Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer neuartigen, verschleißfesten Beschichtung für Werkzeuge in der Kunststoffverarbeitung

The coating of tools and molds for polymer processing has significance in several respects. Conventional surface coating techniques (e.g. PVD and CVD processes) lead to very good coating properties. However, such processes are often a major cost factor because of their complex application. In this project a bottom-up approach is proposed which considers the improvement of the anti-adhesive properties and the corrosion resistance based on a cost effective multilayer coating process. The coating should, moreover, be suitable for cleaning and allow for a facile restoration (i.e., re-coating). To realize the desired multiple functions of the coating, a layer system is planned: (A) a first layer directly placed on the metal of tools and dies, serving as a functional and detachable interlayer, and (B) the bilayer topcoat comprising nanostructured oxidic films and molecular coatings based on functional organosilanes which provides wear-reducing, anti-corrosive and anti-adhesive properties. To evaluate the applicability of the coatings they are applied on typical tools for polymer processing and investigated under laboratory and typical process conditions. A coating system is created, which (i) acts anti-adhesive on mold surfaces and in cooling channels, (ii) prevents corrosive wear, (iii) prevents degradation reactions of the polymer in contact with metal molds, (iv) has a high durability during polymer processing and reduces abrasive wear, (v) provides the possibility for convenient re-coating, and (vi) is affordable and easy to handle in an industrial environment. Different economic groups benefit directly from the developed coatings as it is possible to produce high quality products. The results of the project can be implemented in polymer processing and chemical industries, based on the published results of the CARACOAT project, in consultation of the participating SME User Committee or in consultation of other service providers industries.

Ergebniszusammenfassung:

Innerhalb des Forschungsvorhabens konnten Hybridbeschichtungen bestehend aus einer strukturgebenden Ni/-oxid - Schicht und einer stark anti-adhäsiven Schicht aus perfluorierten Silanen hergestellt werden. Darüber hinaus wurden die Beschichtungen innerhalb der fokussierten technischen Anwendung in der Kunststofftechnik mit konventionellen Beschichtungen verglichen. Diese Oberflächen wurden zum einen innerhalb von Spritzgießwerkzeugen auf die Entformungskraft und auf den Verschleiß getestet. Ferner wurden die konventionellen Beschichtungen mit den Hybridbeschichtungen in einem Langzeitprüfstand getestet. Zusammenfassend lässt sich die Aussage tätigen, dass die Entformungsvorgänge durch die Hybridbeschichtungen deutlich verbessert werden. Die Oberflächeneigenschaften der getesteten Beschichtungen (TiN, Hybrid, unbeschichtet) ändern sich bei der kurzzeitigen Beaufschlagung der im Spritzgießprozess betrachteten Kunststoffe nur sehr geringfügig.

Im Langzeitprüfstand wurden die Beschichtungen mit einer Scherrate beaufschlagt, welche ca. 1000 Spritzgießzyklen entspricht. Die konventionellen Beschichtungen (bspw. DLC, PTFE, TiN) wiesen vor- und nach der Belastung vergleichbare Eigenschaften auf. Bei der Hybridbeschichtung konnte jedoch festgestellt werden, dass sich insbesondere der Kontaktwinkel nahezu auf den Wert der jeweiligen Nickelzwischenschicht verringert hat. Dies spricht für einen abrasiven Verschleiß, welcher letztendlich im vollständigen Abtrag der perfluorierten Silanen von der Trägerschicht resultiert. Anzumerken ist jedoch, dass der Langzeitprüfstand keine vergleichbare Übertragung auf den realen Spritzgießprozess liefern kann, da dauerhaft ein thermischer Energieeintrag besteht. Innerhalb der einzelnen Testreihen wurde die Wiederbeschichtung der geprüften Probekörper erfolgreich durchgeführt. Abschließend wurden mehrere Konzepte entwickelt die Beschichtung innerhalb von Spritzgießwerkzeugen nach geringem Schulungsaufwand für das Personal aufzutragen.