Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Prozessstabilität bei der Organoblechumformung durch wärmeisolierende Werkzeugbeschichtungen

Organobleche zeichnen sich durch ein hohes Leichtbaupotenzial und eine hohe Produktivität bei der Umformung aus. Der Prozess wird inzwischen gut beherrscht und es sind bereits erste industrielle Anwendungen bekannt. Ein weiterer Einzug in die Serienfertigung ist in absehbarer Zeit zu erwarten. Allerdings treten mit zunehmender Bauteilkomplexität zunehmend unzureichend konsolidierte Bauteilbereiche auf, die vor allem das optische Erscheinungsbild beeinträchtigen. Bei der Organoblechumformung werden die Halbzeuge über die Schmelztemperatur der Kunststoffmatrix erwärmt, in einem vergleichsweise kalte, Umformwerkzeug umgeformt und endkonsolidiert. Sobald es zum Werkzeugkontakt kommt, kühlt das Halbzeug jedoch innerhalb von Sekunden aus und erstarrt. Insbesondere bei tiefen oder komplexen Bauteilen wird die Werkzeugkontaktzeit so lang, dass die Matrix bereits vor dem Schließen erstarrt ist und so nicht endkonsolidiert wird.

Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung einer Werkzeugbeschichtung, die die Erstarrung der Kunststoffmatrix verzögert und so ein größeres Prozessfenster für die Umformung ermöglicht. Hierzu werden wärmedämmende Beschichtungssysteme für die Anforderungen der Organoblechumformung entwickelt, ihre Funktionsfähigkeit überprüft und weiter optimiert. An der Prozesskette zur Verarbeitung von Organoblechen sind zahlreiche Branchen beteiligt, sodass eine Vielzahl von Unternehmen von einem verstärkten Einsatz profitieren würde. Zusätzlich können viele weitere Prozesse der Kunststoffformgebung, z. B. in den Bereichen Spritzgießen, Heißprägen oder Thermoformen mit einer wärmeisolierenden Werkzeugbeschichtung weiterentwickelt und verbessert werden. Durch die Branchenübergreifende Relevanz des verfolgten Ansatzes kann sich eine Vielzahl unterschiedlicher Unternehmen aktiv einbringen, sodass das Vorhaben sowohl direkt als auch indirekt zur Stärkung der KMU und des Wirtschaftsstandortes Deutschland beiträgt.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurden nitridische Hartstoff- und modifizierte DLC-Schichten mit typischen Schichtdicken im Bereich einiger Mikrometer sowie keramische Wärmedämmschichten, wie ZrO2 mit Schichtdicken über 200 μm als wärmedämmende Schichten für den Thermoformprozess untersucht. Dadurch sollte die Oberflächenqualität der Organoblechbauteile gesteigert werden. Die Wärmedämmwirkung und Wärmeleitfähigkeit der Schichten wurden zunächst mit einer Testapparatur bewertet und nachgewiesen. a-C:H:Si:O-Schichten liefern das beste Ergebnis unter den untersuchten Dünnschichtsystemen. Die typische Schichtdicke der a-C:H:Si:O-Schichten konnten erfolgreich auf mehr als 16 µm gesteigert und auf Werkzeuge übertragen werden. Mit a-C:H:Si:O-Beschichtungen versehene Werkzeugoberflächen hatten allerdings unter den gewählten Testbedingungen nur einen geringen Einfluss auf die Oberflächenqualität der Bauteile. Lediglich bei extremen Prozessbedingungen wie sehr geringen Stößelgeschwindigkeiten oder Werkzeugtemperaturen, wurde eine Verbesserung der Oberflächenqualität ermittelt. Die wärmedämmenden ZrO2-Schichten zeigten dagegen im Umformversuch einen signifikanten Einfluss auf die Oberflächenqualität der Bauteile. Durch die Verwendung einer Kombinationsschicht bestehend aus ZrO2 mit einer Dicke von 600 μm und einer antiadhäsiven a-C:H:Si:O-Deckschicht mit einer Dicke von 3 μm wurden Bauteile hergestellt, die keine offenen Faserbündel oder Oberflächendefekte aufwiesen. Durch die Beschichtungen ergeben sich verschiedene Vorteile, die im Thermoformprozess zu einer erhöhten Produktivität führen können. Die Werkzeugtemperatur kann gesenkt werden, wodurch es möglich ist die Dauer des Thermoformprozesses zu verkürzen. Dadurch kann die Taktzeit reduziert werden. Ein weiterer Vorteil, den die Beschichtungen bieten, ist die Robustheit gegen Temperaturschwankungen, wodurch die Temperaturregelung der Umformwerkzeuge vereinfacht werden kann.