Funktionalisierte Werkzeugbeschichtung

Werkzeugbeschichtung

Funktionalisierte Werkzeugbeschichtung zur Direktbeheizung der Konturoberfläche

Beim Spritzgießen von Formteilen mittels thermoplastischer, duroplastischer oder elastomerer Werkstoffe, bei denen der Werkstoff in ein Formwerkzeug eingebracht wird, entstehen vielfach neben Fehlern in der Oberflächenqualität eines Kunststoffformteiles, auch Fehler durch eine nicht ausreichende Abformgenauigkeit an der Oberfläche, beispielsweise Bindenahtkerben, Glanzunterschiede oder Wolken- und Schlierenbildungen. Weitere Fehler bei der Herstellung eines Kunststoffformteils können entstehen, wenn der erhitzte Werkstoff durch Kontakt der Kunststoffschmelze mit der kälteren Werkzeugwand ungleichmäßig erstarrt.

Variotherme Temperierung für bessere Konturabformung

Zur Modifikation der Fließeigenschaften bzw. zur gezielten Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von spritzgegossenen Formteilen werdenSpritzgießwerkzeuge dynamisch (variotherm) temperiert. Dabei wird in jedem Zyklus vor dem Einspritzen die Oberflächentemperatur der Kavität auf eine Temperatur vorzugsweise über der Glasübergangs- bzw. Kristallitschmelztemperatur gebracht, und nach dem Einspritzen wieder gekühlt. Dies führt aber zu einer deutlichen Zykluszeitverlängerung. Bei der variothermen Temperierung von Spritzgießwerkzeugen hat die hohe Temperatur der Kavität zur Folge, dass die Kühlung der einströmenden Schmelze, beginnend mit der Ausbildung einer eingefrorenen Randschicht, verzögert wird. Daraus resultieren eine verbesserte Abformung der Oberfläche und eine Reduktion des Füllwiderstands. In der Nachdruckphase wird gleichzeitig die Druckübertragung in der Kavität begünstigt. Der Druckgradient zwischen Anschnitt und Fließwegende, der zu unterschiedlichen Eigenspannungen und Schwindungswerten im Kunststoffbauteil führt, wird vermindert.

Einsatz einer Dünnschichtheizung im Spritzgießwerkzeug

Das Ziel eines Forschungsprojektes im KuZ war die Entwicklung einer technisch/ technologischen Lösung zur direkten Beheizung der Kontaktfläche zwischen Werkzeugwandung und Kunststoffschmelze auf Grundlage der vom Fraunhofer IWM Freiburg entwickelten Tegonit® PTA Heizschicht. Diese sollte als Schichtsystem, in Verbindung mit einer elektrischen Isolierschicht, auf die Oberfläche eines Spritzgießwerkzeuges aufgebracht werden. Ziel war eine deutliche Verringerung der Zykluszeiten und eine starke Reduzierung des Energieverbrauchs gegenüber konventioneller Variothermtechnik sowie eine Verbesserung der Formteilqualität. Zur Unterscheidung von konventioneller Temperierung und anderen variothermen Temperierungsvarianten wird die neu entwickelte Technologie nachfolgend als variotherm-DS bezeichnet.

Anforderungen an den Schichtaufbau

Eine funktionsfähige Dünnschichtheizung entsteht durch ein Schichtsystem aus Substrat, elektrischer und thermischer Isolierschicht und Heizschicht. Ergänzend können auf die Heizschicht weitere funktionale Schichten aufgebracht werden, z. B. nanostrukturierte und antiadhäsive Schichten. Bei der Tegonit® Heizschicht des IWM Freiburg handelt es sich aus elektrotechnischer Sicht um einen ohmschen Widerstand. Entscheidend für die Funktionsfähigkeit der Dünnschichtheizung ist, dass diese auf eine elektrisch isolierende Oberfläche aufgebracht wird. Da das Spritzgießwerkzeug aus metallischem Werkstoff, zumeist Stahl, besteht, ist es notwendig, eine elektrisch isolierende Schicht zwischen Substrat und Heizschicht einzubringen.

