Aufbringen von dauerhaften, robusten Schablonenmustern aus feinen Partikeln auf elastomere Oberflächen

Summary

Wir stellen eine Methode vor, um dauerhafte Markierungen und Muster auf Silikonoberflächen aufzubringen, indem feine Partikel an der Oberfläche haften. Bei den Markierungen kann es sich entweder um ein erkennbares Design oder um ein zufälliges Speckle-Muster handeln, wie es bei der digitalen Bildkorrelation verwendet wird.

Abstract

Die Entwicklung nichtlinearer, großer Verformungsmodelle für elastomere Verbundwerkstoffe ist eine ständige Herausforderung für Anwendungen in der weichen Robotik, Prothetik und Aufpralldämpfung (z. B. Sporthelme und Polster). Unser Forschungsziel ist es, Modelle zu entwickeln, die das Materialverhalten vorhersagen und genaue Simulationen erstellen. Im Laufe unserer Forschung erkannten wir die wesentliche Notwendigkeit, die Verformung des Oberflächenfeldes experimentell zu erfassen, was es uns ermöglichen würde, robuste konstitutive Beziehungen zu entwickeln.

Gängige optische Tracking-Techniken, wie z. B. digitale Bildkorrelation (DIC) und Gitter-Tracking, erfordern ein Muster auf der Oberfläche der Probe, um das Oberflächenverschiebungsfeld zu verfolgen und zu berechnen. Die inhärent niedrige Oberflächenenergie der meisten elastomeren Materialien, wie z. B. ausgehärteter Silikone, verhindert jedoch eine dauerhafte Markierung der Oberfläche. Mit anderen Worten, es ist nahezu unmöglich, Oberflächenverfolgungsmuster auf dem Material anzubringen, die sich beim Umgang mit der Probe nicht leicht abwischen oder verschmieren lassen. Darüber hinaus können große Verformungsexperimente dazu führen, dass sich das ursprüngliche Oberflächenmuster verformt, reißt oder abplatzt.

Hier stellen wir ein neuartiges Verfahren zum Sprühen von Gießmodellen von Pulvermarkierungen auf der Innenfläche von Formen vor dem reaktiven Spritzgießen unserer Elastomerteile vor. Wir haben dieses einfache Verfahren entwickelt, mit dem während des Herstellungsprozesses dauerhafte, hochoriginalgetreue Oberflächenmuster auf die Silikon- oder Elastomerproben aufgebracht werden können. Die Oberflächenmuster können von zufälligen Speckle-Mustern, die in DIC verwendet werden, bis hin zu detaillierten mehrfarbigen Mustern reichen. Diese neuen, robusten Muster können großen zyklischen Belastungen standhalten, ohne zu verblassen oder zu reißen, und ermöglichen eine einfache Markierung von Silikonen in Labor- und Industrieumgebungen.

Introduction

Die Charakterisierung von Material mit großer Verformung unter fortgeschrittenen Belastungsszenarien führt tendenziell zu einer inhomogenen Dehnung^von 1,2,3,4,5. Um diese inhomogene Dehnung genau zu modellieren, muss der Experimentator die Oberflächen- oder Volumenkinematik erfassen. Die gebräuchlichsten Techniken zur Erfassung von Oberflächen- oder Volumenkinematiken werden als optische Nachführtechniken bezeichnet. Digitale Bildkorrelation (DIC) und Gitterverfolgung sind die beiden gebräuchlichsten optischen Nachführtechniken in der Literatur für Oberflächenkinematik, und beide erfordern sichtbare Muster auf der Oberfläche der Probe ^6,7.

Betrachten Sie ein magnetorheologisches Elastomer (MRE), das aus einem Bulk-Silikon besteht, dessen feine Eisenpartikel in der Bulk-Matrix suspendiert sind. Die Probe kann sich gleichzeitig sowohl durch klassische mechanische Lasten an den Rändern als auch durch ein angelegtes Magnetfeld, das als berührungslose Kraft klassifiziert wird, verformen. In diesem und anderen analogen Belastungsszenarien ist es zwingend erforderlich, dass der Experimentator die Oberflächenkinematik erfasst, da die homogene Dehnungsannahme in gängigen Belastungsmodi nicht mehr gültig ist. Es gibt mehrere Techniken zur Markierung der Oberfläche von gummiartigen Proben, wie z. B. die einfache Verwendung eines kontrastreichen Markers oder einer Farbe ^2,6. Experimentatoren haben auch kosmetische Grundierung auf biologische Gewebeproben aufgetragen, bevor sie die Probe markierten ^3,5. In beiden Fällen besteht das Ziel darin, sowohl dauerhafte als auch hochgenaue Markierungen auf dem Exemplar anzubringen. Die Dauerhaftigkeit ist notwendig, um zu verhindern, dass Markierungen während der Handhabung und der zyklischen mechanischen Prüfung verblassen oder von der Probenoberfläche abblättern. Eine hohe Linienauflösung oder "Fidelity" ist für eine genaue Bildanalyse und die Verfolgung der Verformung unerlässlich.

