Verbessertes Entformungsverhalten durch Werkzeugbeschichtung

Steigender Kostendruck, neue technische Formmassen und erhöhte Anforderungen an Spritzgießteile erschweren häufig das Entformen. Abhilfe können Werkzeugbeschichtungen schaffen. Inwieweit damit das...

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Steigender Kostendruck, neue technische Formmassen und erhöhte Anforderungen an Spritzgießteile erschweren häufig das Entformen. Abhilfe können Werkzeugbeschichtungen schaffen. Inwieweit damit das Entformen erleichtert wird, hängt jedoch auch vom Werkzeugzustand ab, wie Versuche beim Spritzgießen von Hülsen ergaben. Generell gibt es bis heute keine Regel für das Beschichten von Spritzgießwerkzeugen, um die Entformungskraft zu verringern.Die Produktion von Kunststoffspritzgießteilen wird seit einiger Zeit von steigenden Ansprüchen geprägt. Nicht nur der Kostendruck, sondern auch der Einsatz neuer Formmassen und die Komplexität der Teile führen zu extremeren Verarbeitungsbedingungen und damit auch zu steigenden Ansprüchen an das Werkzeug. Die Zunahme von Verschleiß und Belagbildung sowie ein schlechteres Entformungsverhalten sind oft die Folge.Der Lösungsansatz für diese Probleme liegt oft in der Beschichtung des Formwerkzeugs. Bisherige Veröffentlichungen beruhen meist nur auf den Erfahrungen, die man bei einem bestimmten Problem machte. Das Entformungsverhalten des Spritzgießteils wird von verschiedenen Faktoren bestimmt, die sich in die Bereiche Formteil, Werkzeug, Formmasse und Verarbeitung unterteilen lassen. Alle Faktoren stehen in einer direkten Wechselwirkung zueinander [1].Beim Spritzgießteil und Werkzeug spielen insbesondere die Möglichkeit einer Entformungsschräge, die Oberflächengüte und das Aspektverhältnis eine Rolle. Bei der Formmasse und der Verarbeitung ist die Verarbeitungsschwindung des Kunststoffs sowie das Adhäsions- und Reibverhalten von Formmasse und Werkzeug zu beachten. Um diese Einflüsse genauer zu untersuchen, wurde am Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik (IKFF) der Universität Stuttgart in Zusammenarbeit mit der Balzers Verschleißschutz GmbH, Bingen, und der Hasco-Normalien GmbH + Co KG, Lüdenscheid, ein Werkzeug entwickelt, mit dem es möglich ist, verschiedene Werkzeugoberflächenrauheiten, -beschichtungen und Werkzeugwerkstoffe bei sonst gleichbleibenden Bedingungen zu untersuchen.Beim Entformen von Spritzgießteilen tritt nicht nur der Problembereich der Haft- und Gleitreibung auf. Einen starken Einfluss auf die zum Losbrechen des Teils notwendige Kraft haben auch Adhäsionseinflüsse. Hierbei können zwei Hauptbereiche unterschieden werden:-Unter der mechanischen Adhäsion versteht man die mechanische Verankerung eines Stoffes auf der Oberfläche des anderen. Verbindungspunkte sind Hinterschneidungen infolge der Oberflächenrauheit und Poren in der Oberfläche.-Die spezifische Adhäsion umfasst alle chemischen und physikalischen Erscheinungen, die auf Valenzkräften beruhen. Ausschlaggebend hierfür ist die Polarität der beiden Werkstoffe: der des Spritzgießteils und des Werkstoffs. Bestandteil der spezifischen Adhäsion sind unter anderem die Ausbildung zwischenmolekularer Kräfte in der Grenzfläche der beiden Werkstoffe, die Ausbildung chemischer Bindungen, die Mikroverzahnung zwischen den Polymermolekülen und den Reaktionsschichten der Werkzeugoberfläche, die thermodynamische Vorgänge (zum Beispiel Benetzungskräfte) in der Grenzschicht und Diffusionsvorgänge zwischen Polymer und Metall [2].Um diese Adhäsionseffekte zu ermitteln, darf der Kontakt zwischen Polymer und Werkzeugoberfläche vom Einspritzen bis zum Entformen nicht getrennt werden. Die üblichen Haft- und Gleitreibungsuntersuchungen erfassen daher diese Effekte nicht.Zylindrische Kunststoffhülse als Probekörper verwendetUm möglichst allgemeingültige Ergebnisse zu erhalten, wird als Probekörper eine 40 mm lange zylindrische Hülse mit 20 mm Innendurchmesser sowie mit Schirmanguss und Ringverteiler spritzgegossen. Die Wanddicke der Hülse beträgt 1,5 mm. Der Probekörper schwindet während der Kühlzeit auf den Kern auf und löst sich daher von der angussseitigen Formhälfte. Die dabei auftretende Schwindung erzeugt eine Normalkraft, die zusammen mit den Adhäsionseffekten und den Haft- und Reibkräften der Kunststoff-Werkzeug-Flächenpaarung die nötige Entformungskraft bestimmt.Das Abstreifen vom Kern erfolgt mit Hilfe eines Ringauswerfers. Zwischen der eigentlichen Auswerfergrundplatte und Anlenkung des Ringauswerfers sitzt eine Kraftmessdose, die somit nur die Entformungskraft ohne die Reibungseinflüsse der restlichen Auswerfereinheit misst.Beim Auswerfen der Hülse ermittelt die Kraftmessdose die auftretende Entformungskraft in der Auswerfermechanik. Gleichzeitig wird der Auswerferweg mit einem Wegaufnehmer gemessen. Als weitere Parameter werden der Werkzeuginnendruck und die Temperaturen an mehreren Werkzeugstellen erfasst. Die von den Sensoren erfassten Größen werden verstärkt, in Digitalwerte umgewandelt und dann mit einem PC weiter ausgewertet. Protokolliert werden unter anderem die Auswerferkraft, der Auswerferweg und die Auswerfarbeit.Aufgrund des Werkzeugaufbaus ist ein Austausch der Kerne und somit die Auswahl verschiedener Werkstoffe, Beschichtungen und Oberflächenrauheiten möglich. Am IKFF sind zurzeit Kerne mit verschiedenen Verschleißschutz- und Gleitschichten (zum Beispiel aus TiN, TiAlN, CrN oder WC/C) sowie mit unterschiedlichen Oberflächenrauheiten im Einsatz. Es sind auch Kerne mit reibungsarmen Werkstoffen (wie Ampco-Metalle) vorhanden, deren Oberfläche verschieden bearbeitet wurden. Darüber hinaus hat man untersucht, inwieweit sich solche Kerne in die Entformungskraftmessungen aufnehmen lassen.Weil die Kunststoffe unterschiedliche Verarbeitungsbedingungen erfordern und ein unterschiedliches Schwindungs-, Adhäsions- und Reibverhalten haben, können die nötigen Entformungskräfte nicht direkt miteinander verglichen werden. Amorphe und teilkristalline Kunststoffe weisen hierbei aber jeweils ähnliche Kraft-Weg-Verläufe auf [3]. Aufgrund der Vielzahl der zurzeit am Markt befindlichen Kunststoffe beschränkten sich vorab die Versuchsreihen auf eine Auswahl an Standardtypen: ABS Terluran 967K (Hersteller BASF), PA Ultramid A3W (BASF), PC Makrolon 2800 (Bayer), POM Ultraform N2320 (BASF) und PP Inspire C715-12N HP (Dow Plastics).Höhe der Entformungskraft vom Werkzeugzustand abhängigZuden wurden auch Kunststoffe auf Kundenanfrage untersucht. Außer dem Einfluss der Werkzeugbeschichtung auf die Entformungskraft zeigten die bisherigen Untersuchungen, dass auch kleine Fehler in der Geometrie der umspritzten Kerne sich stark auf den Entformungskraftverlauf auswirken. Gerade beim manuellen Polieren entstehen deutliche Abweichungen von der idealgeometrischen Zylinderform. So wirken sich schon Einschnürungen des Durchmessers von wenigen Mikrometern stark auf die Entformungskraft aus, wie der Verlauf der Entformungskraft in Bild 3 zeigt [4]. Deutlich sieht man, dass durch die während dem Entformen notwendige Aufweitung der gespritzten Hülse eine zusätzliche Kraft beim Auswerfen aufgebracht werden muss, die sehr gut der Geometrieabweichung des Kerns folgt.Dieser Kraftverlauf lässt sich auch mit Simulationsrechnungen im Ansatz verifizieren. Der qualitative Verlauf ist vergleichbar, jedoch kann die Höhe der durch die Formfehler zusätzlich erforderlichen Kraft mit bisherigen Simulationen nicht ermittelt werden. Die durch Simulation ermittelten Kräfte liegen deutlich unter den bei Versuchen gemessenen Werten. Gerade bei sehr steifen Kunststoffen, (wie stark gefüllten Formmassen), können diese kleinen Geometriefehler zu Entformungskräften führen, die über der eigentlich nötigen Losbrechkraft am Anfang des Entformungsvorgangs liegen.Die bisherigen Ergebnisse zeigten eine starke Abhängigkeit der nötigen Entformungskraft von der Kombination aus Kunststoff und Beschichtung. Eine generelle Empfehlung zum Beschichten von Spritzgießwerkzeugen ist daher zum jetzigen Zeitpunkt der Untersuchungen nicht möglich. Zwar lässt sich durch Beschichtung die Entformungskraft verringern, sie kann aber auch erhöht werden.Der Einsatz von Schutzschichten, die bei abrasivem und chemischem Verschleiß empfohlen werden, kann daher auch unerwünschte Nebeneffekte haben. Der Vorteil der höheren Werkzeugstandzeit durch Hartstoffbeschichtung ist dann gegenüber dem Nachteil der erhöhten Entformungskraft abzuwägen.Anhand der beiden Anwendungsbeispiele in Bild 4 ist zu erkennen, dass sich mit einer geeigneten Werkzeugbeschichtung die Entformungskraft deutlich verringern lässt. Geeignete Beschichtungen können somit das Entformungsverhalten verbessern. Das Beschichten von Spritzgießwerkzeugen beeinflusst direkt die Entformungskraft für die Spritzlinge. Es ist aber zurzeit nicht möglich, eine generelle Regel zur Werkzeugbeschichtung aufzustellen um die Entformungskraft zu reduzieren. Beim Beschichten aus anderen Gründen (wie Verschleißschutz und Belagreduzierung) muss dies bedacht werden und gegebenenfalls eine Abwägung der Vor- und Nachteile erfolgen.Literatur[1] Kaminski, A.: Berechenbarkeit von Spritzgießwerkzeugen? Düsseldorf: VDI-Verlag GmbH 1978.[2] N. N.: Oberflächenbeschichtungen in der Spritzgießtechnik und im Formenbau (Seminarunterlagen). Lüdenscheid: Kunststoff-Institut KIMW 1992.[3] Walther, T.: Einfluss von Verschleißschutzschichten auf die Entformungskraft beim Spritzgießen. Diplomarbeit IKFF der Universität Stuttgart 1996.[4] Anetseder, A.: Theoretische Ermittlung des Schwindverhaltens beim Spritzgießen von Kunststoffhülsen, Studienarbeit IKFF der Universität Stuttgart 1999.