Commissioning of Thermoplastic and Liquid Silicone Rubber Injection Moulding Machines

Abstract

Injection moulding is a versatile manufacturing process used to mass produce most dominantly polymer materials into various shapes and sizes. Injection moulding is utilized in many industries, including the medical industry, to manufacture plastic parts. The process of conventional injection moulding consists of melting and injecting polymer into a mould, which cools and solidifies the polymer giving it its desired shape. Liquid silicone rubber (LSR) moulding differs from conventional injection moulding in a way that the liquid silicone is injected from a cooled machinery into a heated mould, which cures the silicone to the final shape. Both processes involve numerous processing parameters, which affect the properties of the moulded parts. These properties and the effect of processing on them can be studied with polymer characterization methods. The aim of this study was to put into operation two new injection moulding machines, Babyplast 6/12 Standard for thermoplastic materials and Babyplast 6/12 LSR for liquid silicone rubbers. This commissioning was realised by trial runs with two thermoplastics, polycarbonate and polylactide (PLA), and one LSR. The effect of melt processing and altering processing parameters on the material properties was assessed with dimensional, visual, thermal, molecular and mechanical characterization methods. Additionally, as an integral part of the work, operating instructions for the machines were created. Successful moulded parts were achieved with all trial materials. Processing of the thermoplastic polymers was considered more difficult compared to the LSR, due to the numerous adjustable processing parameters and persistent blockage and ejection issues. The most important processing parameters for the thermoplastics were narrowed down to plastification temperature, injection pressure and cooling time. For LSR, the most significant parameters were mould temperature and vulcanization time. The high temperatures involved in injection moulding are known to induce degradation, causing breakage of polymer chains, which in turn results in decreased thermal, molecular and mechanical properties. This was confirmed with thermal characterization, which revealed decreased glass transition and melt temperatures for the thermoplastic polymers. Additionally, the molecular weights (MW) of the thermoplastics decreased during processing. The MW of PLA decreased more significantly due to its biodegradability. Increasing plastification temperatures generally caused more prominent loss of molecular properties resulting in decreased mechanical properties. Injection pressure did not have significant effect on the viscous or mechanical properties of the thermoplastics. Higher mould temperatures in LSR injection moulding resulted in increased mechanical properties, likely due to enhanced curing, whereas vulcanization time did not have a significant effect. In conclusion, the injection moulding machines functioned well and their operation was intuitive. This work can be used as an introduction into injection moulding, and as aid in future projects with the machines with the help of the results and operating instructions.

Ruiskuvalu on monipuolinen valmistusprosessi, jota käytetään pääasiassa polymeerimateriaalien massatuotantoon. Ruiskuvalua käytetään monilla teollisuudenaloilla, mukaan lukien lääketieteessä, eri muotoisten ja kokoisten muoviosien valmistukseen. Perinteinen ruiskuvaluprosessi koostuu polymeerin sulattamisesta ja ruiskuttamisesta muottiin, joka jäähdyttää ja jähmettää polymeerin antaen sille halutun muodon. Nestemäisen silikonikumin (LSR) valu eroaa perinteisestä ruiskuvalusta siten, että nestemäinen silikoni ruiskutetaan jäähdytetystä koneesta lämmitettyyn muottiin, joka kovettaa silikonin lopulliseen muotoon. Molemmat prosessit sisältävät lukuisia prosessointiparametreja, jotka vaikuttavat muovattujen osien ominaisuuksiin. Näitä ominaisuuksia ja prosessoinnin vaikutusta niihin voidaan tutkia polymeerien karakterisointimenetelmillä. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli ottaa käyttöön kaksi uutta ruiskuvalukonetta, Babyplast 6/12 Standard termoplastisille materiaaleille ja Babyplast 6/12 LSR nestemäisille silikonikumeille. Tämä käyttöönotto toteutettiin koeajoilla kahdella kestomuovilla, polykarbonaatilla ja polylaktidilla (PLA), sekä yhdellä LSR:llä. Sulakäsittelyn ja muuttuvien prosessointiparametrien vaikutusta materiaalien ominaisuuksiin arvioitiin dimensionaalisilla, visuaalisilla, termisillä, molekulaarisilla ja mekaanisilla karakterisointimenetelmillä. Lisäksi olennaisena osana työtä luotiin koneille käyttöohjeet. Kaikki koeajomateriaalit tuottivat onnistuneesti muotoiltuja kappaleita. Termoplastisten polymeerien prosessointi koettiin haastavammaksi verrattuna LSR:ään, johtuen lukuisista säädettävistä prosessointiparametreista sekä jatkuvista tukkeutumis- ja irrotusongelmista. Kestomuovien tärkeimmät käsittelyparametrit rajattiin plastifikaatiolämpötilaan, ruiskutuspaineeseen ja jäähdytysaikaan. LSR:lle merkittävimmät parametrit olivat muotin lämpötila ja vulkanointiaika. Ruiskuvaluun liittyvien korkeiden lämpötilojen tiedetään aiheuttavan termistä hajoamista, mikä johtaa polymeeriketjujen katkeamiseen, joka puolestaan heikentää polymeerien termisiä, molekulaarisia ja mekaanisia ominaisuuksia. Lämpökarakterisointi osoitti termoplastisten polymeerien lasisiirtymä- ja sulamislämpötilan alenemisen. Lisäksi kestomuovien molekyylimassat (MW) laskivat sulakäsittelyn aikana. PLA:n MW laski merkittävämmin sen biohajoavuuden vuoksi. Plastifikaatiolämpötilan nousu aiheutti yleisesti molekyyliominaisuuksien suuremman alenemisen, mikä puolestaan johti mekaanisten ominaisuuksien heikkenemiseen. Ruiskutuspaineella ei ollut merkittävää vaikutusta kestomuovien viskoosisiin tai mekaanisiin ominaisuuksiin. Korkeammat muotin lämpötilat LSR-ruiskuvalussa paransivat mekaanisia ominaisuuksia, todennäköisesti parantuneen kovettumisen ansiosta, kun taas vulkanointiajalla ei ollut merkittävää vaikutusta. Yhteenvetona ruiskuvalukoneet toimivat hyvin ja niiden käyttö oli intuitiivista. Tätä työtä voidaan käyttää johdantona ruiskuvaluun ja sen tuloksia ja käyttöohjeita apuna tulevissa projekteissa laitteiden kanssa.