Hier stellen wir eine Methode vor, mit der Silikonproben mit dauerhaften, hochauflösenden Markierungen versehen werden können, indem feine Partikel während der Herstellung an der Oberfläche der Probe haften, anstatt erst nach der Erstellung der Probe. Das gewünschte Muster, sei es ein kompliziertes mehrfarbiges Design oder ein zufälliges Speckle-Muster, das in DIC verwendet wird, wird vor dem Spritzgießprozess auf das Innere des Formhohlraums aufgebracht (Abbildung 1). Die feinen Partikel werden in Alkohol suspendiert und anschließend mit einer Airbrush oder einem ähnlichen Werkzeug aufgetragen. Das Muster wird auf die Form aufgebracht. Sobald der Alkohol verdampft ist, wird die Form geschlossen und das nicht ausgehärtete duroplastische Elastomermaterial in die Form eingespritzt. Nach dem Aushärten wird die feste Probe entnommen, wobei das Muster dauerhaft in die Oberfläche eingebettet ist.

Abbildung 1: Flussdiagrammprotokoll zum Aufkleben von High-Fidelity-Mustern auf Silikonoberflächen. Das Flussdiagramm oder der Entscheidungsbaum für unseren Prozess. Diese Nummerierung und Beschriftung der einzelnen Schritte im Flussdiagramm entspricht der Protokollbeschreibung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Protocol

ACHTUNG: Die geeignete persönliche Schutzausrüstung (PSA) besteht aus einer Brille, einem Laborkittel, einer N95-Maske, einem Gehörschutz und latexfreien Handschuhen. Latexfreie Handschuhe (d. h. Nitril) sind erforderlich, da Latexhandschuhe den Aushärtungsprozess von Platinsilikonproben hemmen.

1. Erste Vorbereitung

1. Erste Vorbereitung der Formen
   1. Reinigen Sie die Formen mit Wasser und Seife und lassen Sie die Formen trocknen. Wischen Sie die Formen mit Isopropylalkohol ab und lassen Sie die Formen an der Luft trocknen.
2. Erste Vorbereitung der Schablonen
   1. Reinigen Sie die Schablonen mit Wasser und Seife und lassen Sie die Schablonen trocknen. Wischen Sie die Schablonen mit Isopropylalkohol ab und lassen Sie die Schablonen an der Luft trocknen.
3. Erstvorbereitung der Airbrush
   HINWEIS: Je nach Art des verwendeten Luftkompressors kann ein Gehörschutz erforderlich sein. Bei der Verwendung der Airbrush ist ein Abzug erforderlich.
   1. Schließen Sie den Luftkompressor an die Luftbürste an, schließen Sie den Luftkompressor an eine geeignete Steckdose an und schalten Sie den Luftkompressor ein. Füllen Sie in einem Abzug mit der entsprechenden PSA die Luftbürste mit Isopropylalkohol und reinigen Sie die Luftbürste, indem Sie sie mehrmals mit Isopropylalkohol durchstreichen lassen.
      HINWEIS: Die Luftbürste muss nach jedem Gebrauch gereinigt werden. Wenn Sie eine Schablone verwenden, fahren Sie mit Abschnitt 2 fort. Wenn Sie keine Schablone verwenden (z. B. für die Anwendung von DIC-Speckle-Mustern), fahren Sie mit Abschnitt 3 fort.

2. Vorbereitung der Schablonenform

ACHTUNG: Beim Umgang mit dem Sprühkleber oder dem Formtrennmittel ist ein Abzug erforderlich.

