การเข้าใจความแข็งของชายฝั่ง: คู่มือในการพิมพ์ซิลิโคนและ TPE

ในภูมิทัศน์ร่วมสมัยของการออกแบบผลิตภัณฑ์และการผลิต อินเทอร์เฟซระหว่างผู้ใช้และเครื่องจักรได้ก้าวข้ามเพียงแค่การใช้งานไปสู่การเป็นองค์ประกอบที่กำหนดเอกลักษณ์ของแบรนด์และประสบการณ์ของผู้ใช้ วิวัฒนาการนี้แสดงให้เห็นได้ชัดเจนที่สุดในการนำพื้นผิว "สัมผัสนุ่ม" มาใช้อย่างแพร่หลาย—อินเทอร์เฟซสัมผัสที่ถูกหลักสรีรศาสตร์ซึ่งสื่อถึงคุณภาพ ความปลอดภัย และความสะดวกสบาย หัวใจสำคัญของการปฏิวัติการผลิตนี้อยู่ที่กระบวนการโอเวอร์โมลด์ ซึ่งเป็นเทคนิคการฉีดขึ้นรูปที่ซับซ้อนซึ่งวัสดุอีลาสโตเมอร์แบบนุ่มจะถูกยึดติดทางเคมีหรือทางกลไกกับพื้นผิวแข็ง ไม่ว่าจะเป็นด้ามจับที่ลดการสั่นสะเทือนของเครื่องมือไฟฟ้า ซีลที่เข้ากันได้ทางชีวภาพของอุปกรณ์ทางการแพทย์ หรือปะเก็นกันน้ำของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ความสำเร็จของส่วนประกอบเหล่านี้ขึ้นอยู่กับการทำความเข้าใจความแข็งของวัสดุอย่างแม่นยำ

สำหรับผู้ผลิตและวิศวกร โดยเฉพาะอย่างยิ่งผู้ที่ใช้ประโยชน์จากความสามารถของผู้นำในอุตสาหกรรมอย่าง HYM Plastic ตัวชี้วัด "ความแข็งแบบ Shore" ทำหน้าที่เป็นภาษาทั่วไปที่แปลความต้องการสัมผัสส่วนตัวให้เป็นข้อกำหนดทางวิศวกรรมเชิงวัตถุประสงค์¹อย่างไรก็ตาม ความแข็งแบบ Shore นั้นเป็นมากกว่าตัวเลขง่ายๆ ที่ประทับบนเอกสารข้อมูลวัสดุ มันเป็นคุณสมบัติวิสโคอีลาสติกที่ซับซ้อนซึ่งกำหนดพารามิเตอร์การประมวลผล ความทนทานต่อการสึกหรอ ประสิทธิภาพการซีล และกลไกพื้นฐานของการยึดเกาะ

รายงานฉบับสมบูรณ์นี้ให้การวิเคราะห์ความแข็งแบบ Shore อย่างละเอียดในบริบทของ การฉีดขึ้นรูปยาง และ การโอเวอร์โมลด์ซิลิโคน ด้วยการใช้ความสามารถทางเทคนิคของโรงงานผลิต Xiamen ของ HYM Plastic ซึ่งเชี่ยวชาญด้านการขึ้นรูปหลายวัสดุที่มีความแม่นยำสูง เราจะแยกแยะฟิสิกส์ของการเยื้อง ความแตกต่างทางรีโอโลจีระหว่างเทอร์โมพลาสติกอีลาสโตเมอร์ (TPE) และยางซิลิโคนเหลว (LSR) และแนวทางการออกแบบที่ซับซ้อนที่จำเป็นเพื่อให้ได้พันธะที่แข็งแกร่งและปราศจากการหลุดลอก ด้วยการสังเคราะห์วิทยาศาสตร์พอลิเมอร์เชิงทฤษฎีเข้ากับความเป็นจริงในโรงงานปฏิบัติจริง คู่มือนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อให้วิศวกรสามารถปรับการออกแบบให้เหมาะสมสำหรับการผลิต เพื่อให้มั่นใจว่าผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายตรงตามความต้องการที่เข้มงวดของยานยนต์ การแพทย์ และอุตสาหกรรม

