كيفية اختيار لزوجة مادة PDMS المناسبة للإزالة الصناعية من القوالب؟

يواجه العديد من مصنّعي القوالب مشكلات متكررة تشمل تمزق السطح الجزئي، والتلوث المتبقي من السيليكون، وعدم انتظام اللمعان، والالتصاق المتكرر للقالب. وغالبًا ما لا تنجم معظم حالات الفشل عن رداءة جودة المواد الأولية، بل من الاختيار غير المناسب لزوجة مادة PDMS.

عامل الإفلات البوليديميثيلسيليكون يشكّل فيلم عزل على سطح القالب. وتؤثر لزوجة مادة PDMS مباشرةً على انتظام الطبقة المُطبَّقة، والاستقرار الحراري، وتأثير الترطيب، وعمر طبقة الإفلات الافتراضي. فانخفاض اللزوجة يؤدي إلى تطاير سريع عند درجات الحرارة العالية، بينما تؤدي اللزوجة المرتفعة جدًّا إلى عدم انتظام في الطبقة المُطبَّقة وانحراف أبعادي في المنتجات النهائية.

توضّح هذه المقالة العلاقة بين لزوجة مادة PDMS وفعالية عملية الإفلات، وتحلّل ديناميكية تشكُّل الفيلم، وتوفر معايير محددة لاختيار اللزوجة المناسبة لعمليات الصب بالقالب، والحقن البلاستيكي، والتشكيل المركب. كما نقدّم دليل اختيار عملي شامل لأنسب أنواع اللزوجة حسب طرق التطبيق المختلفة ودرجات حرارة التشغيل.

تخلق اللزوجة توازنًا بين سهولة الإفلات وسلامة سطح المنتج دون عيوب.

سيليكون بولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS) ذي اللزوجة المنخفضة، الذي تقل لزوجته عن ٣٥٠ سانتستوكس (cSt)، يتمتع بسيولة قوية، ويمكنه التدفق بسرعة إلى التجاويف المجهرية الصغيرة جدًّا. وعند استخدامه في الأجزاء البلاستيكية ذات الجدران الرقيقة، يمكن خفض قوة الإخراج من القالب بنسبة تزيد على ٣٠٪. كما يشكِّل طبقة رقيقة جدًّا لا يتجاوز سمكها الميكرون الواحد، مما يمنع المواد البوليمرية من الالتصاق بالقوالب المعدنية. وهذه الخاصية ضرورية جدًّا للأجزاء البصرية والمنتجات المجهرية للسوائل التي تتطلَّب أسطحًا عالية الجودة.

ومع ذلك، فإن هذه الطبقة الوقائية الرقيقة عُرضة للانزلاق والتطاير تحت درجات الحرارة والضغوط العالية. وبمجرد تلف الطلاء، يتعرَّى السطح المعدني، ما يؤدي إلى تشقُّقات سطحية، وعدم انتظام اللمعان، وظهور خدوش معدنية.

يمكن لبوليمر ثنائي الميثيل السيليكوني (PDMS) عالي اللزوجة، الذي تتجاوز لزوجته ١٠٠٠ سانتيستوكس، أن يشكّل أفلامًا واقية سميكة ومتماسكة. وهو مقاوم للأكسدة الحرارية ويمكنه الحفاظ على أداء الإطلاق المستقر لأكثر من ٥٠ دورة صب. وهو مناسب جدًّا لقوالب المركبات الكبيرة والأدوات المعدنية الخشنة. ومع ذلك، فإن سائل السيليكون عالي اللزوجة ينتشر ببطء ويُسبب احتجاز الهواء بسهولة، ما يؤدي إلى ظهور حفر سطحية وخدوش وانحراف في الأبعاد ناتج عن سمك طبقة التغليف الزائد.