1. Tragen Sie den Sprühkleber auf die Schablone auf.
   1. Legen Sie die Schablone in einen Abzug mit der entsprechenden PSA auf ein Papiertuch und tragen Sie eine Schicht des Sprühklebers auf die Schablone auf. Halten Sie beim Aufsprühen des Klebstoffs auf die Schablone die Sprühdüse ca. 30 cm von der Schablone entfernt und sprühen Sie in einer gleichmäßigen, kontinuierlichen Bewegung. Warten Sie 30 s bis 60 s, bis die Schablone klebrig, aber nicht mehr nass ist, bevor Sie mit Schritt 2.2 fortfahren.
      HINWEIS: Es ist nur ein Durchgang erforderlich; Zu viel Klebstoff erschwert das spätere Entfernen der Schablone aus der Form.
2. Kleben Sie die Schablone auf die Form.
   1. Legen Sie die Form in einen Abzug mit der entsprechenden PSA auf ein Papiertuch. Nehmen Sie die Schablone vorsichtig mit sauberen, latexfreien Handschuhen auf, achten Sie darauf, den Klebstoff nicht zu beschädigen, und platzieren Sie die Schablone auf der Form, wobei die Klebeseite der Schablone die Form berührt. Glätten Sie die Schablone, indem Sie mit einem Finger fest über die Schablone fahren, um einen gleichmäßigen Kontakt mit der Form zu gewährleisten.
      HINWEIS: Ein gleichmäßiger Kontakt mit der Form ist erforderlich, um diffuse Musterkanten zu vermeiden und scharfe Merkmale zu erhalten.
3. Lege das Schablonenband auf die Form.
   1. Klebe die Ränder der Schablone mit Malerklebeband an die Form. Fahren Sie mit Schritt 4 fort.
      HINWEIS: Dieser Schritt stellt sicher, dass die Schablone an der Form befestigt ist, um eine Trennung der Schablonenkanten von der Form zu verhindern.

3. Vorbereitung der DIC-Speckle-Form

1. Tragen Sie das Formtrennmittel auf die Form für DIC Speckle auf.
   1. Legen Sie die Form in einen Abzug mit der entsprechenden PSA mit der Oberfläche des Formhohlraums nach oben auf ein Papiertuch. Tragen Sie Formtrennmittel auf die Form auf, indem Sie die Form mit einer Schicht Formtrennmittel besprühen. Wenn Sie das Formtrennmittel auf die Form sprühen, halten Sie die Sprühdüse etwa 12 Zoll von der Form entfernt und sprühen Sie in einer gleichmäßigen, kontinuierlichen Bewegung.
      HINWEIS: Es wird nur ein Durchgang benötigt. Zu viel Formtrennmittel ist jedoch unproblematisch.

4. Airbrush-Vorbereitung

HINWEIS: Für den Umgang mit feinem Pulver sind ein Abzug und eine N95-Maske erforderlich.

1. Erste Vorbereitung der feinen Pulversuspension
   1. Bereiten Sie in einem Abzug mit geeigneter PSA eine 45-ml-Suspension aus Isopropylalkohol und feinem Pulver (Graphit oder farbiges Pigment) vor (Abbildung 2). Geben Sie dazu mit einem Trichter oder einem kleinen Löffel, wie in Abbildung 2A gezeigt, etwa 10 ml feines Pulver in ein Reagenzglas und fügen Sie Isopropylalkohol hinzu, um das verbleibende Volumen des Reagenzglases auf 45 ml Gesamtvolumen zu füllen. Verschließen Sie das Reagenzglas und schütteln Sie es kräftig (siehe Abbildung 2C für ein Beispiel für die resultierende Suspension).
      HINWEIS: Füllen Sie die Luftbürste zu diesem Zeitpunkt nicht, um ein Verstopfen der Luftbürstendüse zu vermeiden.
2. Befüllen der Luftbürste vor dem Sprühen (Abbildung 2D).
   HINWEIS: Dieser Schritt sollte unmittelbar vor der Verwendung der Airbrush durchgeführt werden. Die Airbrush sollte nicht mit der Pulversuspension im Airbrush-Behälter stehen, da die Airbrush sonst verstopft.
   1. Die vorgemischte Suspension aus Schritt 4.1 erneut schütteln. Gießen Sie die Suspension in den Airbrush-Behälter, bis 75 % des Volumens des Airbrush-Behälters gefüllt sind.
      HINWEIS: Füllen Sie den Airbrush-Behälter nicht vollständig, da der Winkel der Airbrush zum Verschütten führen würde. Wenn Sie eine Schablone verwenden, fahren Sie mit Abschnitt 5 fort. Wenn Sie keine Schablone verwenden, fahren Sie mit Abschnitt 6 fort.

