Silikonitulpan suunnitteluopas: Puristusistuvuus, irrotusvoima ja tiiviydestestit – Kunshan Fuhongying Electronic Materials Co., Ltd.

Silikonitulppia käytetään sulkemaan liitäntöjä, reikiä, putkia ja laitteiden aukkoja lääkinnällisissä laitteissa, kuluttajaelektroniikassa, teollisuusjärjestelmissä, kotitaloustuotteissa ja nesteenkäsittelyjärjestelmissä. Käyttötarkoituksesta riippuen tulppa voi tarjota väliaikaista pölysuojausta, suojaa korkeilta lämpötiloilta, irrotettavan vedenpitävän sulkimen tai paineenkestävän tiivisteen.

Vaikka silikonitulppa vaikuttaa yksinkertaiselta, sen suorituskyky riippuu tulpan geometrian, materiaalin kovuuden, mittatoleranssien, asennussyvyyden ja vastareikän välisestä suhteesta. Liian suuri tiukkuus voi vaikeuttaa asennusta tai vahingoittaa silikonia. Liian vähäinen tiukkuus puolestaan voi heikentää kiinnittymistä ja aiheuttaa vuotoreitin.

Tässä oppaassa selitetään, miten valitaan tulpan geometria, lasketaan tiiviyden häiriöt, määritetään irrotusvoima ja laaditaan tiiviyden testausmenettelyt räätälöityjä silikonitulppia varten.

Yleisimmät silikonitulppatyypit

Kartiomaiset push-in-pistokkeet

Kartiomaisen tulpan halkaisija kasvaa asteittain sen työntösyvyyden suuntaan. Käyttäjä voi säätää työntösyvyyttä, kunnes vaadittu kosketuspaine saavutetaan.

Etuihin kuuluvat:

Sopii useille eri reikien halkaisijoille
Helppo manuaalinen asennus
Sopii peittämiseen ja väliaikaiseen suojaamiseen
Mahdollistaa asteittaisen sitoutumisen
Sopii sekä kierteitettyihin että sileisiin reikiin

Suurin rajoitus on se, että tiivistys ja kiinnittyminen riippuvat asennussyvyydestä. Jos eri asentajat asettavat tulpan eri syvyyksiin, suorituskyky voi vaihdella.

Suorat sylinterimäiset tulpat

Suorassa pistokkeessa käytetään hallittua puristussovitusta määritellyn kiinnityspituuden alueella.

Etuihin kuuluvat:

Yhdenmukainen asettamispaikka
Ennustettava kosketuspinta-ala
Sopii automatisoituun kokoonpanoon
Helpoampi mittatarkastus
Vakaa ulkonäkö asennuksen jälkeen

Suorassa tulpassa on kuitenkin tarkennettava reiän halkaisijan ja tulpan ulkohalkaisijan mittausta.

Uurretut tai piikkiset tulpat

Kiertävät ripat tai joustavat piikit parantavat kiinnittymistä luomalla useita paikallisia kosketuspisteitä.

Niistä on hyötyä, kun:

Tarvitaan suurempi irrotusvoima
Liitosreiässä on suurempi toleranssi
Pistokkeen on kestettävä tärinää
Pelkkä kitkakiinnitys ei riitä
Pistoketta ei irroteta kovin usein

Terävät tai liian suuret koukut voivat lisätä asennukseen tarvittavaa voimaa, vahingoittaa liitospintaa tai repeytyä irrotuksen yhteydessä.

Laippaliittimet

Laippa toimii varmistuspysäyttimenä ja estää tulpan työntymisen kokonaan aukon läpi.