يحقِّق بوليمر ثنائي الميثيل السيليكوني (PDMS) متوسط اللزوجة، الذي تتراوح لزوجته بين ٣٥٠ و١٠٠٠ سانتيستوكس، أفضل توازن ممكن. فهو قادر على ترطيب سطح القالب بالكامل، ومقاوم للتحلل الحراري، والحفاظ على استمرارية سلامة الفيلم دون التأثير على دقة المنتج. وفي إنتاج الصب بالبولي يوريثان، يضمن هذا المدى اللزوجي عملية فك القالب النظيفة وجودة السطح المثالية. وقد يؤدي الاختيار غير المناسب للزوجة إلى زيادة نسبة الرفض بنسبة تصل إلى ١٥٪ في خطوط الإنتاج الضخم.

لزوجة مادة البوليديميثيلسيليكون (PDMS) تعكس قوة الاحتكاك الداخلية بين سلاسل الجزيئات السليكونية، والتي تتحكم في الحالة الواجهية أثناء تشكيل الفيلم.

مادة البوليديميثيلسيليكون (PDMS) ذات اللزوجة المنخفضة، التي تحتوي على سلاسل جزيئية قصيرة، تنتشر خلال عدة ثوانٍ. ويمكنها خفض طاقة سطح القالب بسرعة إلى أقل من ٢٥ ملي نيوتن/متر لتحقيق عملية إفلات سهلة. وهي مناسبة للإنتاج المستمر عالي السرعة، لكنها تفتقر إلى مقاومة حرارية جيدة.

مادة البوليديميثيلسيليكون (PDMS) ذات اللزوجة العالية تتسم بتشابك شديد في السلاسل الجزيئية. ولتحقيق طبقة تغليف متجانسة، يتطلب الأمر تطبيق قوة خارجية مثل المسح أو الرش عالي الضغط. وعند تشكُّل الفيلم، فإن البنية الشبكية الكثيفة الناتجة تكون قادرة على تحمل الصدمات الحرارية المتكررة والشيخوخة الأكسيدية.

عند درجة حرارة قالب ثابتة، تكون سماكة الفيلم متناسبة طرديًّا وخطيًّا مع اللزوجة الحركية. ويمكن استخدام اللزوجة كمؤشر دقيق للتنبؤ بأداء الطلاء. ولتحقيق تبليل جيد، يتطلّب الأمر سيولة مناسبة: إذ يجب أن تتغلّب زيت السيليكون على خشونة السطح والعمل الشعري، مع الحفاظ على طبقة طلاء مستمرة دون مناطق عارية محلية. أما اللزوجة غير المعقولة فتؤدي إلى تشكُّل أفلام غير متجانسة وتأثير غير مستقر في عملية الإخراج من القالب.

قد تصل درجة حرارة قالب الصب بالضغط إلى ٦٠٠–٧٠٠°م. ولذلك يجب أن يتفادى عامل الإفلات التبخر السريع، وأن يخترق الفراغات الدقيقة الناتجة عن أكاسيد السطح المعدني.

يتبخّر بولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS) ذي اللزوجة أقل من ٣٥٠ سانتيستوكس فورًا تحت درجات الحرارة العالية، ما يؤدي إلى التصاق سبيكة الألمنيوم بالقالب الصلب وتكوين رواسب أكسيدية. أما زيت السيليكون عالي اللزوجة (أكثر من ١٠٠٠ سانتيستوكس) فلا يمكنه الانتشار بالتساوي تحت تأثير فرق درجات الحرارة، مما يترك مناطق غير محمية.

يُعتبر بوليمير ثنائي الميثيل سيليكون (PDMS) متوسط اللزوجة، الذي تتراوح لزوجته بين ٣٥٠ و١٠٠٠ سنتستوكس، الخيار الأمثل. ويتميّز هذا البوليمير بقدرتها الفائقة على الاختراق الشعري، ما يسمح له بتغطية الانتقاعات الدقيقة جدًّا على سطح القالب، كما يحافظ على أداء حاجزي ثابت عند درجات الحرارة المرتفعة. وأظهرت اختبارات أُجريت عام ٢٠٢٣ في معهد هندسة الأسطح أن بوليمير PDMS ذا اللزوجة ٧٥٠ سنتستوك قلّل التصاق الأكاسيد بنسبة ٣٨٪ مقارنةً بالمنتجات ذات اللزوجة ١٠٠ سنتستوك. وبذلك يُطيل عمر القالب التشغيلي بفعالية ويُثبِّت جودة السطح النهائي، ليصبح المادة السائدة المستخدمة في الصب الضغطي للمعادن غير الحديدية.

