentale; una guarnizione che si rilassa troppo nel tempo perderà la sua compressione permanente e non riuscirà a impedire l'ingresso di fluidi.

L'ampio spettro di rigidità polimerica, che va dalla morbidezza gelatinosa di una soletta per scarpe alla rigidità strutturale di un casco, non può essere misurato accuratamente da una singola scala. Il sistema di durezza Shore, quindi, impiega più scale, ciascuna delle quali utilizza una specifica geometria dell'indentatore e una forza della molla per mirare a una gamma distinta di materiali.

La scala Shore A è il cavallo di battaglia dell'industria dello stampaggio a iniezione della gomma. È progettata per misurare elastomeri da morbidi a semirigidi, coprendo la stragrande maggioranza delle applicazioni di sovrastampaggio TPE e silicone.⁵

• Geometria dell'indentatore: Il durometro Shore A utilizza un cono troncato con un angolo di 35° e un diametro della punta piatta di 0,79 mm.³ Questa punta smussata impedisce all'indentatore di perforare materiali morbidi, consentendo di misurare la resistenza alla deformazione da compressione piuttosto che la resistenza alla perforazione.

• Forza della molla: Il dispositivo applica una forza di circa 8,06 Newton (822 g).⁵

• Intervallo di applicazione: Questa scala è appropriata per materiali che vanno da morbide elastici (Shore 20A) a battistrada per pneumatici automobilistici (Shore 60A) e ruote per skateboard dure (Shore 90A).⁷ Nel contesto della produzione di HYM Plastic, Shore A è la metrica principale per specificare le impugnature soft-touch sui dispositivi portatili e le guarnizioni flessibili negli assemblaggi medici.⁹

Man mano che i materiali diventano più duri, l'indentatore smussato Shore A non penetra più sufficientemente per fornire una risoluzione leggibile. La scala Shore D viene introdotta per questi materiali più duri, da semirigidi a rigidi, come i substrati in polipropilene (PP) o ABS spesso utilizzati come strato di base nel sovrastampaggio.⁵

• Geometria dell'indentatore: L'indentatore Shore D è una punta affilata, un cono di 30° con un raggio della punta puramente sferico di soli 0,1 mm.³ Questa affilatura consente di concentrare lo stress e penetrare nei termoplastici rigidi.

• Forza della molla: Per superare il modulo dei materiali plastici rigidi, il durometro Shore D applica una forza significativamente maggiore di circa 44,5 Newton (4536 g).⁵

• Intervallo di applicazione: Questa scala misura materiali plastici strutturali come caschi, tubi in PVC e gli alloggiamenti rigidi dei dispositivi elettronici.¹¹ Mentre la pelle sovrastampata è solitamente Shore A, il substrato è quasi sempre Shore D e l'interazione tra queste due diverse durezze è dove risiede la sfida ingegneristica.

All'estremità opposta dello spettro si trovano gel, schiume e gomme cellulari ultrasoft. Questi materiali sono così conformi che la forza della molla di un durometro Shore A li comprimerebbe completamente, producendo una lettura inutile "0". La scala Shore OO utilizza un indentatore sferico e una forza della molla molto bassa (~1,11 N) per misurare questi materiali delicati.¹¹ Sebbene meno comuni nello sovrastampaggio strutturale, i materiali Shore OO vengono occasionalmente utilizzati in applicazioni di ammortizzazione specializzate in cui l'assorbimento degli urti è la funzione principale.

Una frequente fonte di confusione nella selezione dei materiali è la sovrapposizione tra le scale. Le scale non sono continue; piuttosto, rappresentano diverse interrogazioni stress-deformazione del materiale. Un materiale che registra come Shore 95A sta essenzialmente misurando la stessa durezza di un materiale che registra Shore 45D.¹¹

Tuttavia, affidarsi alle tabelle di conversione può essere pericoloso per applicazioni critiche. L'indentatore Shore D affilato induce deformazioni plastiche e elevate sollecitazioni localizzate, mentre l'indentatore Shore A smussato induce compressione elastica. Per una specifica ingegneristica precisa, in particolare quando si tratta dei requisiti di alta precisione di clienti come quelli di HYM Plastic, la scala deve essere esplicitamente indicata. Non è sufficiente dire "Durezza 50"; è necessario specificare "Shore 50A" o "Shore 50D" per evitare errori di produzione catastrofici.