Laippa voi myös:

Peitä reiän reuna
Ulkonäön parantaminen
Asenna toinen pintatiiviste
Suojaa aukko roiskeilta
Kiinnitä vetokieleke tai kiinnitysnauha

Caplugs tarjoaa kartiomaisia tulppia, joissa on leveät laipat ja jotka on erityisesti suunniteltu estämään läpimurtuminen, mikä havainnollistaa tämän ominaisuuden toiminnallista merkitystä. (Esimerkki laippaisesta Caplugs-tulpasta)

Pull-Tab-pistokkeet

Vetokieleke helpottaa irrottamista tilanteissa, joissa pistoke on upotettu tai sitä avataan säännöllisesti.

Välilehden on oltava suunniteltu siten, että:

Normaali tärinä ei irrota tulppaa
Käyttäjä voi tarvittaessa tarttua siihen käsineet kädessä
Vetäminen ei repeä tulpan runkoa
Välilehti ei häiritse ympäröiviä osia
Vetosuunta on samansuuntainen pistokkeen akselin kanssa

Ontot puristustulpat

Ontto ydin mahdollistaa tulpan taipumisen sisäänpäin asennuksen aikana. Tämä voi vähentää asennukseen tarvittavaa voimaa samalla kun kosketus reikään säilyy.

Ontot rakenteet ovat hyödyllisiä seuraavissa tilanteissa:

Suurihalkaisijaiset tulpat
Pehmeä silikoni
Mitat vaihtelevat kiinnitysreiät
Sovellukset, jotka edellyttävät toistuvia asennuksia
Kokoonpanot, joissa kiinteät tulpat olisivat liian jäykkiä

Ontelossa on oltava riittävästi tilaa silikonin laajenemiselle ilman, että tulpan seinämä taipuu.

Kiinnitetyt pistokkeet

Valettu kiinnitysnauha pitää pistokkeen kiinni tuotteessa, kun se irrotetaan.

Kiinnitysköysien osalta on arvioitava seuraavia seikkoja:

Taivutusväsymys
Repäisylujuus
Pienin taivutussäde
Pistokkeen asennuksen häiriöt
Tahaton ulosvetokuormitus
Käyttäjien pääsy ja ergonomia

Tiukkapasauksen ymmärtäminen

Tiukka istuvuus syntyy, kun silikonitulppa on ennen kokoonpanoa suurempi kuin siihen sopiva reikä.

Suoralle pyöreälle pistokkeelle:

[
\text{Halkaisijojen välinen häiriö}=D_p-D_h
]

Missä:

(D_p) = silikonitulpan vapaa ulkohalkaisija
(D_h) = vastareikän sisähalkaisija

Häiriön prosenttiosuus voidaan ilmaista seuraavasti:

[
\text{Häiriöprosentti}=
\frac{D_p-D_h}{D_h}\times100%
]

Esimerkiksi, jos pistokkeen halkaisija on 10,40 mm ja siihen sopivan reiän halkaisija on 10,00 mm:

[
\frac{10,40 - 10,00}{10,00} \times 100% = 4%
]

Tämä laskelma kuvaa ainoastaan mittojen välisiä suhteita. Se ei suoraan ennusta asennusvoimaa, irrotusvoimaa tai vuotoa.

Onko olemassa vakiintunutta häiriöprosenttia?

Kaikille silikonitulpille ei ole olemassa yhtä yleispätevää häiriöarvoa.

Julkaistuissa silikonisten peitetulppien mitoitusohjeissa saatetaan suositella, että tulpan halkaisija on noin 2–4% suurempi kuin reikä ruiskutuspeityksessä ja 3–7% suurempi upotusmenetelmissä. (Viadonin silikonisten vetotulppien käyttöohjeet)

Nämä luvut voivat toimia hyödyllisinä lähtökohtina vastaavien peittokohteiden prototyyppien suunnittelussa, mutta niitä ei pidä soveltaa suoraan painetiivisteisiin, lääketieteellisiin komponentteihin tai pitkäaikaisiin vedenpitäviin sulkimisiin.