เพื่อให้ใช้ ความแข็งแบบ Shore ของ TPE ในการออกแบบได้อย่างมีประสิทธิภาพ ก่อนอื่นต้องเข้าใจฟิสิกส์พื้นฐานของวิธีการกำหนดและวัดความแข็งในวัสดุพอลิเมอร์ ซึ่งแตกต่างจากโลหะที่ความแข็งมักเป็นตัวทำนายความแข็งแรงของแรงดึงและความต้านทานรอยขีดข่วน ความแข็งของอีลาสโตเมอร์คือการตอบสนองแบบไดนามิกและขึ้นอยู่กับเวลาต่อความเครียดที่ใช้

พอลิเมอร์ รวมถึง TPE และซิลิโคนที่ใช้ใน การขึ้นรูปสัมผัสนุ่ม แสดงพฤติกรรมวิสโคอีลาสติก ซึ่งหมายความว่าพวกมันมีลักษณะของทั้งของเหลวหนืดและของแข็งยืดหยุ่น เมื่อใช้แรงกับอีลาสโตเมอร์ โซ่พอลิเมอร์จะคลายตัวและยืดออก (การตอบสนองแบบยืดหยุ่น) แต่พวกมันยังเลื่อนผ่านกัน (การไหลแบบหนืด) ความเป็นคู่กันนี้สร้างปรากฏการณ์ที่เรียกว่า "การคืบ" หรือการผ่อนคลายความเครียด

เมื่อกดหัววัดดูโรมิเตอร์ลงในตัวอย่างยาง วัสดุจะต้านทานในตอนแรกด้วยแรงบางอย่าง อย่างไรก็ตาม หากรักษาแรงไว้ โซ่พอลิเมอร์จะจัดเรียงตัวใหม่ช้าๆ เพื่อรองรับความเครียด ทำให้การอ่านค่าลดลงเมื่อเวลาผ่านไป นี่คือเหตุผลที่มาตรฐาน ASTM D2240 และ ISO 868 ระบุเวลาพักที่แม่นยำสำหรับการอ่านค่า³ การอ่านค่าที่ทำทันทีอาจเป็น "Shore 60A" ในขณะที่การอ่านค่าที่ทำหลังจากพัก 15 วินาทีอาจลดลงเหลือ "Shore 55A" สำหรับวิศวกรที่ระบุวัสดุสำหรับการใช้งานซีล การทำความเข้าใจการผ่อนคลายนี้เป็นสิ่งสำคัญ ซีลที่ผ่อนคลายมากเกินไปเมื่อเวลาผ่านไปจะสูญเสียชุดการบีบอัดและล้มเหลวในการป้องกันการไหลเข้าของของเหลว

สเปกตรัมความแข็งของพอลิเมอร์ที่กว้าง—ตั้งแต่ความนุ่มนวลคล้ายเจลาตินของพื้นรองเท้าไปจนถึงความแข็งแกร่งของโครงสร้างของหมวกแข็ง—ไม่สามารถวัดได้อย่างแม่นยำด้วยมาตราส่วนเดียว ดังนั้น ระบบความแข็งแบบ Shore จึงใช้มาตราส่วนหลายแบบ โดยแต่ละแบบใช้รูปทรงหัววัดและแรงสปริงเฉพาะเพื่อกำหนดเป้าหมายวัสดุที่แตกต่างกัน

มาตราส่วน Shore A เป็นเครื่องมือหลักของอุตสาหกรรม การฉีดขึ้นรูปยาง ได้รับการออกแบบมาสำหรับการวัดอีลาสโตเมอร์แบบนุ่มถึงกึ่งแข็ง ครอบคลุมการใช้งาน TPE และซิลิโคนโอเวอร์โมลด์ส่วนใหญ่⁵