Abbildung 2: Vorbereiten der Airbrush mit Graphitlösung. (A) Einsetzen des Graphitpulvers in das Reagenzglas; (B) 10 ml Graphitpulver, (C) Lösung aus Isopropylalkohol und Graphitpulver. (D) Füllen Sie die Airbrush unmittelbar vor der Verwendung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

5. Sprühen Sie die Form mit der Schablone ein (Abbildung 3)

1. Sprühen der Feinkornsuspension
   1. Schalten Sie den Kompressor ein. Stellen Sie sicher, dass der Luftdruck des Kompressors 1,38 bis 1,72 bar (20-25 psi) beträgt.
   2. Richten Sie die Form im Abzug mit der aufgeklebten Schablone in einem leicht vertikalen Winkel aus, so dass das Spray in einem 90°-Winkel aufgetragen wird. Richten Sie die Airbrush leicht von der Seite der Form ab, um sicherzustellen, dass das Spray vor oder vor der Form beginnt.
   3. Ziehen Sie den Auslöser der Airbrush vorsichtig zurück. Sobald die Airbrush zu sprühen beginnt, tragen Sie die erste Schicht der Suspension sanft auf. Halten Sie beim Sprühen der Suspension auf die Schablone und die Form die Sprühdüse etwa 30 cm von der Oberfläche entfernt und sprühen Sie in einer gleichmäßigen, kontinuierlichen Bewegung, wie in Abbildung 3C gezeigt.
   4. Lassen Sie den Airbrush-Auslöser los und beobachten Sie, ob die Feinstaubsuspension gleichmäßig auf die Oberfläche aufgetragen wird. Tragen Sie bei Bedarf zusätzliche Schichten der Suspension auf die Oberfläche der Schablone auf und formen Sie sie.
2. Entfernen der Schablone aus der Form (Abbildung 4)
   1. Warten Sie, bis die feinen Partikel sichtbar trocken sind, bevor Sie die Schablone entfernen (mindestens 180 bis 300 s), da es sonst zu Verschmieren kommen kann. Der negative Raum der Schablone scheint mit dem feinen Partikelpulver gefüllt zu sein, da der Isopropylalkohol verdampft ist.
   2. Entfernen Sie das Malerband von der Oberseite (kürzeres Ende) der Form und ziehen Sie das Malerband langsam und gleichmäßig nach oben. Die Schablone löst sich zusammen mit dem Malerband, wie in Abbildung 4A gezeigt.

Abbildung 3: Airbrush-Auftragen von Graphitlösung. (A) Vorbereitete Formen aus Protokollabschnitt 2. (B) Schablone mit quadratischer Anordnung von kreisförmigen Löchern vor dem Sprühen. (C) Besprühen Sie die vorbereitete Form mit Lösung. (D) Gitterschablone nach dem Sprühen. Maßstabsleisten = 2 mm (B,D). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Entfernen der Schablone und Inspektion der gemusterten Formoberfläche. (A) Entfernen der Schablone aus der Form. (B) Beispiel: Schimmelpilze, nachdem man Alkohol verdunsten ließ. (C) Vergrößerte Ansicht des Gitters auf der Form vor dem Spritzgießen. Maßstabsleiste = 1 mm (C). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

6. Sprühen Sie die Form ohne Schablone

1. Sprühen eines DIC-Speckle-Musters auf die Form (Abbildung 5)
   1. Schalten Sie den Kompressor ein. Stellen Sie sicher, dass der Luftdruck des Kompressors 0,34 bis 0,69 bar (5-10 psi) beträgt.
   2. Richten Sie die Form ohne Schablone in einem leicht vertikalen Winkel aus, so dass das Spray in einem 90°-Winkel aufgetragen wird.
   3. Testen Sie die Airbrush, indem Sie den Auslöser kurz zusammendrücken, während Sie auf ein Ersatzblatt Papier zielen, um sicherzustellen, dass das Speckle-Muster angemessen ist (zufällig räumlich verteilt, korrekte Größenverteilung der Flecken für die Vergrößerung des experimentellen Bildgebungsaufbaus).
   4. Streichen Sie mit dem Auslöser über die Form, um das Speckle-Muster auf der Form zu erzeugen, wie in Abbildung 5C gezeigt. Warten Sie, bis die feinen Partikel sichtbar trocken sind (mindestens 180 bis 300 s), da die Suspension sonst verschmieren kann.
      HINWEIS: Die Speckle-Größe kann durch Ändern des Luftdrucks angepasst werden.

