Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss von thermo-mechanischen Betriebsbeanspruchungen auf die Belagbildungsneigung von beschichteten Stahloberflächen in Kunststoffverarbeitungsmaschinen

Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist es, die den Einfluss der thermomechanischen Betriebsbeanspruchungen in Kunststoffverarbeitungsmaschinen auf die Mechanismen der Belagbildung an beschichteten Stahloberflächen aufzuklären und daraus Handlungsempfehlungen für die kunststoffverarbeitende Industrie und den Kunststoffmaschinen und -werkzeugbau abzuleiten. Die gewonnenen Erkenntnisse können von den Maschinen- und Komponentenherstellern zur Dimensionierung der Komponenten (z. B. Schnecken) hinsichtlich Verformungen genutzt werden. Beschichtungsunternehmen können den Aufbau der Schichtsysteme hinsichtlich Duktilität und Schichtanbindung gezielt weiter entwickeln. Den mittelständischen Kunststoffverarbeitern können Handlungsempfehlungen für die Prozessbedingungen bei An- und Abfahrvorgängen und bei Reinigungsprozeduren gegeben werden. Bei Neuentwicklungen kann zielgerichtet und damit schneller auf Produktionsprobleme reagiert werden bzw. Probleme vorausschauend vermieden werden. Dadurch werden Produktentwicklungszeiten verkürzt und innovative Produkte können schneller am Markt sein.

Im Vorhaben werden zunächst reale Maschinenkomponenten hinsichtlich der Schädigungsmechanismen durch die thermomechanischen Betriebsbeanspruchungen untersucht und mit der Belagbildungsneigung korreliert. Dabei wird der Rolle von Mikrorissen in den Beschichtungen und der Diffusionsmöglichkeit von Eisenionen aus dem Stahluntergrund besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Aus den gefundenen Schadensbildern wird ein Laborversuch konzipiert mit dem der Einfluss der thermomechanischen Beanspruchungen auf die Belagbildungsneigung nachgestellt wird. Der Laborversuch wird mit weiteren Feldversuchen validiert und die wesentlichen Einflussparameter auf die Belagbildungsneigung werden identifiziert. Die Erkenntnisse und die Versuchseinrichtung stehen für individuelle weitere Entwicklungen zur Verfügung.

Ergebniszusammenfassung:

Es ist gelungen Diffusionspfade zu identifizieren und den Mechanismus der Eisendiffusion auch im industriellen Umfeld nachzuweisen. Zusätzlich wurde die Anreicherung von Phosphor in Betriebs- und Modellversuchen als möglicher weiterer Einflussparameter der Belagbildung identifiziert. Im direkten Vergleich mit den bereits vorhandenen Schichtdefekten scheinen die in diesem Projekt untersuchten Schädigungen, verursacht durch die thermomechanische Betriebsbeanspruchung, eine untergeordnete Rolle zu spielen.

Eine Laborprüfmethode wurde entwickelt und validiert. Die Validierung wurde dabei anhand der Plastifizierschnecken aus den Betriebsversuchen durchgeführt. Die in den Betriebsversuchen nachgewiesenen Beläge und ihre Bestandteile, insbesondere Eisen und Phosphor konnten im Werkzeug mit der Laborprüfmethode nachgestellt und anschließend durch Analyse der Oberflächen nachgewiesen werden.

Aus diesem Vorhaben geht hervor, dass eine intakte Oberflächenbeschichtung ohne Defekte eine der Grundvoraussetzungen bei der Vermeidung von Belägen darstellt. Denn bereits im Neuzustand können kommerzielle Beschichtungen eine hohe Defektdichte aufweisen. Um Belagbildung erfolgreich zu vermeiden, sollten demnach Beschichtungen und Beschichtungsverfahren bevorzugt werden, die die Anzahl an Oberflächendefekten stark bis vollkommen einschränken. Beschädigungen der Beschichtung auch durch die zu verarbeitenden Formmassen sind dringend zu vermeiden. Ist der Ausbau der Schnecke erforderlich, so konnte gezeigt werden, dass von der Reinigung mit einer Stahldrahtbürste unbedingt abzuraten ist und die Auswirkungen der Reinigung auch von der Temperatur der Komponenten während der mechanischen Reinigung abhängt. In Zukunft könnte der Einsatz neuer Beschichtungen gezielter auf die Problematik der Belagbildung ausgelegt werden. Auch schonende Reinigungsmethoden sollten in den Unternehmen umgesetzt werden.