Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Höhere Ressourceneffizienz durch erweiterte Dünnwandspritzgießtechnik mittels thermischer Barriere-Schichten (TBC) im Werkzeug

Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist es, das Potenzial von thermischen Isolierschichten in Spritzgießwerkzeugen auf die erreichbaren Mindestwandstärken im Dünnwandspritzgießen auszuloten und ggf. die Herausforderungen für die weitere Entwicklung der Schichten aufzuzeigen. Durch thermische Isolierschichten kann das Einfrieren der Randschichten in der einströmenden Schmelze kurzzeitig verzögert und damit längere Fliesswege bzw. geringere Wandstärken erreicht werden. Dies ermöglicht eine Reduktion des Materialeinsatzes, was einerseits die Wirtschaftlichkeit verbessert, andererseits aber auch wichtigen gesellschaftlichen Zielen wie der der Reduktion des Ressourceneinsatzes und des Abfallaufkommens entgegenkommt. Der Dünnwandspritzgießtechnik kommt beim Verpackungsspritzgießen, aber auch in wichtigen technischen Anwendungen wie z. B. Laptops, weißer Ware und Medizinprodukten eine wichtige Rolle zu. Die mittelständischen Kunststoffverarbeiter und Werkzeugbauunternehmen können durch das Erschließen der Technologie wichtige Wettbewerbsvorteile in einem technisch hoch anspruchsvollen Markt erlangen.

Im Vorhaben werden dünne thermische Barriereschichten, die prinzipiell bereits aus anderen Branchen (Gasturbinenbau) bekannt sind, für den Einsatz im Spritzgießwerkzeug weiterentwickelt. Parallel wird ein Versuchswerkzeug aufgebaut, um die Potenziale dieser Schichten hinsichtlich Wandstärkereduktion quantifizieren zu können. Mit verschiedenen Schichtsystemen werden Versuche zu erreichbaren Mindestwandstärken und Fließweglängen durchgeführt. Parallel wird durch eine speziell auf die Fragestellung ausgerichtete Temperatur- und Druckmesstechnik im Werkzeug eingesetzt, um die Wirkungsweise der Schichten aufzuklären. Dazu werden der durch die Schichten veränderte Wärmeübergang und die Rheologie der Schmelzeströmung an der Grenzfläche analysiert. Parallel werden im Vorhaben aber auch mögliche Risiken, wie die Verschleißbeständigkeit der Schichten untersucht.

Der Vorschlag hat definitiv einen hohen KMU-Bezug aufgrund der Relevanz für Spritzgießprozesse. Bei Zielerreichung können viele Wirtschaftszweige von den Erkenntnissen profitieren. Durch das Projekt werden existierende Geschäftsfelder abgesichert. Bedeutung und Nutzen für KMU (und andere Anwender) werden als hoch eingeschätzt.

Ergebniszusammenfassung:

Die Reduktion des Ressourcenbedarfs und damit des ökologischen Fußabdrucks unserer Produkte steht derzeit im Fokus des öffentlichen Interesses. Häufig wird die Mindestwandstärke jedoch nicht durch die Gebrauchseigenschaften der Produkte definiert, sondern durch den Spritzgießprozess. So wird die Mindestwandstärke oft durch die erreichbaren Einspritzdrücke an den Spritzgussmaschinen limitiert, da durch die geringen Fließquerschnitte von Dünnwandformteilen sehr hohe Einspritzdrücke notwendig werden, um die Kavitäten zu füllen.

In dem Projekt wurden thermische Barriereschichten (TBC) für Spritzgießwerkzeuge entwickelt, umfangreich charakterisiert und deren Potenzial zur Erweiterung des Dünnwandspritzgießens verifiziert.

Neben dem Vergleich der Fließweglängen wurden vor allem praxisnahe Füllsituationen betrachtet. Dazu wurde ein modularer Werkzeugeinsatz mit Kreuzrippen, unterschiedlichen Oberflächentopographien und Bindenähten konzipiert und realisiert. Es wurden jeweils Einsätze mit unterschiedlichen thermischen Barriereschichten den jeweiligen unbeschichteten Referenzwerkzeugeinsätzen gegenübergestellt.

Die erreichbaren Fließweglängen zeigten tendenziell eine Erweiterung des Fließwegs bei identischen Einspritzbedingungen, erwiesen sich aber im Rahmen der realisierbaren Beschichtungsdicken bis 20µm als zu gering. Andererseits konnten bei den praxisnäheren Formteilgeometrien mit Kreuzrippen deutlich größere Effekte auf die Formfüllung gezeigt werden und insbesondere in kritischen Bindenahtsituationen zeigten sich erhebliche Verbesserungspotenziale hinsichtlich der Mechanik und Optik der Bauteile an den Bindenähten. Strukturierte Werkzeugoberflächen werden durch die Beschichtung nicht vollständig konturgetreu abgebildet, so dass Topographieveränderungen nach der Beschichtung zu berücksichtigen sind.

Das Verschleißverhalten der Beschichtungen erwies sich als vielversprechend für die Anwendung.