يركّز الصب الحقني على تحقيق سرعة إنتاج عالية، ودقة ممتازة، ونقلٍ أمينٍ للتفاصيل السطحية؛ ولذلك تُفضَّل عادةً سوائل السيليكون من نوع PDMS ذات اللزوجة المنخفضة إلى المتوسطة، التي تتراوح لزوجتها بين ١٠ و٣٥٠ سنتستوك.

ينتشر هذا السائل السيليكوني بسرعة فائقة ويشكّل طبقةً رقيقةً جدًّا من مادة الإفلات قبل أن يلامس البلاستيك المصهور سطح القالب. وهذا يؤدي إلى خفض احتكاك الواجهة وتحقيق استقرار تدفّق الكتلة المصهورة، ما يقضي بفعالية على خطوط اللحام، وعلامات التدفق، وحالات النقص في التعبئة.

أثبت اختبار صب البوليبروبيلين لعام 2024 أن استبدال زيت PDMS ذي اللزوجة ٥٠٠ سانتيستوكس بزيت PDMS ذي اللزوجة ١٠٠ سانتيستوك قلّص دورة الصب بنسبة ١٥٪ وخفض معدل العيوب بنسبة ٢٢٪.

اختر اللزوجة وفقًا لهيكل القطعة: فالزيت ذي اللزوجة المنخفضة جدًّا (من ١٠ إلى ٥٠ سانتيستوك) يغمر النقوش الدقيقة والمجاري الضيقة تمامًا، بينما يحافظ الزيت ذي اللزوجة ٣٥٠ سانتيستوك على فيلم متماسك على التجاويف الكبيرة وعلى جدران القوالب الرأسية. ويؤدي التوفيق المناسب بين اللزوجة ومتطلبات التصنيع إلى تحسين الإنتاجية وجودة المنتج وفترة صيانة القالب.

يضمن بوليديميثيلسيليكون ذي اللزوجة المنخفضة دقةً على مستوى الميكرون، وهي ضروريةٌ للمنتجات البصرية والطبية الراقية. ويقاوم زيت السيليكون ذي اللزوجة المتوسطة أكسدة درجات الحرارة العالية ويمنع اللحام الدقيق في عملية الصب بالحقن. أما المنتجات ذات اللزوجة العالية فتكوّن طبقات حاجزية متينة للقوالب الخشنة المُعرَّضة للتآكل والتي تُستخدم في إنتاجٍ منخفض التكرار. ويجب أن تتطابق درجة اللزوجة مع الظروف الحرارية وبُنية القالب ودورة الإنتاج.

تؤثر درجة الحرارة تأثيرًا كبيرًا على اللزوجة الفعلية لسائل السيليكون. وعند ارتفاع درجة حرارة القالب إلى ٧٠٠°م، تنخفض لزوجة مادة الـ PDMS بنسبة تزيد عن ٩٠٪. ولعمليات الصب تحت الضغط التي تتطلب درجات حرارة مرتفعة، يُوصى باختيار سائل سيليكون متوسط اللزوجة ذي قيمة تتراوح بين ٣٥٠ و١٠٠٠ سانتي ستوكس للحفاظ على ثبات سماكة الطبقة المطلية.

تتطلب الأضلاع العميقة والانحناءات التحتية والقنوات الدقيقة استخدام زيت سيليكون منخفض اللزوجة تتراوح قيمته بين ١٠ و١٠٠ سانتي ستوكس لتجنب احتجاز الهواء وعدم اكتمال الترطيب. أما التجاويف المفتوحة الكبيرة فيمكنها استخدام زيت سيليكون أعلى لزوجةً لتعزيز تماسك الغشاء. أما الإنتاج المستمر عالي السرعة فيتطلب استخدام مادة الـ PDMS ذات اللزوجة المنخفضة إلى المتوسطة والتي تنتشر بسرعة لإكمال التغطية الكاملة قبل حقن المادة.

تتطلب مسدَّات الرش استخدام مادة الـ PDMS منخفضة اللزوجة التي تتراوح قيمتها بين ١٠ و١٠٠ سانتي ستوكس لتحقيق تفتت جيد. ويمكن لتقنية الرش الكهروستاتيكي أن ترفع الحد الأعلى لهذه القيمة إلى ١٥٠ سانتي ستوكس. أما الطلاء اليدوي بالفرشاة أو المسح فهو مناسب لزيت السيليكون ذي اللزوجة ما بين ١٠٠ و٣٥٠ سانتي ستوكس، إذ يلتصق هذا الزيت بالأسطح الرأسية ويُسوِّي نفسه تلقائيًّا.

يتطلب الصب بالقالب وجود فيلم واقي كثيف بسماكة تتراوح بين ٠٫٥ و٢ ميكرون، ولذلك يُختار درجة لزوجة متوسطة. أما صب الحقن فيتطلب طبقة إفلات أرق من ٠٫٣ ميكرون لتفادي الأخطاء البعدية، وبالتالي تُستخدم درجة لزوجة منخفضة. والهدف النهائي هو تحقيق تغطية كاملة خالية من الترهل، وهو ما يعتمد على التنسيق بين اللزوجة وعملية التطبيق.

ما هي لزوجة مادة الـ PDMS ولماذا تهم في عمليات الإفلات من القوالب؟ تمثل لزوجة مادة الـ PDMS الاحتكاك الداخلي بين سلاسل الجزيئات السيلكونية، وهي تتحكم مباشرةً في انتشار الطلاء، وترطيب السطح، والاستقرار الطويل الأمد للإفلات من القالب.

أي درجة لزوجة من مادة الـ PDMS تكون الأنسب لصب الألمنيوم بالقالب؟ تُعد درجة اللزوجة المتوسطة من مادة الـ PDMS، التي تتراوح بين ٣٥٠ و١٠٠٠ سانتيستوكس، الخيار الأول، إذ توفر توازنًا بين الاستقرار عند درجات الحرارة العالية وقدرة الاختراق، مما يقلل التصاق الأكاسيد ويطيل عمر القالب.

لماذا نختار مادة الـ PDMS ذات اللزوجة المنخفضة لعملية صب الحقن؟ يَنتشِرُ بولي ديميثيل السيليكون (PDMS) ذا اللزوجة من ١٠ سانتستوك إلى ٣٥٠ سانتستوك بسرعةٍ كبيرةٍ ويشكّل أفلام إفلات فائقة الرقّة. وهو يقلّل من دورات الصبّ ويُزيل عيوب السطح مثل خطوط اللحام وعلامات التدفق بشكلٍ فعّال.

كيف تؤثّر درجات الحرارة المرتفعة في لزوجة بولي ديميثيل السيليكون أثناء عملية الصب؟ تؤدّي الحرارة العالية إلى خفضٍ حادٍ في لزوجة زيت السيليكون. ولذلك، يجب على المستخدمين اختيار درجاتٍ أعلى من السانتستوك للحفاظ على فيلم إفلاتٍ كاملٍ في ظروف العمل ذات الحرارة المرتفعة.

ما التطبيقات التي تتطلّب استخدام بولي ديميثيل السيليكون عالي اللزوجة؟ يُستخدم بولي ديميثيل السيليكون ذا اللزوجة بين ٥٠٠٠ سانتستوك و٣٠٠٠٠ سانتستوك في ملء القوالب الخشنة، وفصل القوالب المركبة، وحماية الإفلات طويلة الأمد والشديدة الاستخدام.