Silikonüberspritzung Dieses Verfahren revolutioniert die Fertigung und ermöglicht die Herstellung langlebiger, ergonomischer und leistungsstarker Bauteile für verschiedenste Branchen. Dabei wird flexibles Silikon in einem einzigen Schritt auf ein starres Substrat wie Kunststoff, Metall oder Glas aufgebracht. Das Ergebnis ist eine nahtlose Verbindung, die strukturelle Festigkeit mit der Flexibilität, dem Tragekomfort und der Beständigkeit von Silikon gegenüber Umwelteinflüssen vereint.
Flüssigsilikon-Umspritzung (LSR-Umspritzung) ist die bevorzugte Methode zur Herstellung zuverlässiger, multifunktionaler Teile, von medizinischen Griffen bis hin zu elektronischen Steckverbindern. Dieser Artikel behandelt alles, was Sie darüber wissen müssen. SilikonüberspritzungVon den Grundlagen und Materialien bis hin zu den Prozessen, Vorteilen und Anwendungsbereichen in verschiedenen Branchen.
Gemäß ASTM D395-Prüfung weisen silikonumspritzte Bauteile Druckverformungsrestwerte von 20-40 % auf und gewährleisten so eine langfristige Dichtungsleistung.[1]..
Was ist Silikon-Umspritzung?
Silikon-Umspritzen ist ein mehrstufiges Spritzgießverfahren, bei dem flexibles Silikonmaterial direkt auf ein starres Substrat umspritzt wird, um ein einzelnes, integriertes Bauteil zu erzeugen. Es handelt sich im Wesentlichen um ein Zweikomponenten-Spritzgießverfahren, bei dem zunächst ein Basissubstrat, typischerweise aus Kunststoff oder Metall, hergestellt und anschließend Silikon darauf aufgetragen wird.
Dieses Verfahren kombiniert die strukturelle Festigkeit des Substrats mit den einzigartigen Eigenschaften von Silikon: Temperaturbeständigkeit (-60 °C bis 230 °C), Biokompatibilität und hervorragende Griffigkeit. Das Ergebnis ist ein langlebiges Hochleistungsbauteil, das die Festigkeit des Substrats mit den besonderen Eigenschaften von Silikon vereint.
Der Haftungsmechanismus beim Silikon-Umspritzen beruht im Wesentlichen auf zwei Methoden: chemischer Bindung und mechanischer Verzahnung. Chemische Bindung entsteht, wenn Silikon molekulare Adhäsion mit entsprechend vorbereiteten Substratoberflächen bildet.
Gemäß den ASTM-D2000-Klassifizierungsstandards weist Silikonkautschuk (VMQ/LSR) eine ausgezeichnete Haftung auf Metallen und Hochtemperaturkunststoffen auf, wenn die Oberflächenenergie 38 dyn/cm² übersteigt.[2]..
Wie es sich von herkömmlichen Formteilen unterscheidet
Traditionelle Spritzgießverfahren arbeiten mit einzelnen Materialien, während Umspritzen mehrere Materialien mit sich ergänzenden Eigenschaften kombiniert. Zudem ermöglicht das Umspritzen nahtlose Übergänge zwischen harten und weichen Bauteilen, ohne dass zusätzliche Montageschritte erforderlich sind.
Dieses Verfahren bietet im Vergleich zu herkömmlichen Formgebungsverfahren eine bessere Griffigkeit, verbesserte Ergonomie und einen besseren Umweltschutz. Darüber hinaus entfällt durch das Silikon-Umspritzen die manuelle Montage, wodurch die Arbeitskosten gesenkt und die Gesamtlebensdauer des Produkts durch die direkte Materialverbindung erhöht wird.
Die beim Silikon-Umspritzen verwendeten Materialien
Das Silikon-Umspritzen beruht im Wesentlichen auf der Kombination von starren Substraten mit flexiblen Silikonmaterialien. Durch dieses Verfahren werden unterschiedliche Materialeigenschaften vereint, um Bauteile mit verbesserter Funktionalität und Haltbarkeit herzustellen.