• รูปทรงหัววัด: ดูโรมิเตอร์ Shore A ใช้กรวยตัดปลายที่มีมุม 35° และเส้นผ่านศูนย์กลางปลายแบน 0.79 มม.³ ปลายทู่ช่วยป้องกันไม่ให้หัววัดเจาะวัสดุอ่อน ทำให้สามารถวัดความต้านทานต่อการเสียรูปจากการบีบอัดแทนที่จะเป็นความต้านทานการเจาะ

• แรงสปริง: อุปกรณ์ใช้แรงประมาณ 8.06 นิวตัน (822 กรัม)⁵

• ช่วงการใช้งาน: มาตราส่วนนี้เหมาะสมสำหรับวัสดุตั้งแต่ยางรัดอ่อน (Shore 20A) ไปจนถึงดอกยางรถยนต์ (Shore 60A) และล้อสเก็ตแข็ง (Shore 90A)⁷ ในบริบทของการผลิตของ HYM Plastic Shore A เป็นตัวชี้วัดหลักสำหรับการระบุด้ามจับแบบสัมผัสนุ่มบนอุปกรณ์พกพาและซีลแบบยืดหยุ่นในชุดประกอบทางการแพทย์⁹

เมื่อวัสดุแข็งขึ้น หัววัด Shore A แบบทู่จะไม่สามารถเจาะได้เพียงพอเพื่อให้ได้ความละเอียดที่อ่านได้ มาตราส่วน Shore D ถูกนำมาใช้สำหรับพลาสติกที่แข็งขึ้น กึ่งแข็งถึงแข็ง เช่น โพลีโพรพิลีน (PP) หรือพื้นผิว ABS ที่มักใช้เป็นชั้นฐานในการโอเวอร์โมลด์⁵

• รูปทรงหัววัด: หัววัด Shore D เป็นจุดแหลม กรวย 30° ที่มีรัศมีปลายทรงกลมเพียง 0.1 มม.³ ความคมชัดนี้ช่วยให้สามารถรวมความเครียดและเจาะเทอร์โมพลาสติกแข็งได้

• แรงสปริง: เพื่อเอาชนะโมดูลัสของพลาสติกแข็ง ดูโรมิเตอร์ Shore D ใช้แรงที่สูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญประมาณ 44.5 นิวตัน (4536 กรัม)⁵

• ช่วงการใช้งาน: มาตราส่วนนี้วัดพลาสติกโครงสร้าง เช่น หมวกแข็ง ท่อ PVC และตัวเรือนแข็งของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์¹¹ ในขณะที่ ผิวหนัง ที่โอเวอร์โมลด์มักจะเป็น Shore A แต่ พื้นผิว เกือบจะเป็น Shore D เสมอ และปฏิสัมพันธ์ระหว่างความแข็งที่แตกต่างกันสองแบบนี้คือที่มาของความท้าทายทางวิศวกรรม

ที่ปลายอีกด้านของสเปกตรัมคือเจล อ่อนนุ่มพิเศษ โฟม และยางเซลลูลาร์ วัสดุเหล่านี้มีความยืดหยุ่นมากจนแรงสปริงของดูโรมิเตอร์ Shore A จะบีบอัดพวกมันจนสุด ทำให้ได้ค่าการอ่าน "0" ที่ไร้ประโยชน์ มาตราส่วน Shore OO ใช้หัววัดทรงกลมและแรงสปริงที่ต่ำมาก (~1.11 N) เพื่อวัดวัสดุที่ละเอียดอ่อนเหล่านี้¹¹ แม้ว่าจะไม่ค่อยพบในการโอเวอร์โมลด์โครงสร้าง แต่วัสดุ Shore OO บางครั้งใช้ในการใช้งานเบาะพิเศษที่การดูดซับแรงกระแทกเป็นหน้าที่หลัก

