Hydrophobe Bauteiloberflächen in der Werkzeugkavität hergestellt

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Die Mikro- oder Nanostrukturierung muss so ausgeführt werden, dass es bei der Benetzung der Oberfläche zur Bildung von Luftkavitäten in den Vertiefungen der Topografie kommt. Diese Bildung einer heterogenen Benetzung wird auch Cassie-Baxter-Verhalten genannt. Die Mikrostrukturen sollten dabei idealerweise eine Größe von 10 bis 20 µm mit einer Nanostruktur von etwa 50 bis 100 nm haben.

Erste Erfolge der Abformung im Heißprägeprozess nachgewiesen

In enger Zusammenarbeit mit der GMBU e.V., Radeberg, wurden Schichtsysteme in vier Grundvarianten mit jeweils mehreren Variationen der Topografie der Oberflächenstruktur aufgebaut. In ersten Abformtests mittels Heißprägeverfahren wurde die Abformbarkeit der strukturierten Sol-Gel-Schicht auf Kunststoffteilen überprüft.

Das Heißprägen ist im Vergleich zu bestehenden Replikationstechniken wie Spritzgießen oder Spritzprägen ein einfaches Verfahren mit wenigen Verarbeitungsparametern und Prozessschritten. Aufgrund langer Zykluszeiten ist dieses Verfahren jedoch kaum für eine Anwendung in der Massenproduktion geeignet.

Optimales Schichtsystem in Spritzgießversuchen eingesetzt

Eine Variante erwies sich hinsichtlich der Grundhärte und Haftfestigkeit auf dem Stahlsubstrat als optimales Schichtsystem. Im späteren Verlauf des Projektes wurden für die Spritzgießversuche nur Schichten dieser Variante eingesetzt. Dabei betrug die Schichtdicke des aufgebrachten Sol-Gel-Schichtsystems etwa 20 µm.

Die Oberflächentopografie der Schichtsysteme und der replizierten Abformungen in Kunststoff wurde je nach Strukturgröße mittels AFM, REM oder Auflicht-Mikroskopie beurteilt (Bild 1). Ein weiteres wichtiges Kriterium zur Charakterisierung der erreichten Hydrophobie ist die Ermittlung des Kontaktwinkels gegen Wasser. Die Auswertungen der Messergebnisse zu den ersten Beschichtungsvarianten ergaben dabei bereits erste Erfolge bei der Abformung einer hydrophoben Sol-Gel-Struktur in Kunststoff im Heißprägeprozess (Bild 2).

Höhe der Werkzeugtemperatur ist für die Abformung entscheidend

Im Spritzgießverfahren können in einem Werkzeug sehr kostengünstig komplexe Bauteile und Strukturen in hohen Stückzahlen abgeformt werden. Bei der Abformung von Nano- und Mikrostrukturen hat die Höhe der Werkzeugwandtemperatur einen gravierenden Einfluss (Bild 3). Befindet sich die Werkzeugwandtemperatur kurz oberhalb der Glasübergangstemperatur (bei amorphen Kunststoffen) oder der Kristallitschmelztemperatur (bei teilkristallinen Kunststoffen) des jeweilig verwendeten Kunststoffes, so erfolgt eine 100%ige Formfüllung und damit Abbildung der Mikrostrukturen. Dieses Verfahren wird variotherme Prozessführung genannt.

Nach Abschluss der Einspritzphase wird die Werkzeugkavität auf Entformungstemperatur abgekühlt. Somit wurde ein geeignetes Werkzeug entworfen und gebaut, das den Anforderungen einer variothermen Prozessführung entspricht und mit dem verschiedene Werkzeugeinsätze mit Sol-Gel-Strukturierung im Spritzgießprozess getestet werden konnten.

Abformung und Verschleißfestigkeit der Sol-Gel-Schicht mit Spritzgießen reproduzierbar

Spritzgießversuche mit unterschiedlichen technischen unpolaren Kunststoffen wie COC Topas 6013 (Hersteller Ticona), PP Resin H733-07 (Hersteller Dow Plastics), LPP Resin 733-H (leicht fließendes Polypropylen) und PE Lupolen 6031 M (Hersteller BASF) dienten der Parameterfindung zur optimalen Abformung der hydrophoben Oberflächenstruktur. Dabei wurden im Variothermverfahren die relevanten Spritzgießparameter Werkzeugwandtemperatur, Massetemperatur, Einspritzdruck, Einspritzgeschwindigkeit und Nachdruck variiert und die Auswirkung auf den Abformgrad ermittelt. Nachfolgende Dauertests (je etwa 500 Spritzgießzyklen) dienten dem Nachweis der Reproduzierbarkeit der Abformung und der Verschleißfestigkeit der Sol-Gel-Schicht.

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