Oikea häiriö riippuu seuraavista tekijöistä:

Silikonin kovuus
Tulpan seinämän paksuus
Umpirakenteinen tai ontto rakenne
Reiän materiaali
Reiän pinnanlaatu
Asennussyvyys
Kartioinen tulppa
Lämpötila
Voitelu
Nestealtistus
Vaadittu vetovoima
Sisäinen paine
Asennuskertojen määrä
Mitatoleranssit

Sallimien arvojen summa

Liitintä tulisi arvioida sekä vähimmäis- että enimmäishäiriöolosuhteissa.

Vähimmäishäiriö

Häiriö on vähäisimmillään, kun pistoke on pienimmällä sallitulla halkaisijallaan ja reikä suurimmalla sallitulla halkaisijallaan:

[
I_{\min}=D_{p,\min}-D_{h,\max}
]

Tämä tila aiheuttaa yleensä seuraavaa:

Pienin kosketuspaine
Pienin asennusvoima
Pienin irrotusvoima
Suurin vuotoriski

Suurin häiriö

Suurin häiriö syntyy, kun pistokkeen halkaisija on suurimmillaan ja reiän halkaisija pienimmillään:

[
I_{\max}=D_{p,\max}-D_{h,\min}
]

Tämä tila aiheuttaa yleensä seuraavaa:

Suurin asennusvoima
Suurin silikonin venymä
Suurempi kokoonpanon vaikeus
Suurempi repeämis- tai tulpan vaurioitumisen riski
Ajan myötä tapahtuva suurempi jännityksen relaksaatio

Nimellinen häiriöarvo ei riitä. Piirustuksessa ja validointisuunnitelmassa tulisi ottaa huomioon tulpan ja reiän koko toleranssialue.

Miksi liiallinen puuttuminen asioihin voi olla ongelma

Silikonikumi voi muodonmuuttua huomattavasti, mutta se ei yksinkertaisesti katoa, kun sitä puristetaan. Siirtynyt materiaali joutuu siirtymään toiseen kohtaan.

Liiallinen häiriö voi aiheuttaa:

Erittäin suuri asennusvoima
Pistokkeen taipuminen
Laipan vääntyminen
Silikonin repeäminen
Ohujen liitosseinämien vauriot
Pysyvä muodonmuutos
Suurentunut puristumajälki
Vaikeuksia tulpan irrottamisessa
Epätasainen asennussyvyys
Paine-ekstruusio

Parker huomauttaa, että elastomeeritiivisteet ovat alttiita puristumajäljille ja että liiallinen puristaminen voi heikentää tiivisteen tehokkuutta pitkällä aikavälillä. (Parkerin elastomeeritiivisteiden suunnitteluohjeet)

Vapautusurat, ontot profiilit tai tarkoituksellisesti sijoitetut vahvikkeet voivat tarjota tilaa silikonin siirtymiselle ja vähentää tarpeetonta asennusvoimaa.

Silikonin kovuuden valinta

Silikonitulpan kovuus ilmoitetaan yleensä Shore A -asteikolla.

Pehmeämpi silikoni

Pehmeämpi silikoni tarjoaa yleensä:

Helpompi muodonmuutos
Pienempi asennusvoima
Mukautuu paremmin epäsäännöllisiin pintoihin
Parannettu suoja pieniltä naarmuilta
Suurempi riski taipumiseen tai tahattomaan irtoamiseen

Kovempi silikoni

Kovempi silikoni tarjoaa yleensä:

Suurempi asennus- ja irrotusvoima
Parempi mittavakaus
Vähentynyt taipuminen vääntymiseen
Pintavikojen vaikutus on vähäisempi
Suurempi kokoonpanokiristys vastakappaleeseen

Kovuus tulisi valita geometrian mukaan. Ohut, ontto tulppa, joka on valmistettu suhteellisen kovasta silikonista, saattaa olla helpompi asentaa kuin paksu, umpinainen tulppa, joka on valmistettu pehmeämmästä silikonista.

Pistokkeen liitäntäkohdan suunnittelu

Etupään tulisi ohjata tulppa reikään leikkaamatta tai taittamatta silikonia.