Abbildung 5: Sprühen eines zufälligen Musters auf die Form. (A) Betätigen Sie den Airbrush-Auslöser, um ein Speckle-Muster zu erstellen. (B) Speckle-Muster auf der Form. (C) Speckle-Muster auf der Form. (D) Vergrößertes Sprenkelmuster. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

7. Bauen Sie die Form zusammen (Abbildung 6)

1. Baue die Form zusammen.
   1. Bauen Sie die Form(en) vorsichtig zusammen, um sie für den Spritzgussprozess vorzubereiten.
      HINWEIS: Der Experimentator kann mindestens mehrere Tage pausieren, bevor er seinen Spritzgießprozess durchführt. Die Spritzgießgeschwindigkeit sollte reduziert werden, um ein Verschmieren der feinen Partikel zu vermeiden.

Abbildung 6: Montage von Formen. (A) Platten- und Scheibenformen vollständig montiert, (B) Montage der Scheibenform, (C) Montage der Plattenform. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Results

Für den Experimentator, der ein Modell verfolgt, das die mechanischen Eigenschaften eines bestimmten Materials darstellt, ist es notwendig, mehrere verschiedene Experimente mit einem Satz von Proben mit einer Vielzahl von Geometrien durchzuführen. Beispiele für Proben, die mit dieser Technik hergestellt wurden, sind in Abbildung 7 dargestellt. Abbildung 7A zeigt eine Ecoflex-Silikonplatte mit schwarzem Gitterdesign auf einer weißen Probe. Die abgebildete Seite hat ein schwarzes Gitter und die Rückseite eine schwarze DIC-Sprenkelung. Abbildung 7B zeigt eine Ecoflex-Silikonplatte mit weißem Gitterdesign auf einer schwarzen Probe. Genau wie die in Abbildung 7A gezeigte Probe weist die Probe in Abbildung 7B auf der Rückseite das DIC-Speckle-Muster auf, das aus der in Abbildung 6A gezeigten präparierten Form geformt wurde. Dieses Muster, bei dem sowohl ein schwarzes Design auf Weiß als auch ein weißes Design auf Schwarz mit einem Gitter- und einem DIC-Speckle-Muster erstellt wird, ist auch auf dem Zylinder und den Würfelexemplaren in den Feldern C, D, F und G in Abbildung 7 dargestellt. Abbildung 7E zeigt ein Beispiel für eine Platte mit einem blauen Gitter auf weiß.

Abbildung 8 zeigt eine schlecht strukturierte Probe, die auf eine zu hohe Durchflussrate beim Spritzgießen zurückzuführen ist. Das DIC-Speckle-Muster ist verschmiert, so dass sich die Partikel zu Schlieren verteilen. Dieses Exemplar wurde absichtlich mit einem spärlichen DIC-Speckle-Muster hergestellt, um die Verschmierung deutlich zu veranschaulichen. Diese Methode ermöglicht es dem Experimentator, bei Bedarf ein dichteres Speckle-Muster zu platzieren, um bessere DIC-Ergebnisse^{zu erzielen 7,8,9}, insbesondere bei Experimenten mit kleinen Dehnungen. Speckle-Muster mit unterschiedlicher Dichte sind in Abbildung 9B,C dargestellt. Abbildung 10 zeigt Bilder von Silikonplatten, die mit diesem Verfahren hergestellt wurden, mit einer DIC-Dehnungsfeld-Farbkartenüberlagerung, um eine erfolgreiche optische Nachführung zu veranschaulichen.

Abbildung 7: Beispiele für Proben, die in Versuchen verwendet wurden. (A) Weiße Platte mit schwarzen Gitterpunkten in einachsiger Spannung. (B) Schwarze Platte mit weißen Gitterpunkten (Schablonenmuster) in einachsiger Spannung. (C) Schwarzer Zylinder mit weißen Gitterpunkten. (D) Schwarzer Zylinder mit DIC-Sprenkelmuster. (E) Blaue Gitterpunkte (F) Weißer Würfel mit weißen Gitterpunkten und DIC-Speckle-Muster. (G) Schwarzer Würfel mit weißen Gitterpunkten. Maßstabsleisten = 1 mm (E), 1 cm (A-D,F,G). Abkürzung: DIC = digitale Bildkorrelation. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 8: Beispiele für Proben, bei denen die Spritzgießgeschwindigkeit zu hoch war und das gesprenkelte Muster verschmiert ist. Die Fließrichtung des Spritzgusses wird durch einen horizontalen Pfeil am unteren Rand des Bildes angezeigt. Schräge Pfeile zeigen die Positionen mehrerer Streifen des verschmierten Musters an. Maßstabsleiste = 2 mm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 9: Beispiel-Bilddesigns, die bei der optischen Nachverfolgung verwendet werden. (A) Ein Beispiel für ein Gittermuster für optisches Tracking, (B) Ein Beispiel für ein spärliches DIC-Speckle-Muster für das optische Tracking, (C) Ein Beispiel für ein dichtes DIC-Speckle-Muster für das optische Tracking. Maßstabsbalken = 1 cm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 10: Beispiel für ein Dehnungsfeld der digitalen Bildkorrelation, das über experimentelle Bilder mit einachsiger Spannung gelegt wurde. Die Dehnung wird in y-Richtung angewendet, und die globale technische Dehnung wird unter jedem Bild aufgeführt. Die lokale vertikale Verschiebung verschiedener Positionen der Probe wird mit der Farbkarte dargestellt, wie auf der Skala rechts in der Abbildung dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Discussion

Die Möglichkeit, Partikel an gummiartigen Materialien wie Silikon zu haften, bietet Vorteile sowohl in der Industrie als auch in der Forschung. Es ist jedoch bekannt, dass die Verklebung auf Oberflächen von Materialien mit geringer Oberflächenenergie eine Herausforderung sein kann. Im Allgemeinen verwenden Forscher, deren experimentelle Methoden ein Muster oder Design auf der Oberfläche ihrer Proben erfordern, häufig Farben, die speziell für das Airbrushen entwickelt wurden, wie sie von Createx und Vallejo hergestellt werden ^1,10. Diese Anwendungen mit Farbe erfordern oft eine Grundierung und erreichen dennoch nicht die erforderliche Haltbarkeit der Muster. Auf flexiblen Untergründen kann die Farbe verschmieren oder abplatzen, wenn sie bei der mechanischen Prüfung reißt. Diese Markierungsklebstofffehler verändern dann das Datenfeld, das von einer optischen Tracking-Methode wie der digitalen Bildkorrelation erfasst wird. Unser Verfahren sorgt für eine langanhaltende Haltbarkeit des Oberflächenmusters. Wir haben derzeit Proben, die über 6 Jahre alt sind und die wir versucht haben, aggressiv zu verschmieren und das Oberflächenmuster mechanisch zu entfernen. Alle Bemühungen, diese Markierungen zu entfernen, sind gescheitert, was die Robustheit der Oberflächenmuster beweist.

In der Industrie kann es auch erforderlich sein, Designs, Symbole oder Wörter auf die Oberfläche von gummiartigen Materialien aufzubringen, um Sicherheits- und Prozessanweisungen, wie z. B. den Einbau einer Dichtung, zu gewährleisten. In der Automobilindustrie ist es beispielsweise üblich, Wörter wie "DIESE SEITE NACH OBEN" oder einen Pfeil auf eine Gummidichtung zu drucken, um eine klare Installationsanleitung zu geben. Traditionell werden diese Markierungen erreicht, indem die Formoberfläche so modifiziert wird, dass sich die Wörter entweder über oder unter der Oberfläche des restlichen Teils befinden. Bei dieser Methode muss jedes Mal eine neue Form hergestellt werden, wenn die Markierungen geändert werden müssen. Darüber hinaus hat das endgültige Teil an der Stelle, an der sich der Abdruck befindet, eine andere Dicke, was zu potenziellen Fehlerstellen während des Betriebs führt. Unsere Methode überwindet beide Probleme, indem sie die Formen in keiner Weise verändert und die Oberfläche des Endprodukts eine gleichmäßige Dicke beibehält.

Es wurden mechanische Tests durchgeführt, um zu bestätigen, dass unsere Strukturierungsmethode die mechanischen Eigenschaften des Materials nicht beeinflusst. Wir haben wiederholt Proben in einer Vielzahl von Belastungsmodi getestet, wie z. B. einfache Scher-, einachsige Zug-, Druck- und sogar Schlagversuche. Darüber hinaus ist diese Methode im Vergleich zu alternativen Lackauftragsmethoden umweltverträglich. Wir vermeiden die Verwendung von giftigen, flüchtigen Lacklösungsmitteln, indem wir Alkohol in unserer Lösung verwenden, wenn wir die Form mit der Luft bürsten. Ein bemerkenswertes Merkmal unserer Methode ist schließlich die Fähigkeit, mehrfarbige, hochauflösende Muster auf der Probenoberfläche zu erzeugen. Die Methode ist durch die Partikelgröße und die Fertigungsgenauigkeit der Schablone begrenzt. Die Partikelgröße muss ausreichend klein sein, um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen und die Durchflussrate des Spritzgießprozesses zu überwinden. Die Probengröße und -geometrie sind nur durch die Größe der Form und das gewählte Material begrenzt. Wir haben mit Erfolg 2-Zoll-Würfel aus Silikon mit einer Topfzeit von ca. 20 Minuten bei Raumtemperatur hergestellt.