Zu den Optionen für starre Substrate gehören:
Thermoplaste Es muss die strukturelle Integrität gewährleisten. Es muss eine Erweichungstemperatur über 170 °C aufweisen, um dem Silikonhärtungsprozess standzuhalten. Gemäß ASTM D2000 sind folgende Materialien geeignet:
- PBT (Polybutylenterephthalat): Wärmeformbeständigkeitstemperatur 150-160 °C
- PPS (Polyphenylensulfid): Dauereinsatztemperatur 200-240 °C
- PEEK (Polyetheretherketon): Wärmeformbeständigkeitstemperatur 315 °C
- PC (Polycarbonat): Wärmeformbeständigkeitstemperatur 130-145°C
Metallindustrie einschließlich Edelstahl, Aluminium und Messing, die bei entsprechender Oberflächenbehandlung und Grundierung eine hervorragende Festigkeit aufweisen.
Verstärkte Kunststoffe Beispielsweise erhöhen glasfaserverstärkte oder kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe die Steifigkeit.
Für die flexible Schicht verwenden die Hersteller zwei Arten von Silikon:
- Flüssigsilikonkautschuk (LSR)Maissirupähnliche Konsistenz, erfordert Platinkatalysator, ausgezeichnete Chemikalienbeständigkeit, Zugfestigkeit, Druckverformungsrest, Hitzebeständigkeit, extreme Tieftemperaturflexibilität
- Hochkonsistenter Kautschuk (HCR)Höhere mechanische Festigkeit für anspruchsvolle Anwendungen
Eigenschaften von Silikonmaterialien (gemäß ASTM/ISO-Normen)[3]..
| Härte (Ufer A) | 10. - 80 | ASTM D2240 |
| Zugfestigkeit | 6 - 12 MPa | ASTM D412 |
| Bruchdehnung | 200% – 800% | ASTM D412 |
| Reißfestigkeit | 15 – 47 kN/m | ASTM D624 |
| Druckverformungsrest (22h bei 175°C) | 20% – 40% | ASTM D395 |
| Signaldichte | 1.11 – 1.20 g/cm³ | ASTM D792 |
| Umgebungstemperaturbereich | -60 ° C bis + 230 ° C | - |
Leitfaden zur Materialverträglichkeit
Für ein erfolgreiches Umspritzen ist die Auswahl kompatibler Substrat- und Silikonmaterialien entscheidend. Die folgende Kompatibilitätsmatrix basiert auf Branchentests und der über 18-jährigen Produktionserfahrung von Fecision. [4]..
| Substrat | Bindungsebene | Grundierung erforderlich | Notizen |
| PC (Polycarbonat) | Ausgezeichnet | Nein | Starke chemische Bindung |
| ABS | Sehr gut | Optional | Weit verbreitet in der Elektronik |
| PBT | Gut | Empfohlen | Hohe Wärmeformbeständigkeit |
| PA (Nylon) | Moderat | Ja | Hohe Feuchtigkeitsaufnahme |
| PP | schlecht | Sondergüte | Geringe Oberflächenenergie |
| Edelstahl | Ausgezeichnet | Ja | Stark mit Primer |
| Aluminium | Sehr gut | Ja | Saubere Oberfläche ist entscheidend |
Bei der Materialauswahl müssen Kompatibilitätsfaktoren sorgfältig berücksichtigt werden. Die Glasübergangstemperatur des Substrats sollte über 300 °C liegen, um eine ordnungsgemäße Aushärtung des LSR zu gewährleisten. Die Dicke des Umspritzmaterials sollte geringer oder gleich der Dicke des Substrats sein. Einige LSR-Typen, sogenannte primerlose oder selbstklebende Silikone, können ohne Primer direkt auf Kunststoffen haften, was den Prozess vereinfacht.
Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Silikon-Umspritzen
Silikon-Umspritzen erfordert in jedem Arbeitsschritt Präzision, um eine optimale Haftung und Funktionalität zu gewährleisten. Lassen Sie uns jeden kritischen Schritt dieses Prozesses durchgehen.
1. Untergrundvorbereitung
Die Grundlage des Umspritzens bildet die Wahl des Substrats. Thermoplaste müssen Erweichungstemperaturen über 170 °C aufweisen, um dem Silikonhärtungsprozess standzuhalten. Materialien wie PBT, PPS und PEEK eignen sich gut als Basiskomponenten.
Beim Umspritzen mit Einlegeteilen verhindert eine sorgfältige Prüfung Maßabweichungen, die zu einer ungenauen Passung der Form führen können. Die Oberflächenrauheit sollte gemäß ISO 4287 für eine optimale Haftung auf 1.6–3.2 μm Ra eingestellt werden.