แหล่งที่มาของความสับสนบ่อยครั้งในการเลือกวัสดุคือการทับซ้อนกันระหว่างมาตราส่วน มาตราส่วนไม่ได้ต่อเนื่อง แต่แสดงถึงการสอบถามความเครียด-ความเครียดที่แตกต่างกันของวัสดุ วัสดุที่ลงทะเบียนเป็น Shore 95A โดยพื้นฐานแล้ววัดความแข็งแบบเดียวกับวัสดุที่ลงทะเบียน Shore 45D¹¹

อย่างไรก็ตาม การพึ่งพาแผนภูมิการแปลงอาจเป็นอันตรายสำหรับการใช้งานที่สำคัญ หัววัด Shore D ที่แหลมคมทำให้เกิดการเสียรูปพลาสติกและความเครียดเฉพาะที่สูง ในขณะที่หัววัด Shore A แบบทู่ทำให้เกิดการบีบอัดแบบยืดหยุ่น สำหรับข้อกำหนดทางวิศวกรรมที่แม่นยำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องรับมือกับข้อกำหนดที่มีความแม่นยำสูงของลูกค้าเช่น HYM Plastic ต้องระบุมาตราส่วนอย่างชัดเจน ไม่เพียงพอที่จะพูดว่า "ความแข็ง 50" ต้องระบุ "Shore 50A" หรือ "Shore 50D" เพื่อหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดในการผลิตที่ร้ายแรง

ตารางที่ 1: การวิเคราะห์เปรียบเทียบมาตราส่วนความแข็งแบบ Shore

การเลือกวัสดุโอเวอร์โมลด์เป็นการตัดสินใจที่สำคัญที่สุดในกระบวนการพัฒนาผลิตภัณฑ์ แม้ว่าทั้ง TPE และซิลิโคนสามารถนำมาใช้เพื่อบรรลุค่าความแข็งแบบ Shore ที่เหมือนกัน (เช่น Shore 40A) แต่โครงสร้างทางเคมี ข้อกำหนดในการประมวลผล และลักษณะประสิทธิภาพในระยะยาวนั้นแตกต่างกันอย่างมาก HYM Plastic นำเสนอความสามารถในการ การโอเวอร์โมลด์ซิลิโคน และการฉีด TPE ทำให้สามารถประเมินได้อย่างเป็นกลางตามความต้องการของแอปพลิเคชัน¹

TPE แสดงถึงคลาสของโคพอลิเมอร์หรือส่วนผสมทางกายภาพของพอลิเมอร์ที่รวมคุณสมบัติทางกลของยางเทอร์โมเซ็ตเข้ากับความสามารถในการแปรรูปของเทอร์โมพลาสติก พฤติกรรมที่เป็นเอกลักษณ์นี้มาจากสัณฐานวิทยาที่แยกเฟส

TPE โดยทั่วไปประกอบด้วยส่วน "แข็ง" (โดเมนผลึก) และส่วน "อ่อน" (โดเมนอสัณฐาน) ส่วนแข็งทำหน้าที่เป็นจุดเชื่อมขวางทางกายภาพที่อุณหภูมิห้อง ให้ความแข็งแรงและกำหนดความแข็งแบบ Shore ส่วนอ่อนให้ความยืดหยุ่นและความยืดหยุ่น⁶ ด้วยการปรับอัตราส่วนของส่วนแข็งต่อส่วนอ่อนในระหว่างการเกิดพอลิเมอไรเซชัน ผู้ผลิตสามารถปรับแต่ง ความแข็งแบบ Shore ของ TPE ได้อย่างแม่นยำตั้งแต่ Shore 20A ที่คล้ายเจลไปจนถึง Shore 70D ที่แข็ง⁶

ข้อได้เปรียบหลักของ TPE ใน การฉีดขึ้นรูปยาง คือลักษณะเทอร์โมพลาสติกของมัน ซึ่งแตกต่างจากยางเทอร์โมเซ็ตซึ่งเกิดปฏิกิริยาเคมีที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ (การวัลคาไนซ์) TPE จะแข็งตัวเมื่อเย็นลงและหลอมเหลวเมื่อได้รับความร้อน

