Neue Antihaftbeschichtung verbessert Formgebungsverfahren im Spritz- und Druckguss

UltraPLAS ermöglicht die perfekte Reproduktion von Hochglanzoberflächen. Trennbeschichtetes Werkzeug (l.) mit Spritzgusselement. Bildnachweis: Fraunhofer IFAM/Wolfgang Hielscher

Eine neue, von Fraunhofer-Forschern entwickelte UltraPLAS-Beschichtung erweist sich als innovative Lösung für die Herausforderungen von Urformprozessen. Die trennscharfe und leicht zu reinigende Beschichtung wird als Gradientenschicht im Kaltplasmaverfahren aufgebracht und eignet sich für Werkstoffe wie Werkzeugstahl, Edelstahl und Aluminium.

Die einzigartigen physikalischen Eigenschaften von UltraPLAS ermöglichen eine perfekte Abformung selbst von nanoskaligen und reflektierenden Oberflächen. Durch die Reduzierung der Nachbearbeitungsschritte und den Verzicht auf externe Trennmittel wird die Anwendung als sehr wirtschaftlich eingestuft.

Wie können hochwertige und anspruchsvolle Werkzeugoberflächen so beschichtet werden, dass die Produktion verbessert wird und Reinigungsprozesse deutlich verzögert oder vereinfacht werden? Dieser Frage gingen die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM gemeinsam mit Partnern in den Projekten „GlossyCast“ und „UltraTrenn“ nach.

Ziel der Forschungsprojekte war es, die Entformungskräfte und die Bildung von Ablagerungen zu reduzieren und gleichzeitig den spezifischen Belastungen des Zinkdruckgusses und des Kunststoffspritzgießens dauerhaft standzuhalten.

Insbesondere das Spritzgießen von technischen Kunststoffteilen erfordert Lösungen zur Reduzierung der Entformungskräfte und der Ablagerungsbildung. Dies gilt für die Herstellung von Bauteilen mit hochglänzenden Oberflächen oder stark ausgeprägten Mikrostrukturen, wie z. B. Kunststofflinsen, Zierleisten oder Steckverbinder mit hoher Maßgenauigkeit.

Auch beim Zinkdruckguss verhindern Ablagerungen auf der Formoberfläche sowie Ablagerungen von Trenn- und Schmiermitteln die Herstellung hochwertiger, glänzender Zinkgussteile. Dies führt zu erheblichen Kosten für die Nachbearbeitung der Gussteile. Unabhängig davon kann allein der Trennmittelauftrag bis zu 20 % der Zykluszeit ausmachen, so dass ein erhebliches Einsparpotenzial besteht, wenn auf Trennmittel verzichtet werden kann.

UltraPLAS ermöglicht hervorragende Beschichtungseigenschaften

Um das oben genannte Anforderungsprofil von ultraglatten, optischen Oberflächen (Ra < 25 nm) innerhalb der Projekte zu erfüllen, muss die Beschichtung selbst glatt und strukturlos sein. Um dies zu erreichen, wurde der kalte Plasmaprozess, das sogenannte PE-CVD-Verfahren (plasma enhanced chemical vapor deposition), eingesetzt.

Dieses Verfahren ermöglicht durch den Aufbau einer Gradientenschicht einerseits eine hervorragende Schichthaftung auf dem Produktkörper und andererseits außergewöhnliche Antihafteigenschaften mit hervorragenden physikalischen Eigenschaften auf der Produktseite.

Die so hergestellte Beschichtung zeichnet sich beispielsweise durch einen hohen Elastizitätsmodul (28-32 GPa) und eine hohe Dichte (1,5 g/cm³) aus. Daraus ergibt sich ein Mohs-Härtebereich von 5,5, der damit auf dem Niveau von Glas oder Emaille liegt. Als Antihaftbeschichtung zeichnet sie sich außerdem durch eine niedrige Oberflächenenergie (< 28 mN/m) bei geringer Polarität (< 1,5 mN/m) aus.

