Kostengünstigere Kunststoffteile mit besserer Oberflächenqualität: Das Spritzguss-Werkzeug ist mit einer Dünnschicht-Temperierbeschichtung versehen.
Fraunhofer IWM
Kunststoffteile lassen sich künftig mithilfe einer Dünnschichtheizung mit verbesserter Oberflächenqualität herstellen. Forschern ist es gelungen, wie die Fraunhofer-Gesellschaft berichtet, den zu diesem Zweck nötigen Energiebedarf zu senken. Eine Entwicklung, die auch für die energieeffiziente Herstellung von Teilen wie beispielsweise Displays, Abdeckungen oder auch Armaturentafeln nicht uninteressant sein könnte.
Für Kunststoffkomponenten mit hochwertigen Oberflächen wird im Variothermverfahren das gesamte Formwerkzeug auf etwa 110 °C aufgeheizt, das entspricht zum Beispiel der Verarbeitungstemperatur von thermoplastischen Kunststoffen wie Polycarbonat. Damit man das fertige Kunststoffteil schadensfrei aus der Form nehmen kann, muss diese anschließend um rund 20 bis 30 °C herunter gekühlt werden - und das in jedem Produktionszyklus immer wieder aufs Neue. "Das bedeutet einen großen Energieaufwand", erläutert Alexander Fromm vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg.
Neuartiges Temperierverfahren
Gemeinsam mit seinen Kollegen und dem Kunststoff-Zentrum in Leipzig hat er deshalb ein neuartiges Temperierverfahren entwickelt. Damit soll sich der Energiebedarf im Vergleich zu bisher verwendeten Verfahren je nach Produkt um bis zu 90 Prozent senken lassen. Der Trick dabei ist, wie die Wissenschaftler verraten, dass nicht mehr das gesamte Formwerkzeug aufgeheizt wird - welches beispielsweise abhängig vom Kunststoffteil bis zu einer halben Tonne und mehr wiegen kann -, sondern lediglich noch die Werkzeugoberfläche erwärmt wird, die mit der Kunststoffschmelze in Berührung kommt.
Mikrometer dünne Schicht
Möglich macht dies eine Dünnschichtheizung, erklären die Forscher. Dazu beschichten die Wissenschaftler die Wand des Formenwerkzeugs mittels eines vakuumbasierten Beschichtungsverfahrens, dem Sputterprozess. Wie in einer Art Billardspiel werden dabei in einer Vakuumkammer die Schichtatome aus dem Ausgangsmaterial mithilfe von energiereichen Ionen herausgeschlagen. Das atomar zerstäubte Material kondensiert auf der Oberfläche des Formwerkzeugs zu einer aus mehreren Lagen aufgebauten Schicht, deren Dicke nur wenige Mikrometer (1µm ist ein Tausendstel Millimeter) misst. Diese extrem dünne Schicht kann nicht nur die Oberfläche des Formwerkzeugs auf die gewünschte Temperatur bringen, sondern sie hält auch den thermomechanischen Belastungen beim Spritzgießen stand, erläutern die Fraunhofer Experten.
Als elektrische Isolation diene eine keramische Lage, die die leitfähige Heizschicht vom darunter liegenden Stahlwerkzeug abschirme. Die eigentliche beheizbare Schicht besteht aus einem speziell angepassten, leitfähigen Hartstoff, wie weiter verraten wird. Die Herausforderung beim Besputtern bestehe darin, nicht nur eine perfekte Isolationsschicht herzustellen, um Kurzschlüsse zu vermeiden, sondern auch einen Sensor in der Dünnschichtheizung unterzubringen. Mit diesem soll die Temperatur am Ort des Geschehens gemessen und der Produktionsprozess gesteuert werden können.
Dünne Thermodrähte
Dies gelang den Forschern, indem sie extrem dünne Thermodrähte mit Stärken von wenigen 100 Nanometer aus Nickel beziehungsweise einer Nickel-Chrom-Legierung integrierten. Diese können in Dünnschichttechnik hergestellt und in den Schichtstapel eingefügt werden. Die Thermoelemente reagieren wegen ihrer extrem geringen Massen sehr schnell auf Temperaturveränderungen und erlauben eine direkte Messung der Temperatur der Werkzeugwand. Im Labor konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass sich diese Dünnschichtheizung in kürzester Zeit auf die gewünschte Formwandtemperatur einstellen lässt. Nun suchen sie Partner aus der Industrie, mit denen sie das Verfahren in einen serienreifen Prozess überführen können.