Um einen fachbezogenen Erfahrungsaustausch zu ermöglichen, bietet NovoPlan, ein erfolgreiches und innovatives Unternehmen der Oberflächentechnik, jährlich im Frühjahr als festen Bestandteil seiner Aktivitäten einen Workshop an. Die praxisnahen Vorträge sind auf den Bedarf von Führungskräften, Entscheidern und Anwendern aus der Spritzgießtechnik, dem Werkzeugbau- und Formenbau und der Kunststoffverarbeitung zugeschnitten. Udo Daniels, der die Veranstaltung leitete, konnte mehr als 70 Teilnehmer zum diesjährigen Workshop begrüßen. Geboten wurden Fachinformationen zu den Eigenschaften und Nutzungsmöglichkeiten der verschiedenen Beschichtungsarten auf Basis von chemisch abgeschiedenem Nickel. Besondere Vorteile bieten solche Oberflächen auf Spritzwerkzeugen für die Kunststoffverarbeitung als Verschleißschutz und Erhöhung der Gleitwirkung, aber auch zur Vermeidung von Kunststoffanhaftungen auf der Werkzeugoberfläche sowie Kalkablagerungen oder Algenbildung in Kühlkanälen von komplexen Werkzeugen. Ergänzt wurden die Inhalte des Workshops durch Grundlagen zu Beschichtungen, Kunststofftypen und wissenschaftlichen Untersuchungen zur mechanischen Bearbeitung von Nickeloberflächen.
Kunststofftechnik im Fokus
Eröffnet wurde die Reihe der Fachvorträge von Siegfried Kaiser mit einem Einblick in die Entwicklungen der Kunststofftechnik sowie deren Auswirkungen auf den Werkzeug- und Formenbau. Werkstoffe werden in zunehmendem Maße zur Integration von Funktionen, vor allem in Form von Sensoren oder elektronischen Displays oder Ein-/Ausgabeeinheiten, eingesetzt. Dabei entstehen unterschiedliche Arten von Smart-Geräten oder -Geräteteilen. Relativ weit gediehen ist die Entwicklung von Leichtbauteilen, zum Teil als Ersatz für konventionelle Metalle. Dazu gibt es Bestrebungen, Werkstoffe speziell für die jeweiligen Anforderungen zu designen. Ebenfalls in zunehmendem Maße wird auf biopolymere Werkstoffe zurückgegriffen; eine erhebliche Rolle bei den Überlegungen spielt das Recycling. Textilien werden daraufhin weiterentwickelt, dass elektronische Geräte in die Kleidung integriert werden. Für die Kunststofftechnik werden dadurch Entwicklungen zu mehr Funktionalität, höheren mechanischen Beständigkeiten oder einfacher Verarbeitung vorangetrieben. Denkbar ist beispielsweise das Lackieren im Spritzwerkzeug als nächste Entwicklungsstufe nach dem Folienhinterspritzen. OLEDs werden unter Umständen direkt in den Kunststoff eingebettet, indem sie in das Spritzwerkzeug eingebracht werden. Graphen findet aufgrund der hohen mechanischen Festigkeit und der guten Wärmeleitfähigkeit Verwendung.
Die Komplexität von Werkzeugen wird nach den Worten von Siegfried Kaiser durch all diese Forderungen und Entwicklungstrends steigen; sie werden flexibler gestaltet und ihre Funktionalität wird zunehmen. Gleichzeitig ist ein hoher Kosten-Nutzen-Effekt zu erzielen, bei sinkenden Fertigungszeiten. Um diese Forderung zu erfüllen, muss auch die Produktion verbessert werden: Notwendig dazu sind ein höherer Automatisierungsgrad, ein höherer Bedarf an Fachkräften oder eine steigende Flexibilität im Einsatz, beispielsweise im Hinblick auf die zu verarbeitenden Kunststoffe. Für die produzierenden Unternehmen bedeutet dies eine immer schnelle Änderung der Produktionsausrichtung mit neuen Produkten und neuen Verarbeitungsverfahren.
PlanoTek-Schichttechnologie
Viktor Binder gab in seinem Vortrag einen Einblick in die Herstellung und Nutzung von Schichten für Spritzwerkzeuge. Beschichtet werden bei NovoPlan Teile bis zu zwei Tonnen Gewicht; die Kunden kommen aus Gesamteuropa. Das Unternehmen führt zahlreiche Entwicklungsprojekte mit Partnern zur Weiterentwicklung ihrer Beschichtungen durch.
Die von NovoPlan entwickelte Beschichtungstechnologie PlanoTek, ein stromloses Abscheidungsverfahren, liefert Funktionen, die einzeln oder als Kombination für jeden Anwendungsfall individuell eingesetzt werden. Die Funktionsschichten werden auf alle im Werkzeugbau üblichen Werkstoffe (Stahl, Aluminium- und Kupferlegierung, Sintermetalle, Werkstoffkombinationen) und Oberflächen aufgebracht. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem Schutz gegen Verschleiß und Korrosion. Darüber hinaus erfüllen die Schichten Aufgaben einer gut gleitenden und gut entformbaren Oberfläche; sie bieten aber auch eine hohe Wärmebeständigkeit ohne Veränderung des Oberflächenzustandes. Schließlich besteht die Möglichkeit, Unterschreitungen von Werkzeugmaßen durch partielles Beschichten zu reparieren. Dadurch kann eine Neuherstellung von Werkzeugen in vielen Fällen vermieden werden. Um eine qualitativ hochwertige Beschichtung zu erzielen, sind allerdings genaue Kenntnisse über die jeweiligen Anforderungen des zu beschichtenden Bauteils erforderlich.
Anpassung von Maßen durch Aufbringen von partiellen Beschichtungen
Chemisch und physikalisch abgeschiedene Schichten
Neben den chemisch abgeschiedenen Nickelschichten werden auf Werkzeugen als Verschleißschutz auch physikalisch abgeschiedene Schichten eingesetzt. Herbert Käszmann von der WOTech GbR gab einen Einblick in die prinzipiellen Eigenschaften und Unterschiede der Beschichtungsentstehung und -herstellung. Ein wichtiger Unterschied betrifft die Schichtverteilung bei komplexen Geometrien; die chemische Abscheidung ist eines der wenigen Verfahren, mit der auf beliebigen Konturen nahezu ohne Änderung der geometrischen Gegebenheiten konstante Schichtdicken erzielbar sind.
Eine wichtige Grundvoraussetzung zur Erfüllung der Eigenschaften von Beschichtungen ist eine gute Haftung der Schicht auf dem Substrat. Dazu ist ein besonderes Augenmerk auf die Vorbehandlung zu richten. Insbesondere bei Stählen können bestimmte Legierungselemente die Haftung vermindern, weshalb hierfür die Vorbehandlung abzustimmen ist. Des Weiteren muss bei der mechanischen Bearbeitung von Substraten auf die Vermeidung von gestörten Oberflächenzonen oder bei Gusswerkstoffen auf unterschiedliche Porengehalte im Oberflächenbereich geachtet werden. Auch hierfür kann das Beschichtungsverfahren so optimiert werden, dass eine gute Anbindung der Beschichtung an den Grundwerkstoff erzielt werden kann. Gut haftende und auf die Anforderungen abgestimmte Beschichtungen erweitern die Gesamteigenschaften eines Teils in hohem Maße und gewährleisten damit eine hohe Effizienz von Werkzeugen.
Poröse Gusswerkstoffe können durch optimierte Beschichtungstechniken mit gut haftenden und korrosionsschützenden Schichten versehen werden
Belagsverhinderung und Entformung
Stefan Pachler stellte die Dispersionsschicht der NovoPlan GmbH vor, die einen idealen Schutz gegen Belagsbildung und Anhaftung von Rückständen oder Kunststoff gewährleistet, also eine gute Enthaftung besitzt. Eingebettet werden je nach geforderter Eigenschaft PTFE oder Festschmierstoff. Der besondere Vorteil des Beschichtungsverfahrens ist die sehr gleichmäßige Einbettung der Dispersionsstoffe in der Schicht. Neben der hohen Lebensdauer entsprechend beschichteter Teile ergibt sich für den Anwender eine deutliche Verkürzung der Zykluszeit beim Spritzen von Kunststoffen durch ein schnelles Entformen.
Gute Gleiteigenschaften werden durch hexagonales Bornitrid erzielt. Durch die zusätzliche Zugabe von Hartstoffen wird die Verschleißbeständigkeit erhöht.
Erfahrungen mit Nickel-PTFE-Schichten
Ferratec, vorgestellt von Roland Jäger, fertigt Kunststoffteile, wobei das Unternehmen die erforderlichen Werkzeuge selbst herstellt. Das Produktspektrum reicht von kleinen, einfachen bis hin zu großen und komplexen Kunststoffteilen. Im Bereich der Werkzeugherstellung werden Spritzgussformen, Stanzwerkzeug und Vorrichtungen produziert.
Chemisch abgeschiedene Dispersionsschichten besitzen eine sehr konstante Dicke und gleichmäßig eingelagerte Feststoffe
Bornitrid und Hartstoffe verbessern die Verschleißbeständigkeit der Oberfläche
Bei der Verarbeitung von PA66 GF30/PTFE können durch Verbrennen von PTFE Beläge entstehen – PlanoTek-Schichten schützen hierbei vor der Belagsbildung. Positiv wirkt sich diese Funktionsschicht auch zur Vermeidung von Ablagerungen, zum Beispiel bei Auswerfern, aus. Bei der Verarbeitung von TPU treten in der Regel aufgrund von Ausgasungen Beläge auf, die durch Dispersionsschichten behoben werden. Die Beschichtung führt zudem zu einer deutlichen Reduzierung der Ausschussrate.
Einsätze aus Aluminium mit Beschichtung
Verarbeitung und Fehleranalyse von TPE
Dieter Krüger, Allod Werkstoff GmbH & Co. KG, gab einen Einblick in die Verarbeitung und Fehlermöglichkeiten von Thermoplastischen Elastomeren, TPE. Heute wird der elastische Werkstoff als Bestandteil eines 2K-Teils verarbeitet, etwa als Falterbalg für Kabelführungen im Auto. Um Bauteile aus TPE zu entformen, ist eine geringe Temperatur erforderlich, woraus sich längere Zykluszeiten ergeben. Beim Spritzen ist darauf zu achten, dass mit Düsen mit Nadelverschluss gearbeitet wird, um unerwünschten Düsenausfluss zu vermeiden.
Um schöne Oberflächen bei TPE zu erzielen, muss das Material mit hoher Geschwindigkeit verspritzt werden. Schwingungen sollten durch Nachdruck verarbeitet werden, eventuell auch mit höherer Nachdruckzeit und geringerer Werkzeugtemperatur. Ein weiteres Problem aufgrund einer zu geringen Spritzgeschwindigkeit ist die Bildung von Bindenähten. Durch geringe Spritzgeschwindigkeit oder zu geringe Temperatur können Oberflächenschlieren entstehen.
Erfahrungen mit Dispersionsschichten
Der Unternehmensbereich von Lothar Bohn, Spraying Systems, stellt Düsen in unterschiedlicher Art, zum Beispiel für Reinigungsanlagen oder Sprüheinrichtungen für Straßenwalzen, her. Für den Lebensmittelbereich werden Sprühpistolen hergestellt. In Schorndorf arbeitet das Unternehmen derzeit mit drei Spritzmaschinen.
Dispersionsschichten werden hier unter anderem zur Belagsverhinderung beim Herstellen von Spritzpistolen eingesetzt. Bei der Herstellung wird die Oberfläche des Werkzeugs durch Polyamidreste verunreinigt. Abhilfe geschaffen wurde durch die Beschichtung mit 10 µm chemisch Nickel-PTFE. Vorteilhaft ist die Beschichtung bei einem kombinierten Werkzeug aus Aluminium und Ampcoloy 940 (Kupfer) für die Verarbeitung von PVDF, bei dem entstehendes Fluor zu Korrosion führt. Die verschiedenen Werkstoffe wurden verwendet, um die Wärmeverteilung zu optimieren. Die Beschichtung gewährleistet einen guten Korrosionsschutz und gute Gleiteigenschaften.
Beschichtungen auf einem Werkzeug mit unterschiedlichen Aufgaben
Erodieren und Fräsen von PlanoTek-Schichten
Prof. Dr. Enrik Juhr von der Hochschule Ostwestfalen-Lippe befasst sich mit den Möglichkeiten zum Erodieren und Fräsen von chemisch abgeschiedenem Nickel. An der Hochschule Ostwestfalen-Lippe ist eine Forschungsfabrik für intelligente Automation und Industrie 4.0-Technologien eingerichtet. Mit dieser Einrichtung werden in Zusammenarbeit mit der Industrie neue Produktionstechniken erprobt.
Die Nachbearbeitung von Nickelschichten ist unter anderem dann erforderlich, wenn Konturen bei Werkzeugen nachgearbeitet werden müssen. Etablierte Verfahren sind Schleifen, Läppen oder Polieren, bei denen allerdings die Gefahr der Geometrieänderung besteht. Aus diesem Grund wären mechanische Verfahren wie Fräsen oder Senkerodieren attraktiv. Beim Senkerodieren wurde schnell deutlich, dass das Verfahren prinzipiell funktioniert. Bis 2007 wurde davon ausgegangen, dass Erodieren nicht geeignet ist, ebenso wie das Fräsen, da sich Risse in der Schicht bilden. Der Grund hierfür liegt vor allem in thermischen Spannungen, die beim Erodieren durch den Energieeintrag auftreten.
Optimierte Beschichtungen auf Fräswerkzeugen erhöhen die Verschleißbeständigkeit (Bild: Prof. Dr. Juhr)
Da den heute üblichen Anlagen in dieser Beziehung Grenzen gesetzt sind, bietet sich die Verwendung von Kondensatoren zur Aufnahme eines Teils der Ladung an. Des Weiteren müssen der Strom reduziert und die Pausen zwischen den Stromstößen verlängert werden. Das Verfahren wird dadurch zwar langsam, erzeugt jedoch keine Risse in der Beschichtung. Kritisch ist jedoch die eingeschränkte Eingriffsmöglichkeit bei heute erhältlichen Erodieranlagen. Aus diesem Grund muss hier in die Maschinensteuerung eingegriffen werden.
Das Fräsen von chemisch abgeschiedenen Nickel-Phosphor-Schichten nach den bisher üblichen Arbeitsweisen belastet die Schneiden stark und führt zum raschen Stumpfwerden der Werkzeuge, wobei Diamantschichten noch am besten abschneiden, ebenso wie CBN-Beschichtungen. Das Ergebnis sind rissfreie und glatte Schichten, die zudem ein wesentlich schnelleres Bearbeiten im Vergleich zum Senkerodieren erlauben. Von Nachteil sind die beschränkte Auswahl an Werkzeugen und die hohen Kosten für die Fräser. Wie beim Senkerodieren müssen die Arbeitsparameter penibel ermittelt und eingestellt werden.
Erfahrungen mit Hochleistungskunststoffen
Wie Martin Elmer einführend erklärte, vereint der Konzern Huber & Suhner verschiedene Technologien, vom Kunststoffverarbeiten über Galvanik bis hin zur Montage. Darüber hinaus werden die hergestellten Produkte in hochwertigen Elektronikanlagen als wichtige Teile zum Schalten und Leiten von Signalen, beispielsweise für die Bereiche Automobil oder Medizinaltechnik, eingesetzt.
Im Bereich Kunststoff wird ein sehr wichtiges Bauteil, eine Profilhülse, in einer Lenksäule aus PEEK oder POM in hohen Stückzahlen von 800 000 Stück pro Woche hergestellt. Sehr hohe Anforderungen entstanden durch neue Forderungen an die Präzision an etwa 20 Messpunkten des Kunststoffteils mit Toleranzen von 40 µm. Erfüllt werden diese Forderungen an die Präzision durch das Verwenden von Bauteilen mit einer chemisch Nickel-Schicht, was zudem auch die Entformbarkeit verbesserte. Im Ergebnis konnte die Präzision deutlich erhöht und die Ausschussrate gesenkt werden.
Korrosionsschutz
Beim Einsatz von generativen Verfahren wie dem 3D-Laserdrucken ist es erforderlich, insbesondere in Kühlkanälen einen Korrosionsschutz für das Werkzeug aufzubringen, wie Stefan Propp von Werkzeugbau Siegfried Hofmann betonte. Der Aufbau eines Teils erfolgt durch schichtweises Erschmelzen von Konturen aus Metallpulver unter Einsatz von Lasern. Verwendbar sind Edelstähle, Warmarbeitsstahl (fast ausschließlich für Formeinsätze) sowie rostfreier Stahl mit hohem Chromanteil. Besonderer Vorteil bei dieser Herstellungsart ist die Ausstattung mit konturnahen Kühleinsätzen in komplexer Geometrie. In der Regel wird beim Aufbau von Werkzeugen von einer festen Grundplatte sowie einer Deckplatte gearbeitet. Damit bleiben die Spannungen des Bauteils sehr gering.
Mit den Werkzeugen lassen sich die Kühlzeiten deutlich senken und damit auch die Stückkosten für die Herstellung von Kunststoffteilen. Eine besondere Werkzeugart wird durch das Aufheizen und Abkühlen der Werkzeugwand charakterisiert. Vorteile sind das Vermeiden von Bindenähten und eine Verbesserung der Oberflächenqualität. Die Vorteile machen sich insbesondere bei dickwandigen Bauteilen bemerkbar. Die Oberfläche zeichnet sich durch eine besonders hohe Oberflächenqualität aus, durch die ein nachträgliches Lackieren entfallen kann. Aufheiz- und Abkühlraten von bis zu 20 K pro Sekunde sind möglich.
Um ein derartiges Werkzeug lange benutzen zu können, sind Innenbeschichtungen der Kühlkanäle mit chemisch Nickel unerlässlich. Ein vergleichbarer Schutz sollte bei Formaufbauten verwendet werden.
Chemisch vernickelte Kühlkanäle zeigen keine Korrosion oder Ablagerungen und bieten sich besonders für komplexe Kanalverläufe an
Beschichtung und Reparaturbeschichtung
Michael Frinse stellte Beispiele für das Beschichten von Werkzeugen zur Erzielung eines besseren Spritzergebnisses sowie von Beschichtungen zur Reparatur von Teilen vor. Eines der vorgestellten Beispiele wurde durch das Aufbringen einer 25 µm dicken Schicht verbessert. Ein weiteres Beispiel betrifft das Beschichten des Kühlkanals eines generativ hergestellten Werkzeugs. Der große Vorteil der Beschichtung liegt in der Steigerung der Standzeit des Werkzeugs.
Korrosionsschutz bei Werkzeugen
Im letzten Beitrag befasste sich Werner Nagel, NovoPlan GmbH, mit dem Korrosionsschutz von Werkzeugen. Diese unterliegen insbesondere aufgrund der hohen Betriebstemperatur und dem Kontakt mit Wasser und Luft erhöhten Beanspruchungen. Neben dem Zerstören des Metalls vermindert sich durch die Korrosionsprodukte der Wärmeübergang vom Metall zum Kühlmedium. Vermeidbar ist dies durch das Beschichten mit Nickel. Diese Schicht schützt vor Korrosion nach Hautkontakten durch Berühren oder eine Oxidation und Korrosion bei Lagerung. Eine optimale Kühlung steigert zudem die Ausbeute, weil Kühlung und Heizung kürzere Zeiten erfordern.
Schließlich lassen sich durch das Beschichten mit einer hoch korrosionsbeständigen Schicht die Anforderungen an den Werkstoff für das Werkzeug dahingehend verbessern, dass sowohl in Bezug auf Materialkosten als auch auf die Bearbeitungsmethoden Einsparungen realisierbar sind. Im Ergebnis kann ein kostengünstigerer Werkstoff eingesetzt werden. Sinnvoll ist das Vorsehen einer vollständigen Beschichtung einschließlich der Kühlkanäle, da ein Abdecken vor der galvanischen Beschichtung durch entsprechende Abdeckmaterialien zeit- und kostenintensiv ist.