Die Methode zur Herstellung von Schablonen wirkt sich direkt auf die Auflösung der Merkmalsgröße und die Fähigkeit aus, während der Partikelsprühbeschichtung ein hochgenaues Design auf dem Formhohlraum zu erstellen. Sorgfältige Überlegung, welche Schablonenherstellung ein integraler Bestandteil der Musterungsmethode ist. Hier bieten wir einen einfachen Satz von Schablonenvorbereitungstechniken zusammen mit der minimalen Merkmalsgröße, die mit jeder Technik gebildet werden kann, l_min. Erstens, das Schneiden von Hand mit einem Bastelmesser: Präzisionswerkzeuge wie X-Acto-Messer oder Gebrauchsklingen eignen sich am besten für detaillierte und komplizierte Designs und eignen sich gut für Materialien wie Kunststoffplatten, Mylar oder Karton (_l-min. ≥ 1 mm). Zweitens, Handschneiden mit einer Schere: Kann für leichte Materialien wie Papier oder dünnes Vinyl verwendet werden, um einfache Formen und weniger komplizierte Designs herzustellen (l_min ≥ 1 mm). Drittens, Stanzmaschinen wie Cricut oder Silhouette: Sie können komplexe Designs mit Materialien wie selbstklebendem Vinyl oder Karton (l_min ≥ 250 μm) präzise schneiden. Viertens, das Laserschneiden: Eine High-Tech-Option für komplexe Muster, die für Acryl-, Holz- oder dicke Kunststoffschablonen (l_min ≥ 100 μm) geeignet sind. Fünftens, Heißschneidwerkzeuge: Elektrisch heiße Messer oder Lötkolben können durch thermoplastische Schablonenmaterialien wie Mylar oder andere extrudierte Polymerfolien schmelzen (_{l min} ≥ 1 mm). Diese Methode erzeugt glatte Kanten. Sechstens, Stanzen: Hilfreich für kleine, sich wiederholende Formen und sie funktionieren am besten auf leichten Materialien (l_min ≥ 100 μm). Schließlich könnten computergesteuerte Router für große oder industrielle Schablonenprojekte eingesetzt werden (_{l-min-variiert}).

Bei jedem neuen Herstellungsprotokoll sind bestimmte Schritte im Prozess entscheidend, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. In unserer Methode gibt es drei Schritte, die hervorgehoben und besonders beachtet werden sollten. Der erste kritische Schritt besteht darin, den Alkohol vollständig aus der Airbrush-Partikelsuspension verdampfen zu lassen, so dass nur die Partikel an der Formoberfläche haften bleiben. Wenn der Alkohol nicht vollständig verdunstet, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass das Design auf der Form verschmiert und/oder sich der Alkohol während des Spritzgussprozesses mit dem nicht ausgehärteten Material vermischt. Die Größe der Partikel muss ausreichend klein sein, da diese Partikel, die in der Alkohol-"Farbe" in der Airbrush suspendiert sind, nach dem vollständigen Verdampfen des Alkohols an der Form haften bleiben. Die Größe der Partikel ist eine wichtige Einschränkung, die es zu beachten gilt. Sind die Partikel zu groß, reichen die Van-der-Waals-Kräfte nicht aus, um die Partikel sicher und dauerhaft an der Oberfläche der gummiartigen Materialoberfläche zu haften. Partikel in geeigneter Größe können jedoch kostengünstig und einfach von mehreren kommerziellen Pigmentlieferanten bezogen werden.

Der zweite kritische Schritt ist die Menge an Klebstoff, die die Schablone vorübergehend auf der Form hält. Unserer Erfahrung nach ist der beste Weg, diesen Schritt auszuführen, die Verwendung eines schnellen Durchgangs eines Sprühklebstoffs. Wir empfehlen, so wenig Klebstoff wie möglich zu verwenden und dennoch sicherzustellen, dass die Schablone vollständigen Kontakt mit der Form hat. Durch manuelles Abflachen der Schablone auf der Form mit dem Finger oder einem geeigneten Instrument wie einem Gummispatel kann ein konformer Kontakt hergestellt werden. Wenn die Öffnungen der Schablone nicht vollständig flach an der Form anliegen, wandert die Partikelsuspension beim Airbrushen unter die Ränder des Schablonenmusters, wodurch die Schärfe der Kanten des Oberflächendesigns erheblich verringert wird. Wenn zu viel Klebstoff verwendet wird, ist das Entfernen der Schablone eine Herausforderung und kann das neu aufgetragene Design beschädigen. Darüber hinaus führt zu viel Klebstoff dazu, dass die Probe während des Aushärtungsprozesses stark an der Form haftet, was den Entformungsprozess fast unmöglich macht, ohne die Probe zu beschädigen.