Schichtsystem und Werkzeugaufbau

Schema des Variotherm-DS Schichtsystems und Werkzeugaufbau der Auswerferseite mit Dünnschichtheizung

Im Laufe des Projektes wurde eine Vielzahl an Isolierschichten auf Ihre Eignung hin untersucht. Es stellte sich heraus, dass ein Großteil der möglichen Materialien zwar isolierend wirken, jedoch nach dem Auftragen der Heizschicht ein elektrischer Kurzschluss über das Substrat erfolgte. Grund dafür sind sogenannte Pinholes, Löcher in der Isolierschicht.

Durch intensive Voruntersuchungen konnten zwei funktionsfähige Schichtsysteme gefunden werden. Dabei handelt es sich einmal um eine Eloxalschicht auf Aluminiumsubstrat und einmal um eine thermische Spritzschicht auf Stahlsubstrat.

Versuchsdurchführung und Ergebnisse

Nach Optimierung des Versuchsaufbaus des Spritzgießwerkzeuges und des Heizungsreglers wurden die optimalen Prozessparameter für verschiedene Kunststoffe im konventionellen Spritzguss ermittelt. Anschließend wurden mit beiden Schichtsystemvarianten umfangreiche Spritzgießversuche durchgeführt.

Mit Hilfe der Variotherm-DS-Technik ist es gelungen, die Zykluszeit gegenüber der Variothermtechnik stark zu verringern. Dabei sind auf Grund der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit der beiden Grundsubstrate Stahl und Aluminium Unterschiede in der Heizzeit für einen definierten Temperaturhub zu verzeichnen.

Diagramme Variothermzyklus

links: Vergleich Aluminium- und Stahleinsatz, Sprungantwort

rechts: Variotherm-DS Zyklus 120/60°C,  WZ-Temperatur

Weiterhin beeinflusst die direkte Beheizung der Konturwand das Fließverhalten der Kunststoffschmelze positiv, so dass erhöhte Werkzeuginnendrücke am Fließwegende im Vergleich zum normalen Spritzguss mit gleichen Einstellparametern feststellbar sind. Daraus resultieren eine bessere Konturabformung sowie die Minderung von auftretenden Spritzgießfehlern. Dies konnte am Spritzgießdemonstrator am Beispiel der Bindenahtausbildung erfolgreich nachgewiesen werden.

Auswerferseite Vergleich der Bindenahtausbildung

PP Auswerferseite

links: konventionell temperiert, mit sichtbarer Bindenaht

rechts: variotherm-DS temperiert, ohne sichtbare Bindenaht

Ein weiterer Aspekt der verbesserten Konturabformung ist die genaue Abbildung der Oberflächentopographie der Masteroberfläche des Werkzeugeinsatzes. Dies ist besonders bei der Abformung von funktionalisierten Formteiloberflächen mit beispielsweise hydrophoben oder antireflektiven Eigenschaften wünschenswert. Der hervorgerufene Effekt ist sehr gut an den nachfolgenden REM-Aufnahmen einer abgeformten PMMA-Oberfläche sichtbar.

REM-Aufnahme einer abgeformten PMMA-Oberfläche

REM-Aufnahme einer abgeformten PMMA-Oberfläche

links: konventionell

rechts: variotherm-DS temperiert

Vorteile der entwickelten Lösung

Im Rahmen des Projektes ist es gelungen, eine konturnahe Dünnschichtheizung zur direkten Temperierung der Grenzfläche zwischen Kunststoffschmelze und Werkzeugkavität zu entwickeln und erfolgreich zu erproben. Dabei haben sich deutlich folgende Vorteile des Variotherm-DS-Verfahrens gegenüber variothermer Temperierung gezeigt:

  • Verkürzung der Zykluszeiten
  • Verringerung der Heizleistung
  • direkte Beheizung der Werkzeugkavität mit wenig Energieeintrag (hohe Leistungsdichte, hohe Energieeffizienz)
  • Präzisere Abformung der Werkzeugkontur, dadurch Abformung von nanostrukturierten Oberflächen möglich
  • Minderung des Einflusses von Bindenähten in Formteilen (Sichtbarkeit, Festigkeit)
  • Einbeziehung des Regelkreises der Dünnschichtheizung in den automatisierten Spritzgießprozess

Kontakt

Stefan Lehmann
lehmann(at)kuz-leipzig.de
+49 (0)341 4941 604

Gefördert durch: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie

Reg.-Nr.: MF100098