Edle Oberlächen

Direktlackierung im Werkzeug

In einer FuE-Kooperation zwischen Panadur und dem Kunststoff-Zentrum in Leipzig (KUZ) entstanden Lack- und Technologieentwicklungen zur Herstellung von Polyurea-basierten Beschichtungen auf thermoplastischen Spritzgießteilen mit der Formteil-Direktbeschichtung (In Mould Coating – IMC).

Kraterförmige Ausbrüche im Thermoplast-Träger nach Haftabzugsprüfung (links) und oberflächennahe Brüche in der Grenzschicht thermoplastischer Träger nach der Haftabzugsprüfung. (Bild: KUZ Leipzig)

Funktionsformteile aus Thermoplasten erhalten häufig erst mit Lackierungen eine hochwertige Anmutung. Diese veredelten Oberflächen werden auch den steigenden Anforderungen aus dem Automotive-, Sanitär- oder Gebrauchsgüter-Sektor gerecht. Eine effiziente Möglichkeit zur Direktbeschichtung von Spritzgussteilen mit einem reaktiven Lack-System bietet die technologische Umsetzung der Verfahrenskombination aus Thermoplast- und Reaktionsspritzguss. Sie basiert auf dem Zwei-Komponenten-Spritzguss, wobei hier als zweite Komponente das reaktive Lack-System in die Werkzeugkavität (RIM-Verfahren) eingetragen wird. Das reaktive Lacksystem verbindet sich bei der Vernetzung dauerhaft mit dem spritzfrischen Thermoplast-Träger.

Essentiell für die prinzipielle Gebrauchstauglichkeit derartiger Verbundformteile ist die Verbundfestigkeit zwischen thermoplastischem Substrat und Polyurea-Überzug. Als Formmassen zur Herstellung der thermoplastischen Träger sind polare technische Kunststoffe und Blends mit Oberflächenenergien oberhalb von etwa 38 mN/m geeignet. Ein direkter Zusammenhang zwischen Oberflächenenergie und Verbundhaftung bzw. Langzeitstabilität ist nicht eindeutig gegeben, so dass das erreichte Eigenschaftsniveau in jedem Fall am beschichteten Formteil geprüft werden muss. Für konkrete Anwendungen sind die Umgebungsbedingungen im beabsichtigten Einsatz-Bereich wie werkstoffspezifische Dauergebrauchstemperatur und Medien-Einfluss zu berücksichtigen.

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Die Polyurea-Beschichtungen sind nach Unternehmensangaben VOC-frei und intrinsisch selbsttrennend. Neben Klarlack-, Transluzent- und Piano-Black-Formulierungen ist auch eine Vielfalt an Color- oder Metalleffekt-Systemen, bei Bedarf kombiniert mit Reflow-Effekt, verfügbar. Die IMC-Vernetzung geschieht innerhalb 40 bis 100 Sekunden bei 50 bis 80 °C Werkzeugtemperatur.

Metalleffekt-Lack-Beschichtungen auf Thermoplast-Träger, hergestellt im kontinuierlichen IMC-Verfahren (Bild: KUZ Leipzig)

Die Verarbeitung der IMC-Komponenten Polyamin, Farbbatch und Härter erfolgt generell als 3-K-System. Das ermögliche eine breite Variation der Mischungsverhältnisse. Farbwechsel sollen sich kostengünstig und mit geringerem Material- und Zeitaufwand realisieren lassen. Diese Vorgehensweise ist auch bei der großtechnischen Umsetzung in einer Produktion mit häufigen Farbwechseln empfehlenswert.

Verbundhaftung – kein Problem
Lassen sich an spritzfrischen thermoplastischen Trägern Oberflächenenergien oberhalb 38 mN/m nachweisen, ist die Verbundhaftung zwischen Substrat und Polyurea-Beschichtung prinzipiell gegeben. Bemühungen zum mechanischen Ablösen der Beschichtung vom Träger werden immer Brüche im thermoplastischen Träger zur Folge haben.

Zur Quantifizierung der Verbundhaftung lässt sich beispielsweise ein Haftabzugstest nach ASTM D-4541 heranziehen. Für die Bewertung der Resultate muss das Deformationsvermögen des Thermoplast-Trägers durch Zugbeanspruchung während der Messung Berücksichtigung finden. Anderenfalls können zusätzlich auftretende Spalt- und Schälkräfte (dünnwandige Träger ohne Strukturversteifungen, gespritzt aus unverstärkten Formmassen mit niedrigen E-Modulen), die der eigentlichen Zugbeanspruchung überlagert sind, zu Fehlinterpretationen führen. Dieser Test zur Charakterisierung der Formteil- und Gebrauchseigenschaften widerspiegelt daher direkt das spezifische Bauteil-Versagen. Kritisch sollte die Übertragung von Messergebnissen auf andere Formteil-Geometrien betrachtet werden.

Die Verfahrenskombination aus Thermoplast- und Reaktionsspritzguss bietet eine interessante Möglichkeit zur Direktbeschichtung von Spritzgussformteilen mit reaktiven Polyurea-Lacksystemen. Dabei beeinflussen die Farbbatch-Zugaben jeglicher Art weder die Verbundhaftung zum jeweiligen thermoplastischen Trägermaterial noch das Selbstrennverhalten oder die Prozess-Stabilität. Das Potential dieser Oberflächentechnologie ist, so das KUZ, ist bei Weitem nicht ausgeschöpft. Neben den immer noch essenziell erforderlichen Arbeiten zu Thermoplast-Reaktionslack-Verbunden legt das Institut aktuelle und künftige Themenschwerpunkte auf Untersuchungen zur Werkzeuggestaltung und dem Folien Hinterspritzen mit Klarlack-Überzug.

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