Alternativen in der Werkzeugtechnik

Annina Schopen,

Zykluszeit runter: Einsatz hochwärmeleitfähiger Stähle

Die Zykluszeit ist ein wichtiger Parameter in der Spritzgießtechnik. Sie diktiert die Produktivität einer Serienfertigung und wirkt sich direkt auf die Stückkostenpreise aus. Deshalb versucht der Kunststoffverarbeiter mit verschiedenen Möglichkeiten, die Zykluszeit zu reduzieren beziehungsweise zu optimieren.

Prinzip der chemischen Gasphasenabscheidung. © Kunststoff-Institut Lüdenscheid

Ansatzpunkte sind Einstellungen an der Spritzgießmaschine oder spezielle Temperierungsmethoden im Werkzeug. Die Gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH (kurz KIMW-F) verfolgt mit dem Einsatz hochwärmeleitfähiger Stähle einen anderen Weg. Der damit einhergehenden Korrosionsanfälligkeit durch den geringeren Chromgehalt wird mit der Eigenentwicklung einer Beschichtung der Werkzeugoberfläche begegnet.

Jede Sekunde weniger zählt

Jede Sekunde, die bei einem Spritzgießzyklus eingespart werden kann, steigert die Produktivität eines Unternehmens. Das gilt vor allem für lange laufende Produktserien. Auf dem Markt haben sich diverse Methoden etabliert. Bei der Spritzgießmaschine ist die Auswahl des richtigen Maschinenkonzepts in Kombination mit optimalen Maschineneinstellungen bedeutend. Für die Werkzeugtechnik geht es vor allem um die schnelle Abführung der Wärme. Konturnahe oder dynamische Temperierung sind hier die erste Wahl. Die Forschungsstelle des KIMW-F hat im Forschungsprojekt „Sucre“ gemeinsam mit beteiligten Projektpartnern Kisico und GHD-Präzisions-Formenbau den Einsatz hochwärmeleitfähiger Werkzeugstähle untersucht. Die Verarbeitung beispielsweise von aggressiv reagierenden Kunststoffen wie PVDF (Polyvinylidenfluorid) fördert die Korrosion. Die Folge können ungewollte Abformungen der beeinträchtigten Oberfläche sein oder Reaktionsprodukte, die sich von der Oberfläche lösen und Bauteile kontaminieren. Das schafft insbesondere bei Hygieneartikeln wie Verschlusskappen im Packagingbereich von Lebensmitteln oder bei Medizinprodukten große Probleme.

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Die KIMW-F hat während des Projekts an geeigneten Beschichtungen zur Reduzierung von Korrosion und Belägen, die sich ebenfalls negativ auf die Zykluszeit auswirken, geforscht.

MOCVD-3D-Werkzeugoberflächen rundum geschützt

Beschichtungsdemonstrator Kühlkanal © Kunststoff-Institut Lüdenscheid

Die Forschungsstelle des Kunststoff-Instituts betreibt für seine Forschungsprojekte Anlagen zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD). Für die Abscheidung der funktionalen Beschichtungen kommen metallorganische Precursoren (MOCVD) zum Einsatz, die eine Beschichtung bei Temperaturen von weniger als 500 °C ermöglichen. Die Dünnschichten sind bei geringen Schichtdicken im unteren einstelligen Mikrometer-Bereich wirkungsvoll und schützen die Oberflächen gegen Verschleiß, Korrosion oder die Bildung von Belägen. Ein wesentlicher Vorteil der MOCVD ist deren 3D-Fähigkeit. Im Gegensatz zu gerichteten Verfahren, etwa der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), ist die CVD 3D-konform und auch spaltgängig, was in verschiedenen Projekten nachgewiesen wurde. Daher eignet sich dieses Verfahren besonders für die Beschichtung von Spritzgießwerkzeugen – beispielsweise das Verschlusskappenwerkzeug, das in dem vom BMWi geförderten Projekt Sucre hinsichtlich des Potenzials zur Zykluszeitreduzierung untersucht wurde.

Auswahl geeigneter Beschichtungssysteme

Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, spielen die Reaktionen zwischen den Precursoren, den Trägergasen und den Reaktionsgasen eine besondere Rolle.

Oxidische Schichten wie SiOx, ZrOx oder AlOx eignen sich sehr gut, um Werkzeugoberflächen vor korrosivem Angriff zu schützen. Im Rahmen der Untersuchungen haben sich Multilagen-Schichten aus wechselweise amorphem und kristallinem ZrOx als geeignete Option herauskristallisiert. Um die Haftung der Multilagenschicht zu optimieren, wurde eine Nickel-Haftvermittlerschicht auf den Werkzeugen appliziert.

Prozessentwicklung

Bauteil-Zykluszeitversuch. © Kunststoff-Institut Lüdenscheid

Um im Rahmen der Prozessentwicklung schnell und sicher Aussagen zur Leistungsfähigkeit der Schicht zu erhalten, kamen im Projekt speziell entwickelte Demonstratoren und Analysemethoden für die Erprobung der Beschichtungen zum Einsatz. Zur Bewertung der Schichteigenschaft „Korrosionsschutz“ nutzte man die Elektrochemische Impedanz-Spektroskopie (EIS). Die auf Probekörpern applizierten Schichten werden dabei hinsichtlich ihrer Porosität und ihrer Neigung für oder gegen Korrosion bewertet.

Für die Charakterisierung der Schichten in einer realen Umgebung wurden im Rahmen des Projekts verschiedene Demonstratoren eingesetzt: Kühlkanal-Demonstrator (KK-Demonstrator), Brenner-Werkzeug und Beschichtungsdemonstrator Kühlkanal.

Für den Einsatz in einem Kühlwasserkreislauf haben die Projektpartner einen Kühlkanal-Demonstrator entwickelt, dessen korrosionsbeständiger Grundkörper (1.2083) mit einer beschichteten Demonstrator-Platte (z. B. aus 1.2311) verschraubt wird. Dieser wird in einen Kühlkreislauf mit zum Beispiel einer Vorlauftemperatur von 40 °C eingebunden.

Das Beispiel einer beschichteten / unbeschichteten Platte zeigt, dass es an Stellen, wo das Wasser fließt, nur zu einer geringen Korrosion kommt. Im Seitenarm des Kühlkanals, wo das Wasser weniger in Bewegung ist, ist deutlich mehr Korrosion zu beobachten. Ebenso kommt es in dem kreisrunden Bereich, in den das Wasser aufgrund der Kapillarwirkung eindringt, zu einer erhöhten Korrosionsbildung. Je geringer die Korrosion in Abhängigkeit der Zeit ist, desto besser verhält sich die schützende Beschichtung.

Beschichteter Kontureinsatz nach 250.000 Schuss. © Kunststoff-Institut Lüdenscheid

Mit einem eigens entwickelten „Brennerwerkzeug“ wurden die Schichten auf ihre Widerstandfähigkeit gegenüber Heißgaskorrosion hin geprüft. Das Spritzgießwerkzeug ist so ausgelegt, dass zwei Schmelzefronten aufeinander zuströmen und es am Fließwegende zu einem Brenner kommt, der zur intensiven Ausgasung des Spritzmaterials führt. Bei der Verarbeitung von bestimmten Werkstoffen kann dies zu erhöhter Korrosion und Belägen führen. Die Zirkoniumoxid-Multilage (amorph /kristallin) zeigte hier eine deutliche Verbesserung gegenüber der unbeschichteten (1.2343) Oberfläche bei der Verarbeitung von fluorhaltigem PVDF-Kunststoff.

Als weiterer Demonstrator diente der Beschichtungsdemonstrator Kühlkanal für den Nachweis, dass der zu beschichtende Kühlkanal selbst als Reaktorraum für den CVD-Prozess genutzt werden kann. Das precursorbeladene Gas strömt in diesem Fall von der Düse direkt durch den Kanal des Demonstrators und beschichtet diesen, wie sich herausstellte, sehr gleichmäßig von innen.

Validierung unter Prozessbedingungen

Kühlkanal-Demonstrator © Kunststoff-Institut Lüdenscheid

Beim Projektpartner Kisico erfolgte die Validierung in der Serienproduktion eines beschichteten Drehkerns, womit Verschlusskappen für die Medizinbranche hergestellt werden. Die Spindeln samt dem konturgebenden Formkern des 16-fach-Werkzeugs sind aus einem Stück und komplett aus 1.2379 gefertigt. Für die Validierung im Projekt erfolgte die Teilung der Spindel einer Kavität in einen Formkern und die untere Werkzeugspindel. Die Umkonstruktion führte der Projektpartner GHD durch. So war es einerseits möglich, den formgebenden Kontureinsatz aus hochwärmeleitfähigem Stahl herzustellen, und andererseits, Beschädigungen am Werkzeug durch die geringeren mechanischen Festigkeiten der Ersatzspindel zu vermeiden.

Bei Kisico wurden Zykluszeitversuche unternommen. Eine Reduzierung der bisherigen Zykluszeit um 4 auf 19,7 Sekunden hatte zur Folge, dass bei Bauteilen aus den konventionellen Formnestern die Gewindegänge beim Entformen mitgezogen wurden. Das heißt, die Zeit zum Abführen der Wärme aus der Kavität war zu gering. Die Bauteile, die mit dem wärmeleitfähigen Kontureinsatz gefertigt wurden, zeigten keine qualitativen Nachteile. Die Reduzierung der Zykluszeit um 4 Sekunden entspricht einer Produktivitätssteigerung von 17 %; das ist in der Spritzgießverarbeitung ein außergewöhnlich hoher Wert.

Der Langzeitversuch wurde mit gut 250.000 Schuss gefahren. Danach wurde das Werkzeug zerlegt und die Werkzeugspindel samt Kontureinsatz analysiert. Ein leichter Abrieb der Beschichtung in den oberen Gewindegängen hatte keinen Einfluss auf die Qualität der gefertigten Bauteile oder auf die Prozessführung.

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