Der dritte kritische Schritt ist die Injektionsrate des nicht ausgehärteten Silikons während des Spritzgießprozesses. Unserer Erfahrung nach haben wir festgestellt, dass eine ausreichend langsame Durchflussrate(n) beim Spritzgießen die Van-der-Waals-Kräfte, die an der Form haften, nicht überwand, so dass der Formhohlraum gefüllt werden konnte, ohne die strukturierten Partikel zu stören. Einige empirische Tests sind erforderlich, um eine optimale Einspritzrate zu bestimmen, die langsam genug ist, um ein Verschmieren des Musters zu vermeiden, aber schnell genug, um den Formhohlraum vor Beginn der Aushärtung des Silikons zu füllen. Härtungsverzögerer können der Mischung zugesetzt werden, wenn Teile mit größerem Volumen hergestellt werden. Die Viskosität und die Aushärtungszeit des Materials bestimmen die geeignete Injektionsrate für das jeweilige Materialsystem.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Luftkompressor	Handwerker	CMEC6150	TRAGBAR: 6 Gallonen Pfannkuchenkompressor https://www.craftsman.com/collections/air-compressors/products/cmec6150
Farbstoff für Eco Flex	Glatt aufkleben	PMS 2757C	Silc Pig Silikon-Farbpigmente. Silc Pig Pigmente sind konzentriert, so dass ein wenig beim Färben von Smooth-On Silikonprodukten viel ausreicht. Benutzerdefinierte Farben sind möglich, indem verschiedene Silc Pig Farben gemischt werden. Silc Pig 9 Pack Sampler enthält SCHWARZ, BLUT, BLAU, BRAUN, GRÜN, HELLES FLEISCH, ROT, WEISS, GELB. https://www.smooth-on.com/products/silc-pig/
Isopropylalkohol	Schwan	70% Isopropylalkohol - 16 oz Flasche S-15966 - Uline	70% Isopropylalkohol - 16 oz Flasche www.uline.com
Mischbecher	Solo	Modellnummer: S-19462R	Partybecher aus Kunststoff www.uline.com
Formtrennmittel für Schablone		Ease Release 200 & 205	Modell- und Modelltrennmittel zur Herstellung von Epoxid-, Urethan- und RTV-Silikonformen. https://www.reynoldsam.com/
Mylar Blatt 3 mil	Schablonen Online LLC	NA	Mylar Blätter | Schablonenmaterial www.stencilsonline.com
Maler Masking Tape	Uline	Nr. S-26006	Uline Maler Masking Tape www.uline.com
Papierhandtücher	Uline	S-7711 Uline	S-7711 Uline - Ein saugfähiges Handtuch zu einem günstigen Preis. 2-lagig. www.uline.com
Eisstiele am Stiel	Darice	Artikelnummer: D-0139#, UPC 652695701399	https://www.amazon.com/Darice-Popsicle-Sticks-Crafts-Natural/dp/B0CPKHS44K/?th=1
Pulver	Erd-Pigmente	Titandioxid PW6	Titanweiße Erdpigmente https://www.earthpigments.com/
Silikon (ecoflex)	Glatt aufkleben	Ecoflex 00-20	platinkatalysierte Silikone https://www.smooth-on.com/
Sprühkleber	Schablonen-Leichtigkeit	Artikelnummer:  ASA0005	Schablone Leicht repositionierbarer Sprühklebstoff https://www.stencilease.com/
Spritzpistole / Airbrush	Dachs	Patriot 105	Badger Patriot 105 Airbrush https://www.badgerairbrush.com/Patriot_105.asp
Reagenzgläser	Global Scientific	Artikel 83576, Hersteller-Teil #: 6254	50 ml Allzweck-Zentrifugenröhrchen aus Polystyrol mit Verschlüssen - Steril www.usplastic.com
Vinyl-Schläuche	Sioux-Häuptlinge	Modellnummer: 900-01163C00501 Menards  Artikelnummer: 6840523	Sioux Chief Durchsichtige Vinylschläuche www.menards.com