Tabella 1: Analisi comparativa delle scale di durezza Shore

La selezione del materiale di sovrastampaggio è la decisione più consequenziale nel processo di sviluppo del prodotto. Sebbene sia TPE che Silicone possano essere formulati per raggiungere identici valori di durezza Shore (ad esempio, Shore 40A), i loro scheletri chimici, i requisiti di lavorazione e le caratteristiche di prestazione a lungo termine sono molto diversi. HYM Plastic offre capacità sia nello stampaggio a iniezione del silicone che nell'iniezione TPE, consentendo una valutazione imparziale basata sulle esigenze applicative.¹

I TPE rappresentano una classe di copolimeri o miscele fisiche di polimeri che combinano le proprietà meccaniche della gomma termoindurente con la lavorabilità dei termoplastici. Questo comportamento unico deriva dalla loro morfologia a separazione di fase.

I TPE sono tipicamente costituiti da segmenti "duri" (domini cristallini) e segmenti "morbidi" (domini amorfi). I segmenti duri agiscono come reticolazioni fisiche a temperatura ambiente, fornendo resistenza e determinando la durezza Shore. I segmenti morbidi forniscono elasticità e flessibilità.⁶ Regolando il rapporto tra segmenti duri e morbidi durante la polimerizzazione, i produttori possono regolare con precisione la durezza Shore TPE da un gel simile a Shore 20A a un Shore 70D rigido.⁶

Il principale vantaggio del TPE nello stampaggio a iniezione della gomma è la sua natura termoplastica. A differenza della gomma termoindurente, che subisce una reazione chimica irreversibile (vulcanizzazione), i TPE si congelano semplicemente quando vengono raffreddati e si fondono quando vengono riscaldati.

• Tempo di ciclo: Poiché non è richiesto alcun tempo di polimerizzazione all'interno dello stampo, i cicli TPE sono generalmente più veloci, limitati solo dalla velocità di raffreddamento della parte.

• Riciclabilità: Canali di colata, canali di alimentazione e parti difettose possono essere rimacinati e miscelati con materiale vergine, riducendo significativamente gli sprechi di materiale e i costi, un fattore chiave per la produzione di grandi volumi presso strutture come HYM Plastic.¹⁶

• Incollaggio: I TPE sono disponibili in diverse chimiche (stirenici, olefinici, uretano) che possono essere abbinate al substrato per l'incollaggio chimico naturale. Ad esempio, un TPE-S (stirenico) si lega naturalmente al polipropilene (PP) senza la necessità di adesivi.¹⁷

LSR è un materiale termoindurente a due componenti tipicamente basato su uno scheletro di silossano (atomi di silicio e ossigeno alternati). Viene fornito come Parte A e Parte B, che vengono miscelate in un rapporto 1:1 immediatamente prima dell'iniezione.

Il legame Si-O è significativamente più forte e più stabile del legame C-C presente nei TPE. Questo conferisce al silicone un'eccezionale resistenza agli estremi di temperatura (-60°C a +250°C), alle radiazioni UV, all'ozono e agli attacchi chimici.¹⁹ Mentre un'impugnatura in TPE potrebbe ammorbidirsi e diventare appiccicosa se lasciata sul cruscotto di un'auto in estate, un'impugnatura in LSR rimarrà invariata.

LSR subisce l'idrosililazione catalizzata dal platino, una reazione di reticolazione irreversibile. Ciò richiede che lo stampo venga riscaldato (spesso da 150°C a 200°C) per accelerare la polimerizzazione. Questa differenza fondamentale nella lavorazione, uno stampo caldo per LSR contro uno stampo freddo per TPE, richiede attrezzature per iniezione LSR e macchinari dedicati, una capacità che distingue i produttori avanzati come HYM Plastic.¹⁴

LSR è intrinsecamente inerte e biocompatibile, il che lo rende il materiale di scelta per dispositivi medici e applicazioni a contatto con gli alimenti. Soddisfa più facilmente i rigorosi standard USP Classe VI e ISO 10993 rispetto a molte formulazioni TPE. L'esperienza di HYM Plastic nei gusci di dispositivi medici suggerisce una forte competenza nello sfruttare queste proprietà per i clienti del settore sanitario.¹

Quando si sceglie tra TPE e LSR per un progetto di stampaggio soft touch, è necessario valutare i seguenti fattori: