Hydrophobe Bauteiloberflächen in der Werkzeugkavität hergestellt

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Der Abformgrad der Strukturen wurde dabei mit der Messung des Kontaktwinkels der gespritzten Kunststoffproben gegen Wasser charakterisiert. So ergaben Abformungen der strukturierten Sol-Gel-Oberfläche mittels Heißprägen beim Kunststoff COC eine Steigerung des Kontaktwinkels von 94,4° (unstrukturierte COC-Rohplatte) auf 152,2°.

Superhydrophobe Oberflächen mittels Spritzgießen hergestellt

Damit kann man die erstellten Oberflächen schon als superhydrophob bezeichnen. Aufgebrachte Wassertropfen perlen rückstandslos von der Oberfläche ab. Es war zu beobachten, dass mit der Anzahl der Prägungen von einer Beschichtungsprobe eine Erhöhung des Kontaktwinkels bei den abgeformten Kunststoffoberflächen einherging.

Dies lässt sich mit einer Art Reinigungseffekt während der ersten Prägungen erklären, bei dem lose Sinterbestandteile der Beschichtung ausgelöst werden, die sich im Kunststoff ablagern. Nach einigen Prägungen stabilisiert sich der Kontaktwinkel auf einem hohen Niveau.

Ein signifikanter Verschleiß der strukturierten Sol-Gel-Schicht über die Anzahl der bereits vollzogenen Abformungen findet also nicht statt. Diesen Umstand galt es während des Spritzgießens mit zu erwartenden höheren mechanischen Belastungen der Oberflächenschicht zu prüfen.

Sol-Gel-Schicht könnte bis zu 10.000 Spritzgießzyklen standhalten

Während des Anfahrzyklus des variothermen Spritzgießprozesses war ebenfalls eine Reinigung der Sol-Gel-Schicht auf dem Werkzeugeinsatz zu verzeichnen, einhergehend mit einem Anstieg des Kontaktwinkels der abgeformten Kunststoffproben. Nach einem Dauertest ist ein leichter Verschleiß in der Struktur zu erkennen, der sich aber auf ein bestimmtes Niveau einpendelt.

Anfangs erfolgt bei der Abformung in COC ein Anstieg des Kontaktwinkels auf etwa 152°. Dieser Winkel stellt sich mit der zunehmenden Anzahl der Abformungen auf etwa 144° ein. Das KUZ geht davon aus, dass die Schicht nach weiteren Optimierungen durchaus eine Beständigkeit für bis zu 10.000 Spritzgießzyklen haben kann.

Abformbarkeit bei 3D-Oberflächen muss noch nachgewiesen werden

Mit den vorhandenen Beschichtungsvarianten der Werkzeugeinsätze konnten bei Abformungen in LPP maximale Kontaktwinkel gegenüber Wasser von 165,6° nachgewiesen werden. Entscheidend für eine gute Abbildung der Nano- und Mikrostrukturen in Kunststoff war die eingestellte Werkzeugwandtemperatur während des Spritzgießens.

Durch die planare Gestaltung der Demoteile für das Heißprägen und Spritzgießen kann jedoch noch kein Rückschluss auf die Abbildung der Struktur bei 3D-Oberflächen gegeben werden. Auch müssten in weitergehenden Forschungsarbeiten die Möglichkeiten der Entformung der hinterschnittigen Bereiche der Mikrostruktur bei stark 3D-konturierten Oberflächen untersucht werden. Die Beschichtungstechnik hat zudem noch Nachteile bei Konturen, bei denen die Wände scharfkantig mit 90° zueinander stehen. In diesem Fall könnte sich das Sol-Gel beim Auftrag ansammeln und eine höhere Schichtdicke erreichen, die dann mehr zur Rissbildung neigt und damit die Haftfestigkeit auf dem Stahlsubstrat mindert.

Literatur

[1] Gombert, A.: Mikrooptik im großen Stil. Physik Journal 9/2002, S. 37–41

* Dipl.-Ing. Steffen Jacob ist wissenschaftlicher Mitarbeiter Werkzeugtechnik am Kunststoff-Zentrum in Leipzig gGmbH (KUZ), 04229 Leipzig

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