• เวลาวงจร: เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้เวลาในการบ่มภายในแม่พิมพ์ รอบ TPE โดยทั่วไปจะเร็วกว่า โดยจำกัดเฉพาะอัตราการระบายความร้อนของชิ้นส่วน

• ความสามารถในการรีไซเคิล: สปรู รันเนอร์ และชิ้นส่วนที่มีข้อบกพร่องสามารถนำกลับมาบดใหม่และผสมกับวัสดุบริสุทธิ์ ซึ่งช่วยลดของเสียจากวัสดุและต้นทุนได้อย่างมาก ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับการผลิตจำนวนมากที่โรงงานต่างๆ เช่น HYM Plastic¹⁶

• การยึดติด: TPE มีอยู่ในเคมีที่หลากหลาย (สไตรีน โอเลฟิน ยูรีเทน) ที่สามารถจับคู่กับพื้นผิวสำหรับการยึดติดทางเคมีตามธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น TPE-S (สไตรีน) จะยึดติดกับโพลีโพรพิลีน (PP) โดยธรรมชาติโดยไม่จำเป็นต้องใช้กาว¹⁷

LSR เป็นวัสดุเทอร์โมเซ็ตสองส่วน โดยทั่วไปมีพื้นฐานมาจากโครงสร้างหลักของไซล็อกเซน (อะตอมซิลิคอนและออกซิเจนสลับกัน) มีให้ในส่วน A และส่วน B ซึ่งผสมในอัตราส่วน 1:1 ทันทีก่อนการฉีด

พันธะ Si-O มีความแข็งแรงและเสถียรกว่าพันธะ C-C ที่พบใน TPE อย่างมาก สิ่งนี้ทำให้ซิลิโคนมีความทนทานต่ออุณหภูมิที่สูงมาก (-60°C ถึง +250°C) รังสี UV โอโซน และการโจมตีทางเคมี¹⁹ ในขณะที่ด้ามจับ TPE อาจอ่อนนุ่มและเหนียวหากทิ้งไว้บนแผงหน้าปัดรถยนต์ในฤดูร้อน ด้ามจับ LSR จะยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

LSR ผ่านการไฮโดรซิลิเลชันที่เร่งปฏิกิริยาด้วยแพลตินัม ซึ่งเป็นปฏิกิริยาเชื่อมขวางที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ สิ่งนี้ต้องให้ความร้อนแก่แม่พิมพ์ (มักจะ 150°C ถึง 200°C) เพื่อเร่งการบ่ม ความแตกต่างพื้นฐานในการประมวลผลนี้—แม่พิมพ์ร้อนสำหรับ LSR เทียบกับแม่พิมพ์เย็นสำหรับ TPE—ต้องใช้ เครื่องมือฉีด LSR และเครื่องจักรเฉพาะ ซึ่งเป็นความสามารถที่ทำให้ผู้ผลิตขั้นสูงอย่าง HYM Plastic แตกต่าง¹⁴

LSR นั้นเฉื่อยและเข้ากันได้ทางชีวภาพโดยธรรมชาติ ทำให้เป็นวัสดุที่เลือกใช้สำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์และการใช้งานที่สัมผัสกับอาหาร เป็นไปตามมาตรฐาน USP Class VI และ ISO 10993 ที่เข้มงวดกว่าสูตร TPE หลายชนิด ความเชี่ยวชาญของ HYM Plastic ในเปลือกอุปกรณ์ทางการแพทย์แสดงให้เห็นถึงความสามารถที่แข็งแกร่งในการใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเหล่านี้สำหรับลูกค้าด้านการดูแลสุขภาพ¹

เมื่อเลือกระหว่าง TPE และ LSR สำหรับโครงการ การขึ้นรูปสัมผัสนุ่ม ต้องชั่งน้ำหนักปัจจัยต่อไปนี้: