Mit dem Wachsspritzguss-Verfahren werden schnell und unkompliziert Modelle für den Feinguss hergestellt. Ein trennmittelfreies Trennschichtsystem soll nun eine nachhaltige Permanentbeschichtung auf dem Werkzeug ermöglichen.
Trennmittelfreier Wachsspritzguss durch Einsatz einer plasmapolymeren Trennschicht.
Fraunhofer IFAM
Das Feingussverfahren wird eingesetzt, wenn filigrane Strukturen oder besonders hochwertige Oberflächen beim herzustellenden Gussbauteil gefordert sind. Das dafür benötigte Positivmodell wird in der Regel im Wachsspritzguss hergestellt. Hierbei kommen Formen und Formeinsätze aus Aluminiumlegierungen, Stahl und Messing zum Einsatz. Zur Abformung der Modelle wird flüssiges oder pastöses Wachs in die Kavität der Metallform eingespritzt. Nach der Verfestigung des Wachses wird die Form geöffnet und der sogenannte "Wachsling" entformt.
Trennmittel, typischerweise in Form von Silikonsprays, unterstützen den Entformungsprozess. Ohne den Einsatz von Trennmitteln ist eine vollständige und zerstörungsfreie Entformung des Wachsmodells aus dem Formwerkzeug nach dem Stand der Technik nicht möglich. Bei deren Verwendung kommt es jedoch beim Entformungsvorgang zum Übertrag des Trennmittels auf die Oberfläche des Wachsmodells sowie zur Bildung des sogenannten Formenaufbaus, einem Belag aus Trennmittel und Wachs. Turnusmäßige Kosten für Reinigung der Spritzgusswerkzeuge, die Freisetzung von Silikon-Aerosolen, Kosten für das Abwaschen der Silikonanhaftungen von den Wachslingen sowie Qualitätsmängel in der Oberfläche der keramischen Schalen sind weitere Nachteile.
Plasmapolymere Trennschicht für Spritzgießwerkzeuge
Zur Überwindung der oben genannten technischen und wirtschaftlichen Nachteile wurde in dem von der AiF geförderten Projekt der Ersatz der Trennmittel durch eine vom Fraunhofer IFAM entwickelte plasmapolymere Trennschicht (ReleasePlas) erforscht. Die Funktionsschicht auf den Spritzgießwerkzeugen wurde mittels einer plasmagestützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) erzeugt. Zuvor wurden die Spritzgießformen sorgfältig gereinigt und vor dem Beschichtungsprozess in einzelne Segmente zerlegt in der Plasmakammer angeordnet, so dass alle zu beschichtenden Oberflächen freilagen.
Die Untersuchungen der durch diesen Prozess hergestellten Trennschicht zeigten eine sehr gute Haftung auf der metallischen Form, hohe Kohäsionsfestigkeit und niedrige Oberflächenenergie. Die Beschichtung habe durch die geringe Schichtdicke von ≤ 2 μm keinen Einfluss auf die Maßhaltigkeit der Spritzgießformen. So könne die Trennschicht sowohl auf neue, als auch auf vorhandene Spritzgießwerkzeuge aufgetragen werden. Neben dem wichtigen Arbeitsschutz für die Mitarbeitenden, die zukünftig keinen Schad- und Fremdstoffen durch Aerosole ausgesetzt sein müssen, ergeben sich weitere Vorteile: Die Stillstandzeiten durch Wartung und Reinigung an den Werkzeugen der Spitzgießanlagen werden minimiert und Trenn- sowie Reinigungsmittel eingespart. Das Säubern der Wachsteile entfalle und es treten keine Benetzungsprobleme beim Auftrag der primären Keramikschale auf. Zudem werde die Oberflächenqualität verbessert und der Ausschuss verringert.
Industriell anwendbar
Innerhalb des Projektes wurde die Permanentbeschichtung nicht nur am Fraunhofer IFAM in Laborversuchen, sondern zusätzlich unter industriellen Bedingungen bei Feingießern erfolgreich an mehreren Spritzgießformen getestet. Die Bandbreite der genutzten Spritzgießwerkzeuge (Handformen und Automatenwerkzeuge) reichte dabei von einfachen bis hin zu hoch komplexen Geometrien mit Losteilen und hydraulischen Schiebern mit unterschiedlichem Bedarf an Trennmittel. Im Rahmen der Projektlaufzeit hat ein Feingießer bereits über 40 000 Wachsteile mit einer Spritzgießform (Geometrie Turboladerrädchen) komplett trennmittelfrei gefertigt, ohne eine Abnutzungserscheinung an der Trennschicht festzustellen.
Um die Vorteile der Beschichtung in den Feingießereien im vollen Umfang wirtschaftlich nutzbar zu machen, werden weitere Untersuchungen in Folgeprojekten angestrebt. Insbesondere sollen nachgelagerte Prozesse im Anschluss der Wachsmodellherstellung beleuchtet werden, um somit den wirtschaftlichen Nutzen für die Feingussbetriebe noch deutlicher zu machen und quantifizieren zu können.