Tavallisia syöttöominaisuuksia ovat muun muassa:

Pyöristetty keula
Kartiomainen syöttöaukko
Viiste
Pienennetty ohjainhalkaisija
Thin flexible first rib

The mating hole should also be reviewed for:

Terävät reunat
Burrs
Thread starts
Mold parting lines
Surface damage
Coating buildup

A sharp metal or plastic edge may cut the plug during insertion even when the dimensional interference is correct.

Designing the Sealing Zone

The sealing zone is the area where the plug applies pressure to the mating surface.

A reliable sealing zone should have:

Continuous contact around the circumference
Sufficient engagement length
Controlled surface finish
No mold flash crossing the seal
No deep engraving or texture
No interruption from a pull tab or tether
Adequate material behind the contact surface

Multiple ribs can create several sealing lines. However, additional ribs do not automatically improve performance if the first rib prevents the remaining ribs from fully engaging.

For critical seals, the primary retention feature and primary sealing feature may be separated. For example, a barb can provide retention while a smooth cylindrical band provides sealing.

Blind Holes and Trapped Air

Installing a solid plug into a blind hole can compress trapped air or fluid.

This may cause:

Plug spring-back
Increased installation force
Incomplete insertion
Slow plug movement after assembly
Pressure buildup behind the plug
Unexpected ejection

Possible design solutions include:

Controlled internal venting during assembly
A hollow plug
A vent path that closes after full insertion
Reduced insertion speed
A defined trapped volume
A pressure-relief feature

A vent should not create a permanent leakage path through the final assembly.

Insertion Force

Insertion force affects assembly equipment, operator ergonomics and the risk of plug damage.

It is influenced by:

Interference
Kovuus
Pinnan viimeistely
Friction
Taper angle
Engagement length
Insertion speed
Lämpötila
Voitelu
Hole edge condition
Plug geometry

Insertion force should be measured using the actual mating component. A smooth metal test ring may not reproduce the behavior of a threaded, molded or coated production hole.

The specification should define:

Insertion speed
Plug orientation
Maximum insertion force
Required insertion depth
Lubrication condition
Test temperature
Number of insertion cycles

Pull-Out Force

Pull-out force is the axial force required to remove the installed plug.

For a simple friction-fit plug, retention depends on contact pressure, friction coefficient and contact area. In practice, silicone deformation, surface roughness and stress relaxation make pull-out force difficult to predict with a simple equation.

Pull-out testing is therefore normally required.

Factors That Increase Pull-Out Force

Greater interference
Longer engagement length
Higher-friction surface
Multiple retention ribs
Undercut or barb
Larger plug diameter
Mechanical locking feature
Higher material stiffness

Factors That Reduce Pull-Out Force

Voitelu
Smooth or polished mating surface
Fluid contamination
Reduced interference
Short engagement
Low hardness
Thermal aging
Puristumajäämä
Repeated installation
Material swelling or shrinkage

A plug that passes a pull-out test immediately after installation may not provide the same retention after aging or repeated removal.

Internal Pressure and Plug Ejection

Internal pressure generates an axial force that can push the plug out of the opening.

The approximate pressure-generated force is:

[
F_p=\Delta P\times A
]

For a circular opening:

[
A=\frac{\pi D_h^2}{4}
]

Missä:

(F_p) = pressure-generated ejection force
(\Delta P) = pressure difference across the plug
(A) = projected area of the opening
(D_h) = hole diameter

The minimum validated pull-out force should exceed the maximum expected pressure force plus vibration, handling and other service loads, using an appropriate project-specific safety margin.

A friction fit alone may not be suitable where internal pressure is high or failure could be hazardous. A flange, barb, retaining ring, thread or other positive mechanical feature may be required.

How to Perform a Pull-Out Test

A typical pull-out test includes:

Condition the plug and mating component.
Install the plug using the specified method.
Allow the required dwell or relaxation time.
Secure the mating component in a rigid fixture.
Grip the plug head or defined pull feature.
Pull axially at a controlled speed.
Record the peak force.
Record the failure mode.
Inspect the plug and mating component.

