Core back moulding, adhesion optimization in the joining area

Abstract

When industries need to make components with two or more materials using just one mould and one machine, they use multi-material injection moulding techniques. One of these techniques is the core back moulding that allows the subsequent injection of two different materials without opening the mould, commonly used for parts with simple geometry, normally a rigid part involved with an elastomer. These moulds are very complex in its structure, therefore the design of the mould, its construction and assembly need to be carefully done to avoid part defects. Moreover, multi-material injection moulding may be a challenge regarding the adhesion between materials, being dependent on materials compatibility, materials rheological characteristics and injection moulding conditions used. The present dissertation addresses the development of a core back mould for the production of a complex bi-material part for the automotive industry and the study of the processing conditions that best promote the adhesion between the materials used. For that different tools where used such as Solidworks for the mould design, and DOE for the design of experiments. The mould development went through several steps such as the design of the injection, cooling, ejection and gas trap systems. Then the mould components were machined and assembled. Finally, the mould was tested and the parts were analysed. A study about the adhesion of the materials in this type of moulds and how the processing conditions influence the interface quality was realised. To simplify that study, a Design of Experiments was performed. This method is used to reduce the number of tests, assuring the reliability of the results. Finally, to analyse the adhesion of the parts, tensile tests were performed. It was concluded that the mould had a good performance. Parts were successfully made and the strength of the joints evaluate. It was concluded that the adhesion between materials was more efficient in the part extremities comparing with the middle zones. These results are attributed to the location of the gate and also the complex geometry of the part. Furthermore, the processing conditions influence the strength of the joint region. The set of values that would optimise PP/EPDM joints are the injection temperature of the second material of 200ºC, the mould temperature of 40ºC and the injection pressure of 80bar.

Quando as indústrias necessitam de fazer componentes com dois ou mais materiais utilizando apenas um molde e uma máquina, utilizam técnicas de moldação por injeção multi-material. Uma destas técnicas é a moldação core back que permite a subsequente injeção de dois materiais diferentes sem abertura do molde, normalmente utilizada para peças com geometria simples, como uma peça rígida envolvida com um elastómero. Estes moldes são muito complexos, pelo que a conceção do molde, a sua construção e montagem precisam de ser realizadas cuidadosamente para evitar defeitos nas peças. Além disso, a moldação multi-material pode ser um desafio no que respeita à adesão entre os materiais, dependendo da compatibilidade dos materiais, características reológicas e condições de processamento. A presente dissertação aborda o desenvolvimento de um molde core back para a produção de uma peça bi-material para a indústria automóvel e o estudo das condições de processamento que melhor promovem a adesão entre os materiais utilizados. Para isso são utilizadas diferentes ferramentas, tais como Solidworks para o desenho do molde, e DOE. O desenvolvimento do molde passou por várias etapas, tais como a conceção dos sistemas de injeção, arrefecimento, ejeção e escape de gás. Em seguida, os componentes do molde foram maquinados e montados. Finalmente, o molde foi testado e as peças foram analisadas. Foi realizado um estudo sobre a adesão dos materiais neste tipo de moldes e como as condições de processamento influenciam a qualidade da interface. Para simplificar esse estudo, foi realizado um Design of Experiments. Este método é utilizado para reduzir o número de ensaios, assegurando a fiabilidade dos resultados. Finalmente, para analisar a adesão das peças, foram realizados ensaios de tração. Concluiu-se que o molde tinha um bom desempenho. As peças foram produzidas com sucesso e a resistência da zona de união foi avaliada. Concluiu-se que a adesão entre os materiais era mais eficiente nas extremidades das peças, em comparação com as zonas médias. Estes resultados devem-se à localização do ponto de injeção e também à complexa geometria da peça. Além disso, as condições de processamento influenciam a resistência da zona de união. O conjunto de valores que otimizariam a adesão da peça PP/EPDM são a temperatura de injeção do segundo material de 200ºC, a temperatura do molde de 40ºC e a pressão de injeção de 80bar.