Die Oberflächenbehandlung ist für eine erfolgreiche Verklebung entscheidend. Verunreinigungen wie Öle und Trennmittel können eine ordnungsgemäße chemische Verbindung verhindern. Empfohlene Oberflächenbehandlungen umfassen:
- Plasmabehandlung: Erzeugt Mikrorauhigkeit für die mechanische Verbindung
- Koronaentladung: Aktiviert Oberflächenenergie für verbesserte Haftung
- Chemische Grundierungen: 30 Minuten bis 2 Stunden vor dem Formen auftragen.
2. Oberflächenreinigung und -behandlung
Verunreinigungen wie Ölreste und Trennmittel können die Haftung der Materialien beeinträchtigen. Daher ist eine gründliche Reinigung vor Beginn des Umspritzprozesses unerlässlich.
Zur Verbesserung der Haftung setzen Hersteller üblicherweise verschiedene Methoden ein: Sie integrieren beispielsweise dezente Hinterschneidungen in die Bauteilkonstruktion, um die Haftung des Silikons zu optimieren; sie tragen eine Grundierung auf, die 30 Minuten bis 2 Stunden zum Trocknen benötigt; oder sie verwenden Oberflächenbehandlungsverfahren wie Plasmabehandlung, Koronaentladung oder Sandstrahlen, um die Oberfläche für die Verklebung besser geeignet zu machen. Für eine zuverlässige chemische Verbindung muss die Oberflächenenergie 38 Dyn/cm überschreiten.
3. Formvorbereitung und Vorheizen
Formen müssen so konstruiert sein, dass sie die Substrate dem Einspritzdruck standhalten, ohne sie zu beschädigen. Das Vorwärmen von Kunststoff- und Metalleinsätzen verbessert die Haftung. Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt sollten jedoch nicht vorgewärmt werden. Die Temperaturkontrolle ist während des gesamten Prozesses entscheidend. Für eine optimale Aushärtung liegt die Formtemperatur typischerweise zwischen 150 und 200 °C.
4. Silikoninjektion
Das Silikon-Umspritzen erfolgt meist in zwei Schritten. Das Substrat wird in eine spezielle Formkavität eingelegt, die Form schließt sich und das LSR-Material wird direkt auf das Substrat eingespritzt. Die beiden Silikonkomponenten (A+B) werden vor dem Einspritzen im Verhältnis 1:1 gemischt. Das Material fließt durch gekühlte Angusskanäle in beheizte Kavitäten, wo die Vulkanisation stattfindet. Der Einspritzdruck liegt je nach Bauteilgeometrie zwischen 50 und 150 MPa.
5. Aushärten und Abkühlen
Beim Aushärten vulkanisiert das Silikon unter spezifischen Temperatur- und Druckbedingungen. Diese chemische Reaktion erfordert ein adäquates Wärmemanagement, typischerweise 170–220 °C. Die Abkühlphase beträgt 70–80 % der Formgebungszeit. Die Aushärtungszeit liegt je nach Bauteildicke und Materialhärte zwischen 5 und 30 Sekunden.
6. Teileentnahme und Endbearbeitung
Nach dem Aushärten werden die Teile aus der Form entnommen. Da LSR ein Duroplast ist, bleibt der Formzustand dauerhaft. Nachbearbeitungsschritte umfassen häufig das Entgraten, um überschüssiges Material an den Trennlinien zu entfernen. Anschließend erfolgt eine Qualitätskontrolle zur Überprüfung von Haftung, Abmessungen und Oberflächenbeschaffenheit. Die Haftfestigkeitsprüfung nach ASTM D903 (Schältest) gewährleistet eine einwandfreie Haftung.
Vorteile der Silikonumspritzung
Hersteller nutzen Silikon-Umspritzung, weil sie viele Vorteile bietet, die herkömmliche Fertigungsmethoden nicht bieten können. Sie verbessert Produktdesign, Komfort und Leistung in Branchen wie dem Gesundheitswesen, der Elektronik und der Automobilindustrie.
1) Besserer Halt und höherer Komfort
Die weiche, gummiartige Textur von Silikon bietet eine hervorragende Haptik und eine rutschfeste Oberfläche, die auch bei Nässe oder Öl für sicheren Halt sorgt. Diese natürliche ergonomische Eigenschaft reduziert die Ermüdung des Anwenders bei längerem Gebrauch von Geräten wie chirurgischen Instrumenten und Handwerkzeugen. Strategisch platzierte Silikonpolster minimieren Druckstellen und erhöhen so den Komfort in der Handhabung.
2) Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit
Produkte mit Silikonumspritzung sind extrem widerstandsfähig gegenüber rauen Umgebungsbedingungen, extremen Temperaturen von -60 °C bis 230 °C und Chemikalien. Diese Beständigkeit gewährleistet die Produktqualität auch nach langjähriger und wiederholter Nutzung. Dank der UV-, Oxidations- und Feuchtigkeitsbeständigkeit des Silikons behalten die Produkte ihr Aussehen und ihre Funktionalität über lange Zeit.
3) Designflexibilität und Ästhetik
Silikon-Umspritzung bietet Designflexibilität und Ästhetik. Das Verfahren ermöglicht vielfältige Farben und Texturen zur Markendifferenzierung, komplexe Formen und individuelle Muster sowie die Kombination von starren und flexiblen Materialien in einem Bauteil. Diese Vielseitigkeit führt zu optisch ansprechenden und funktionalen Produkten.
4) Kosteneffiziente Produktion
Silikon-Umspritzen spart Zeit und Kosten, da nachträgliche Montagearbeiten entfallen. Dadurch gelangen Produkte schneller und kostengünstiger auf den Markt. Der manuelle Montageaufwand wird reduziert und die Produktqualität insgesamt verbessert.
5. Abdichtung und Isolierung
Silikon bildet wasserdichte und luftdichte Barrieren, die empfindliche Elektronik vor Feuchtigkeit, Staub und Verunreinigungen schützen. Neben dem physischen Schutz bietet die Silikonumspritzung eine elektrische Isolierung, die Kurzschlüsse verhindert und die Betriebssicherheit gewährleistet.
Anwendungen in allen Branchen
Das Umspritzen mit flüssigem Silikon findet in vielen Branchen Anwendung, da es Leistung, Komfort und Langlebigkeit verbessert.
1. Medizin- und Gesundheitsgeräte
LSR eignet sich ideal für medizinische Anwendungen, da es körperverträglich, hypoallergen und leicht zu sterilisieren ist. Gemäß den Biokompatibilitätsprüfungsstandards der ISO 10993 erfüllt medizinisches Silikon die Anforderungen für den direkten und indirekten Patientenkontakt. [4].
Medizinische LSR-Produkte müssen die Anforderungen der USP-Klasse VI für pharmazeutische Anwendungen und die Biokompatibilitätsstandards der ISO 10993 erfüllen. Gängige Sterilisationsmethoden sind Autoklavieren (121 °C Dampf), Ethylenoxid (EtO) und Gammabestrahlung (25–50 kGy) ohne Materialbeeinträchtigung. [5]..
- Implantierbare Komponenten (kurzfristig)
- Griffe und Halterungen für chirurgische Instrumente
- Atemschutzmasken und Dichtungen
- Katheterkomponenten
- Drug-Delivery-Systeme
- Tragbare medizinische Geräte
2. Unterhaltungselektronik
Smartphones, Ohrhörer und Smartwatches verwenden umspritztes Silikon für Schutzhüllen, Tastenfelder und ergonomische Armbänder. Dies sorgt für eine hochwertige Haptik, Stoßfestigkeit und Witterungsbeständigkeit. Die elektrischen Isolationseigenschaften (gemäß ASTM D149, Durchschlagsfestigkeit 15–25 kV/mm) schützen empfindliche Bauteile.
3. Industrielle und elektrische Ausrüstung
Silikon-Umspritzung eignet sich auch für ausgewählte industrielle Dichtungsanwendungen, die chemische Beständigkeit und Temperaturstabilität erfordern. In stark beanspruchten Umgebungen schützt die Umspritzung mit flüssigem Silikonkautschuk elektrische Steckverbinder, Schaltschränke und Sensorgehäuse. Die isolierenden Eigenschaften verhindern elektrische Leckagen und Korrosion bei hoher Luftfeuchtigkeit oder hohen Temperaturen.