Unterstützt wird dieses Verhalten dadurch, dass es den Fraunhofer-Forschern gelungen ist, die UltraPLAS-Schicht mit einer besonders dünnen Schichtdicke von weniger als 100 nm herzustellen. Dies erwies sich im Projekt GlossyCast sogar als notwendig, um einen guten Anti-Haft-Effekt zu erzielen. Darüber hinaus lassen sich mit den dünnen, strukturlosen Schichten sowohl nanoskalige Oberflächenstrukturen, z. B. für das Nanoimprint-Verfahren, als auch spiegelglatte Oberflächen perfekt abbilden.

Nachhaltige Qualität und wirtschaftliche Produktion garantiert

Umfangreiche Praxistests, die im Rahmen der Projekte bei verschiedenen Industrieunternehmen durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass Entformungskräfte und die Bildung von Ablagerungen im Bereich des Spritzgießens reduziert werden. Außerdem hat sich gezeigt, dass durch die Reduzierung der Adhäsionskräfte die Gesamtentformungskräfte sinken. Dadurch kann die Entformungstemperatur erhöht und die Reibung reduziert werden.

Im Gegensatz zum Stand der Technik lassen sich die Beschichtungen mit der Plasmatechnik effektiv und schonend entfernen, so dass bei Bedarf mehrmals eine neue Beschichtung ohne Qualitätsverlust aufgetragen werden kann. Dies ist vor allem für hochglänzende Werkzeugoberflächen interessant, da ein zeitaufwändiges Polieren oder eine Ultrapräzisionsbearbeitung entfallen kann.

Es hat sich auch gezeigt, dass die direkte Herstellung von hochwertigen Zinkdruckgussoberflächen mittels Gießtechnik die Wirtschaftlichkeit deutlich erhöhen kann. Durch die deutliche Verbesserung der Oberflächenqualität der Gussteile können kosten- und zeitintensive mechanische Nachbearbeitungsschritte wie Strahlen, Schleifen und Polieren vereinfacht oder sogar ganz vermieden werden.

Darüber hinaus können die einzelnen Prozessschritte der Galvanik verkürzt oder reduziert werden. Die Entwicklung dieser dauerhaften UltraPLAS-Trennschlichte für den Zinkdruckguss steht für einen bedeutenden Fortschritt in der Gießereitechnik. Die Möglichkeit, Trennmittel einzusparen, eröffnet neue Potenziale, um die Gussqualität zu verbessern, die Produktionskosten zu senken und die Produktion umweltfreundlicher zu gestalten.

Da die Gussstücke ohne Trennmittel hergestellt werden, reduziert sich die Vorbehandlungszeit für die Galvanik und der Materialverbrauch wird gesenkt. Die hergestellten Bauteile weisen die gewünschte Rauheit auf. Durch die glattere Oberfläche kann auf die Glanzverkupferung verzichtet werden, was zu Einsparungen bei Material, Zeit und Abwasser führt. Die Reduzierung der Schichtdicke von Kupfer (Cyanid) und Glanznickel um jeweils 50 Prozent führt zu weiteren Material- und Zeiteinsparungen.

Der Entwicklung von UltraPLAS ging die PLASLON-Antihaftbeschichtung voraus, die sich durch hohe Härte (Mohs-Härte 4,5-5,5) und hervorragende Temperaturbeständigkeit bis 230°C auszeichnet. Dieses Eigenschaftsprofil hat PLASLON zu einer beliebten PFAS-freien, leicht zu reinigenden Beschichtung für Kochgeschirr gemacht.

Durch kontinuierliche Innovation und die Entwicklung von Produkten wie UltraPLAS und PLASLON leistet unser Institut einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung von Produktionsprozessen und zur Förderung der Nachhaltigkeit in der Industrie.

Zur Verfügung gestellt vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM