Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ultraglatte antiadhäsive Werkzeugbeschichtungen für Kunststoffformgebungs- und Folienverarbeitungsprozesse (GLANZFORM)

Es existieren bisher keine befriedigenden adhäsionsmindernden Beschichtungslösungen für Kunststoffverarbeitungswerkzeuge mit höchsten Anforderungen an die Oberflächengüte. Im Vorgängerprojekt konnten erfolgreich konturtreue antiadhäsive Beschichtungen entwickelt werden, die eine deutlich erleichterte Abformung bei hoher Konturtreue an Kanten und Strukturen des Werkzeugs ermöglichen. Für Anwendungen mit höchsten optischen Anforderungen ergaben sich aber auch Limitationen, weil alle bekannten Beschichtungen zu einer gegenüber der hochglänzenden Werkzeugoberfläche erhöhten Rauheit auf der Nanoskala führen, was die optische Qualität limitiert, indem der Streulichtanteil erhöht und der Glanz reduziert werden. Ziel des vorliegenden Vorhabens ist es nunmehr, die antiadhäsiven Beschichtungen weiter zu entwickeln, so dass die sehr hohen Oberflächenqualitäten des unbeschichteten Werkzeugs ohne Einschränkung erhalten bleiben. Am Beispiel von Prägewerkzeugen und an höchstwertigen Folienwalzen sollen antiadhäsive Beschichtungen weiterentwickelt und in ihrem Schichtwachstums so gesteuert werden, dass die höchstwertigen Oberflächen bei signifikant reduzierten Haftkräften realisierbar werden. Die Anwendungsbereiche von Spritzgieß-, Heißpräge- und Folienprozessen für höchste Oberflächenqualitäten sind einerseits wichtige Schlüsseltechnologien für Innovationen bei hochpreisigen Produkten, wie optischen Lichtleitsystemen oder Spezialfolien. Andererseits stellen die dort eingesetzten Werkzeuge und Verfahrenstechniken eine klare Domäne der mittelständischen Industrie dar. Die Hersteller von Werkzeugen für optische oder medizintechnische Formteile, von Prägewerkzeugen und auch von Folienwalzen sind fast ausschließlich mittelständisch strukturiert.

Ergebniszusammenfassung:

Schicht und Prozessentwicklung: Es wurden PVD-Prozesse im Cr-N-System als Templateschichten in verschiedenen Topographien (ca. Ra 3 …20 nm; Ra > 20 nm mit Vor- und Nachbehandlungen) entwickelt. Im Glanzbereich liesen sich die Erkenntnisse durch geeignete Kombinationen der Templateschichten mit PACVD-Antihaftschichten übertragen. Durch eine Anpassung der Prozesskette können nun bis zu 1 m große Körper beschichtet werden, so z.B. Prüfkörper und Werkzeuge für industrielle Tests bei pbA-Firmen.

Entformungstests und Abformversuche: Es wurden 2 Prüfstände zur Entformungskraftmessung aufgebaut. Die Ergebnisse der Heißpräge-Haftkraftmessungen lassen sich in normierter Betrachtung wie folgt zusammenfassen: Die polierte Oberfläche besitzt die höchste Entformungskraft (100%). Eine raue Stahloberfläche mit Hartchromschicht reduziert die Haftkraft auf ca. 80%, eine glatte PACVD-Antihaftschicht kann diese auf ca. 60% reduzieren. Mit der im Projekt entwickelten Templatebeschichtung mit definierter Rauheit + antiadhäsiver Deckschicht wird eine Reduzierung auf ca. 40% beobachtet.

Modellentwicklung: Die Reduktion der Haftkräfte lässt sich durch Steuerung der Kontaktfläche, durch gezieltes Einstellen der Rauheitsamplituden und Spitzendichten, auch und speziell im Bereich sehr glatter Oberflächen (Sa< 2 bei ungefähr gleicher Ablösekraft Oberflächen mit höherer Güte (kleinerem Sa) realisieren.

Fazit: Durch Veränderung der Oberflächenchemie sowie der Oberflächenrauheit wird die Haftkraft signifikant vermindert. Durch geeignete Kombination beider Effekte lässt sich eine signifikante Reduktion der Haftkraft erreichen. Diese lässt zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in vielen Bereichen der Kunststoffformgebung für Produkte mit hoher Oberflächengüte zu. Eine erste industrielle Umsetzung in der optischen Industrie erscheint vielversprechend.