Projekt 27133/01

Entwicklung eines Verfahrens zur Hochrateabscheidung von plasmapolymeren Trennschichten für Kunststoffentformungsprozesse

Projektdurchführung

ACMOS CHEMIE KG
Industriestr. 37 + 49
28199 Bremen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Zu besseren und umweltfreundlicheren Entformungen von Kunststoffbauteilen werden schon heute durch den Antragsteller Werkzeugformen mit einer plasmapolymeren Trennschicht versehen. Der bisherige Beschichtungsprozess ist z. Z. sehr zeitaufwändig und verhindert z. T. die industrielle Einführung dieser umweltfreundlichen Technologie. Ziel dieses Vorhabens war es daher, die Beschichtungszeit durch neuartige Beschichtungsverfahren deutlich zu verringern, ohne die Haltbarkeit oder die Güte der Trennwirkung der plasmapolymeren Trennschichten herabzusetzen und so eine breitere technische Anwendbarkeit der Trennschicht zu ermöglichen. Zudem sollte untersucht werden, inwiefern deren Abrasionsbeständigkeit durch eine veränderte Schichtzusammensetzung bzw. -aufbau erhöht werden kann.
Mit Hilfe des im Projekt entwickelten neuartigen Beschichtungsverfahrens konnten erfolgreiche Technikums- und darüber hinaus z. Z. noch laufende Produktionsversuche bei der Entformung von Kunststoffbauteilen aus den zukünftigen Marktsegmenten Automotiv und Non-Automotiv durchgeführt werden. Dabei wurden die Entformbarkeit von sowohl reaktiven Kunststoffen wie z. B. Polyurethan, als auch von anderen Kunststoffen, wie z. B. Polyethylen oder thermoplastisches Polyurethan, aus metallischen Formwerkzeugen untersucht, die zuvor mit dem entwickelten Beschichtungsverfahren bearbeitet wurden. Die bislang erfolgreiche Funktionalität der im Zuge des Projektes verbesserten Trennschicht ist ein gutes Beispiel für den produktionsintegrierten Umweltschutz in einem Industriebereich der Kunststoffverarbeitung, in dem dies bislang nur in einzelnen Segmenten möglich war.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAufgabe dieses Projektes war, die Abscheiderate der Trennbeschichtung auf metallische Formoberflächen zu erhöhen. Neben dem Vorteil der erhöhten Abscheiderate sollte die Schichtzusammensetzung und Schichtmorphologie insbesondere im Hinblick auf eine höhere mechanische Beständigkeit verändert werden. Daher war es das Ziel, nicht nur die Abscheiderate zu erhöhen, sondern auch zu überprüfen, ob und wie die Schichtzusammensetzung hinsichtlich einer höheren mechanischen Beständigkeit verändert werden kann. Diese neuen Schichten wurden mit der herkömmlichen Schicht hinsichtlich Oberflächenanalytik und Dauertrenntest verglichen. Darüber hinaus galt es mit Hilfe von Schichtdickenmessungen zu prüfen, ob die mechanische Beständigkeit sowie die Beschichtungshomogenität, beispielsweise in Vertiefungen, Hinterschnitten oder auf porösen Oberflächen der zu beschichteten Werkzeugform, verbessert wurden.