Possible failure modes include:

Normal sliding removal
Rib collapse
Barb release
Silikonin repeäminen
Pull-tab separation
Flange inversion
Mating-hole damage
Fixture slip

The test report should record both force and failure mode.

Sealing Test Methods

Pressure Decay Testing

The sealed assembly is pressurized to a defined level. After filling and stabilization, the pressure source is isolated and pressure loss is measured over a fixed period.

Cincinnati Test Systems describes pressure decay testing as filling a component to a target pressure, isolating it, stabilizing it and measuring pressure loss during a defined test time. (CTS pressure decay explanation)

Pressure decay is suitable for:

Closed ports
Waterproof housings
Fluid connectors
Electronic enclosures
Silicone-plastic assemblies
Production leak testing

The test fixture must seal all other possible leakage paths.

Vacuum Decay Testing

The assembly is evacuated and monitored for pressure rise.

Vacuum decay may be useful when:

The product operates under vacuum
Positive pressure could eject the plug
A thin housing may expand during pressurization
The seal behaves differently under inward pressure

Bubble Leak Testing

The plugged component is pressurized and submerged in water or covered with a leak-detection solution. Escaping bubbles indicate a leakage path.

Bubble testing is useful for:

Engineering trials
Locating leaks
Comparing prototype geometries
Visual production checks

However, it is operator-dependent and does not always provide an accurate quantitative leak rate.

Water Immersion Testing

A plug intended for splash or immersion protection can be tested under defined depth, time and orientation conditions.

The specification should distinguish between:

Water resistance of the individual plugged port
Water resistance of the complete product enclosure
Temporary immersion
Continuous immersion
Static water exposure
Water jets or spray

IEC 60529 classifies the ingress protection provided by complete electrical enclosures. A silicone plug alone should not be described as “IP67” or “IP68” unless the final assembled enclosure has been tested under the relevant requirements. (IEC explanation of IP ratings)

Tracer-Gas Testing

Helium or another tracer gas can be used when very small leaks must be detected.

This method is suitable for:

High-value assemblies
Medical or analytical equipment
Tyhjiöjärjestelmät
Critical electronics
Engineering validation

Tracer-gas testing requires specialized equipment and carefully designed fixtures.

Proof-Pressure and Ejection Testing

The assembly is exposed to a specified pressure above normal operating pressure to verify that:

The plug remains installed
No permanent deformation occurs
The housing is not damaged
Leakage remains acceptable
The plug does not move beyond the allowed position

Proof testing is not the same as burst testing. A proof test verifies survival at a specified pressure, while a burst test determines the pressure at which the assembly fails.

Test Conditions That Must Be Defined

A sealing test should specify:

Test medium
Test pressure or vacuum
Fill time
Stabilization time
Measurement time
Maximum allowable leak rate
Lämpötila
Plug insertion depth
Plug conditioning
Wet or dry condition
Test direction
Asennuskertojen määrä
Fixture sealing location
Accept/reject criteria

Flexible silicone may continue to deform after pressure is applied. Adequate stabilization time is needed to prevent normal material movement from being interpreted as leakage.

Environmental Validation

A silicone plug should be tested after exposure to the conditions expected in service.

Validation may include:

High-temperature aging
Low-temperature exposure
Lämpösyklit
Humidity
Water immersion
Cleaning chemicals
Oils or fuels
UV exposure
Sterilization
Repeated insertion and removal
Tärinä
Pressure cycling
Long-term installed compression

Material compatibility must be confirmed using the exact silicone formulation and service fluid.

