Antiadhäsive konturtreue Schichten für die Kunststoff-Formgebung

Antiadhäsive konturtreue Schichten für die Kunststoff-Formgebung

Fresnel-Linse aus Kunststoff, hergestellt mit einem beschichteten Formwerkzeug.
© Fraunhofer IST, Falko Oldenburg
Fresnel-Linse aus Kunststoff, hergestellt mit einem beschichteten Formwerkzeug.

Mit Spritzguss- und Heißprägeverfahren können Kunststoffprodukte mit definierten und komplexen Formen und Strukturen geschaffen werden. Für die wirtschaftliche Fertigung hoher Stückzahlen sind kurze Zykluszeiten erforderlich. Die Neigung vieler Polymere zur Adhäsion an der Werkzeugoberfläche drosselt allerdings die Produktion, da die Entformung der Kunststoffbauteile erschwert wird. Die Folge sind längere Zykluszeiten, Kompromisse bei der Prozessführung und eingeschränkte Gestaltungsmöglichkeiten der realisierbaren Strukturen und Oberflächengüten. Häufig müssen Trennmittel eingesetzt werden, um die Entformung zu erleichtern oder überhaupt zu ermöglichen. Externe Trennmittel werden zwischen den Zyklen auf das Formwerkzeug aufgebracht und erhöhen damit die Zykluszeit. Interne Trennmittel werden dem Polymer zugemischt und können die Materialeigenschaften negativ beeinflussen und stellen zudem einen erheblichen Kostenfaktor dar. Darüber hinaus sind zum Teil für spezielle Formmassen keine geeigneten Trennmittel verfügbar. Das Fraunhofer IST arbeitet hier an wirtschaftlichen Beschichtungslösungen, die Zykluszeiten verkürzen, die Entformung erleichtern und die Qualität erhöhen.

Optimierte Antihaft-Beschichtungen für strukturierte Formwerkzeuge

Die Basis des alternativen Lösungsansatzes des Fraunhofer IST sind verschleißfeste antiadhäsive Beschichtungen, die auf die Werkzeugoberfläche aufgetragen werden. Die Beschichtungen dürfen nur geringe Adhäsionskräfte in Wechselwirkung mit dem Polymer ausbilden, müssen aber gleichzeitig eine gute Beständigkeit für den Einsatz auf dem Werkzeug besitzen. Eine zusätzliche Herausforderung für die Beschichtung komplexer Formen ist ihre Konturtreue.

Für medizintechnische und optische Komponenten werden zunehmend Mikrostrukturen mit steilen Flanken und hohen Aspektverhältnissen benötigt. So ist zum Beispiel bei der Herstellung von Lab-on-a-chip-Systemen die Abformung von feinen Mikrofluidik-Kanälen erforderlich. Flache und kompakte optische Komponenten wie sie z. B. für Head-up-Displays oder Konzentrator-Solarzellen verwendet werden, können mit sogenannten Fresnel-Strukturen auf dem Werkzeug hergestellt werden. Für die Funktion und Effizienz dieser und vieler weiterer Komponenten aus Kunststoff ist eine präzise Replikation der feinsten Strukturen notwendig. Darüber hinaus muss die antiadhäsive Beschichtung der Kontur des Formwerkzeugs folgen, damit die engen Fertigungstoleranzen eingehalten werden.

Von der Entwicklung zum Industrie-Praxistest

Das Fraunhofer IST hat im Rahmen des AiF-Projekts »Konturtreue und antiadhäsive Beschichtungen für mikro­strukturierte Formgebungswerkzeuge für effiziente Kunststoffverarbeitungsprozesse« PACVD-Prozesse für die Beschichtung von komplex strukturierten Formwerkzeugen mit hoher Konturtreue entwickelt. Die Basis dafür bilden modifizierte DLC-Schichten (a-C:H:X, X = O, Si, F) mit geringer Oberflächenenergie. Bei anschließenden Untersuchungen dieser Schichten am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt konnte gezeigt werden, dass die Entformungskräfte beim Spritzgießen von Polycarbonat durch eine SICON®-Beschichtung (a-C:H:Si:O) um bis zu 90 Prozent reduziert werden können. Erste industrielle Praxisversuche mit strukturangepassten modifizierten DLC-Werkzeugbeschichtungen in Zusammenarbeit mit der Firma ORAFOL Fresnel Optics lieferten bereits vielversprechende Ergebnisse. Mit diesen innovativ beschichteten Formwerkzeugen können Fresnel-Linsen sogar aus einem speziellen Polymer gefertigt werden, das aufgrund seiner starken Adhäsionsneigung auf konventionellem Wege nicht verarbeitet werden kann. Optische Effizienzmessungen zeigen, dass eine hohe Konturtreue und produktionstaugliche Qualität mit dem neuen Fertigungsansatz erreicht werden kann. Diese Entwicklungsergebnisse belegen das hohe Anwendungspotenzial von modifizierten DLC-Beschichtungen als Werkzeugbeschichtung in der Kunststoffverarbeitung.

Ausblick

Die aussichtsreichen Schichtsysteme und Prozesse werden für verschiedene Anwendungen in der Kunststoffverarbeitung und für weitere Polymersysteme weiterentwickelt. Wichtige Ziele sind die Beschichtung von Formwerkzeugen mit größeren Abmessungen und die Optimierung der Werkzeugoberflächen inklusive der Schichtsysteme für die Fertigung von hochqualitativen Kunststoffprodukten.

 

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