Ergebnisse und Diskussion

Im Zuge des von der DBU geförderten Projektes Entwicklung von trockenen, permanent trennwirksamen Beschichtungen für metallische Formen zur Herstellung von Kunststoffteilen (AZ 22635) konnte eine modifizierte plasmapolymere Trennschicht entwickelt und in seriellen Produktionsprozessen integriert werden, mit deren Hilfe Kunststoffbauteile mit deutlich reduziertem Trennmittelverbauch und damit reduziertem Aufbauverhalten der Werkzeugformen entformt werden konnten. Ein reduziertes Aufbauverhalten führt zu einer längeren Formenstandzeit und dadurch zu einem verringerten Einsatz von ökologisch bedenklichen Formenreinigern, weil die Formen weniger oft gereinigt werden müssen. Da in der dadurch gewonnenen Zeit, in der vormals die Formen gereinigt wurden, weiter produziert werden kann, erhöht sich die Produktivität erheblich.
Das richtige Trennmittel stellt, neben der Trennwirkung, auch durch Übertragung von Trennmittel vom Formenwerkzeug auf das Bauteil die gewünschten Oberflächeneigenschaften wie Optik und Haptik ein. Dieses kann naturgemäß keine trockene Beschichtung. Der für eine einwandfreie Entformung notwendige Anteil an Trennmittel lässt sich jedoch durch den Einsatz der plasmapolymeren Trennschicht auf Formwerkzeugen um bis zu 80% reduzieren, ohne Haptik oder Optik negativ zu beeinflussen.
Die Durchführung der plasmapolymeren Beschichtung war zum Zeitpunkt der Antragstellung zeit- und damit kostenintensiv. Die mechanische Stabilität der abgeschiedenen Trennschichten erforderte einen vorsichtigen Umgang mit den beschichteten Formwerkzeugen, insbesondere in tiefen Hinterschnitten. Dies verhinderte häufig eine industrielle Einführung dieser umweltfreundlichen Technologie. Das Projektziel dieses Vorhabens war es daher, die Beschichtungszeit durch neuartige Beschichtungsprozesse deutlich zu verringern, ohne die Haltbarkeit oder Trennwirkung der plasmapolymeren Trennschichten herabzusetzen. Dieses Ziel konnte sehr erfolgreich erreicht werden und bestärkt die Hoffnung des Antragstellers, so eine breitere technische Anwendbarkeit der plasmapolymeren Trennschicht zu ermöglichen. Zusätzlich konnte durch Modifikation der Schichtzusammensetzung die Abrasionsbeständigkeit der plasmapolymeren Trennschicht erhöht werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Während der Projektlaufzeit wurden keine Veröffentlichungen publiziert oder Projektergebnisse auf Messen beworben. Es ist geplant, die Projektergebnisse erstmals auf der Fachausstellung Fakuma 2011 gemeinsam mit der DBU zu präsentieren.


Fazit

Das Projekt konnte sehr erfolgreich beendet werden. Es gelang durch ein neuartiges Beschichtungsverfahren, die plasmapolymere Trennschicht mit einem um 75% verkürzten Zeitaufwand abzuscheiden. Sowohl die Trennwirkung als auch die Lebensdauer dieser unter Hochratebedingungen abgeschiedenen plasmapolymeren Trennschicht konnten verbessert werden. Tiefe Hinterschnitte in Formwerkzeugen zeigen nach dem Beschichtungsvorgang unter Hochratebedingungen eine wesentlich höhere und einheitlichere Schichtstärke. Zudem konnte durch die Erhöhung der Schichtstärke die mechanische Beständigkeit erhöht werden.
Es konnte nachgewiesen werden, dass durch den Einsatz der plasmapolymeren Trennschicht der Einsatz von flüssigen Trennmitteln im Vergleich zur herkömmlichen plasmapolymeren Trennschicht noch weiter reduziert werden konnte. Zusätzlich gelang es durch das neue Beschichtungsverfahren, den Arbeitsaufwand der Formenreinigung bzw. der Nachbearbeitung der fertigen Formbauteile nochmals zu reduzieren. Dieses führt zu einem nochmals verringerten Verbrauch an dafür nötigen Reinigermengen.
Obwohl die Gegebenheiten und Produktionsweisen der Kunststoffverarbeiter immer neu bewertet werden müssen wenn ein Fertigungsprozess auf die plasmapolymere Trennschicht umgestellt werden soll, gelang es in diesem Projekt, den Grundstein für eine nachhaltige Umweltentlastung zu legen.