Common Silicone Plug Failures

Failure	Possible Cause	Recommended Review
Plug is difficult to install	Excessive interference, hard material or sharp entry	Reduce interference or improve lead-in geometry
Plug falls out	Insufficient interference or low engagement	Increase contact length or add retention ribs
Plug slowly moves outward	Trapped pressure or stress relaxation	Review blind-hole venting and retention
Plug leaks	Low contact pressure, flash or surface damage	Improve sealing zone and inspect mating surface
Plug tears during removal	Sharp barb, thin wall or weak pull tab	Add radii and increase local thickness
Flange deforms	Excessive insertion depth or poor support	Add a positive stop and review flange thickness
Pull-out force varies	Hole tolerance, lubrication or surface variation	Tighten mating-part controls and test conditions
Seal fails after aging	Compression set or fluid incompatibility	Review material grade and long-term compression
Plug ejects under pressure	Pressure force exceeds retention	Add positive mechanical retention
Water enters around the port	Incomplete circumferential contact	Review sealing-band geometry and assembly alignment

Silicone Plug Inspection Plan

Production inspection may include:

Plug outside diameter
Rib or barb diameter
Engagement length
Flange thickness
Pull-tab dimensions
Kovuus
Pinnan silmämääräinen tarkastus
Flash and parting-line condition
Insertion force
Irrotusvoima
Leak rate
Proof-pressure result
Repeated-use testing
Packaging cleanliness

Critical plug dimensions should be measured using methods that do not excessively compress the silicone.

What to Include in a Silicone Plug RFQ

Provide the following information:

2D drawing and 3D model
Mating-hole diameter and tolerance
Reiän materiaali
Reiän pinnanlaatu
Threaded or smooth bore
Through-hole or blind-hole design
Required insertion depth
Silikonin kovuus
Väri
Required insertion force
Minimum pull-out force
Operating pressure
Proof or burst pressure
Maximum allowable leak rate
Service temperature
Fluid and chemical exposure
Number of removal cycles
Regulatory requirements
Annual production volume
Inspection and packaging requirements

If the mating component is available, physical samples can help verify insertion, retention and sealing performance before production tooling is finalized.

Johtopäätös

A reliable silicone plug requires more than selecting a diameter slightly larger than the mating hole.

Interference fit, hardness, wall thickness, taper, engagement length and surface condition work together to determine insertion force, pull-out force and leakage. The design must also consider tolerance extremes, trapped pressure, internal pressure-generated ejection force, repeated use and environmental aging.

Prototype testing should include both minimum- and maximum-interference samples. Pull-out testing verifies retention, while pressure decay, vacuum decay, bubble or tracer-gas testing confirms sealing performance. Where internal pressure or safety risk is significant, mechanical retention should supplement the friction fit.

FHY Silicone provides custom silicone plugs, sealing caps, protective covers and molded silicone components for electronics, medical, industrial and consumer applications. Send us your mating-hole dimensions, material requirements, pull-out force and leak-test conditions for a manufacturability review.

Usein kysytyt kysymykset

How much larger should a silicone plug be than the hole?

There is no universal percentage. Some masking applications begin with a few percent diametral interference, but the correct value depends on hardness, geometry, tolerance, sealing pressure and required removal force.

Does more interference always improve sealing?

No. Excessive interference can increase insertion force, damage the silicone, distort the flange and reduce long-term sealing through over-compression.

How can silicone plug pull-out force be increased?

Increase engagement length, add retention ribs or barbs, improve surface contact or use a positive mechanical feature such as a flange, groove or retaining ring.

Can a silicone plug seal a threaded hole?

Yes, but the thread creates an irregular sealing surface. A tapered or compliant plug with sufficient engagement is usually required, and the final design must be leak tested.

Why does a plug move out of a blind hole?

The plug may compress trapped air or liquid during insertion. The resulting pressure can push it outward unless the design provides controlled venting or stronger retention.

Is a waterproof silicone plug automatically IP67?

No. IP ratings apply to the tested complete enclosure, not only the individual silicone component.

Should pull-out force be tested before or after aging?

Both. Initial testing confirms production assembly, while aged testing evaluates changes caused by temperature, fluid exposure, compression set and repeated use.