5. Haushalts- und Küchenprodukte
Die Beständigkeit von Silikon gegenüber Wasser und Reinigungsmitteln macht es ideal für alltägliche Haushaltsgegenstände wie Griffe für Küchenutensilien, Wasserhahn-Armaturen und lebensmittelechte Dosierventile. Seine Flexibilität und Unbedenklichkeit machen es zu einer bevorzugten Wahl für Kochgeschirr und Hygieneprodukte.
6. Sportartikel, Spielzeug und Babyprodukte
Weiches, sicheres und langlebiges Silikon sorgt für mehr Komfort und Sicherheit bei Kinderspielzeug, Babyflaschensaugern und Sportartikeln. Dank des ungiftigen und temperaturstabilen Silikons sind diese Produkte sicher für den täglichen Gebrauch.
Die Beständigkeit von Silikon gegenüber Wasser und Reinigungsmitteln macht es ideal für alltägliche Haushaltsgegenstände wie Griffe für Küchenutensilien und lebensmittelechte Dosierventile. Die Einhaltung der FDA-Vorschrift 21 CFR 177.2600 gewährleistet die Lebensmittelsicherheit.[6]..
Designüberlegungen zum Silikon-Umspritzen
Eine durchdachte Bauteilkonstruktion gewährleistet Fertigungserfolg und optimale Leistung. Wichtige Konstruktionsaspekte sind:
WandstärkeDie Silikonwandstärke sollte zwischen 1.0 mm und 3.0 mm liegen. Dünnere Wände können zu Füllproblemen führen; dickere Wände verlängern die Zykluszeit und erhöhen das Risiko innerer Hohlräume.
EntwurfswinkelEin minimaler Entformungswinkel von 1–2° auf Silikonoberflächen erleichtert das Auswerfen der Teile. Strukturierte Oberflächen erfordern zusätzlich 1° pro 0.025 mm Strukturtiefe.
Mechanische VerriegelungenDurch das Einbringen von Hinterschnitten, Nuten oder Durchgangslöchern in das Substrat wird eine mechanische Verbindung hergestellt. Dieser Ansatz ergänzt die chemische Haftung und verhindert Delamination unter Belastung.
AbschaltkonstruktionScharfe Übergänge zwischen Substrat und Silikon verhindern ein Ausdünnen oder Ausfransen, das zu Delaminationen führen kann. Die Platzierung des Angusses sollte die Fließlänge bis zum Absperrbereich minimieren.
Temperaturkompatibilität: Stellen Sie sicher, dass der Schmelzpunkt des Substrats höher ist als die Aushärtungstemperatur des Silikons (170-220°C).
Oberflächenvorbereitung: Für Metall- und Glassubstrate sind Grundierungen erforderlich; für Kunststoffe wie PC und ABS genügen oft selbstklebende LSRs. Die Oberflächenenergie muss über 38 Dyn/cm liegen.
Mechanische Verriegelungen: Wo die chemische Bindung schwach ist, sollten mechanische Verriegelungselemente wie Hinterschneidungen, Nuten oder Durchgangslöcher zur Verstärkung hinzugefügt werden.
Texturierung: Die Oberflächenstruktur von Substrat und Umspritzung verbessert Haftung, Griffigkeit und Ästhetik.
Die richtige Materialauswahl, die passende Werkzeugkonstruktion und die sachgemäße Oberflächenbehandlung sind entscheidend für den Erfolg beim Flüssigsilikon-Umspritzen. Gemäß den Toleranznormen für Spritzgussformen nach ISO 3302-1: [7].
– Allgemeine Toleranzen: ±0.1-0.2 mm für Abmessungen <10 mm
– Präzisionstoleranzen: ±0.05 mm mit geeigneten Werkzeugen erreichbar
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Fazit
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Referenzen
[1]. ASTM D395 – Standardprüfverfahren für die Eigenschaften von Gummi – Druckverformungsrest ASTM International, 2024
[2]. ASTM D2000 – Standardklassifizierungssystem für Gummiprodukte ASTM International, 2024
[3]. ASTM D2240, D412, D624, D792 – Standardprüfverfahren für Gummieigenschaften ASTM International, 2024
[4]. ISO 10993 – Biologische Bewertung von Medizinprodukten Internationale Organisation für Normung, 2023
[5]. USP Klasse VI – Biologische Reaktivitätstests, In-vivo-Tests, US-Pharmakopöe 2024
[7]. ISO 3302-1 – Gummi – Toleranzen für Produkte Internationale Organisation für Normung, 2014
