VDWF im Dialog 1/2012

30 VDWF im Dialog 1/2012
Schutzschichten für Spritz gusswerkzeuge
mit optischer Oberflächenqualität
von Dipl.­Ing. Kyriakos Georgiadis MBA
LED­Beleuchtungsoptiken mit höchster Oberfl
ächenqualität reduzieren Lichtstreuung.
Optische Oberflächenqualitäten werden
heute bei vielen Produkten gefordert,
um dem Kunden ein «attraktives
Ergebnis» mit hoher Qualitätsanmutung
zu bieten. Beispiele für hochglänzende
Oberflächen finden sich im
Automobil­Interieur oder im Bereich
der Haushaltselektronik. Doch hinter
dem Fertigungsprozess verbergen sich
ganz besondere Herausforderungen.
Zum einen müssen die produzierten
Oberflächen absolut fehlerfrei sein –
und dies über eine große Stückzahl
hinweg. Zum anderen dürfen die Fertigungskosten
nicht explodieren.
Glänzende Oberflächen stellen besondere
Herausforderungen an die Fertigungsprozesse.
Auf der einen Seite steigen
die Anforderungen der Kunden, da
kleinste Defekte direkt bemerkbar werden.
Auf der anderen Seite gibt es auch
besondere Herausforderungen aus prozesstechnologischer
Sicht. So verursachen
hochglanzpolierte Oberflächen oft
höhere Entformungskräfte durch den
engeren Kontakt zwischen Form und
Kunststoff.
Und auch die Schmierung wird zu einem
großen Problem, wenn dadurch die
Oberflächenqualität beeinträchtigt wird.
Daher wächst entsprechend die Anzahl
der Ausschussteile sowie die Häufigkeit
von Reinigungszyklen und Wartungsintervallen.
Zusätzlich dazu müssen die
Prozesse an einer immer größeren Vielfalt
von Materialien mit verschiedenen
Eigenschaften (Farbe, Zusammensetzung
etc.) angepasst werden. Diese Probleme
können weitestgehend durch die Anwendung
angepasster Schutzschichten auf
die Werkzeugoberflächen effizient behoben
werden.
Das Fraunhofer IPT arbeitet seit mehreren
Jahren an der Herstellung von hochpräzisen
Glasoptiken durch das Präzisionsblankpressen.
Ähnlich zum Spritzguss
wird dort heißes Glas (450 – 650°C) zwischen
zwei Formwerkzeugen zu einer
Linse geformt. Dazu müssen auf den
Werkzeugen spezielle Beschichtungen
abgeschieden werden, welche die optischen
Oberflächen schützen und eine
Glasanhaftung verhindern. Je nach Glassorte
kommen keramische Beschichtungen
(z. B. CrN, CrAlN), Edelmetallschichten
(Platin, Iridium) oder Kohlenstoffschichten
(DLC) zum Einsatz.
Diese Beschichtungen sind gezielt für
gute mechanische Eigenschaften und
geringe chemische Reaktivität bei sehr
hohen Temperaturen optimiert, ohne
dabei die Oberflächenqualität (Rauheit
< 2 nm Ra) und das Profil (Formgenauigkeit
< 200 nm PV) der optischen Oberflächen
zu beeinflussen. Dadurch wird
nicht nur die Standzeit der Werkzeuge
erhöht, sondern auch der Glasbruch
wegen Spannungen bei der Entformung
vermieden. Das Fraunhofer IPT ist derzeit
der einzige Anbieter von Beschichtungen
für diese Anwendung in Europa.
Die dabei angewandten Produktionsprozesse
und gesammelten Erfahrungen
können auch für den Spritzguss von
Komponenten mit optischen Oberflächen
und hohen Qualitätsanforderungen übertragen
werden. Dort erhöhen angepasste
Schutzschichten die Standzeit der Werkzeuge
deutlich, indem sie Korrosion
sowie abrasiven und adhäsiven Verschleiß
reduzieren.
Da alle drei Beschichtungsarten durch
ihre chemische Passivität viel beständiger
sind als die üblicherweise eingesetzten
Stähle und Metalllegierungen, werden
Probleme auf der Oberfläche durch Oxidation
und Korrosion vermieden. Wichtig
ist dabei, dass die Beschichtung besonders
dicht und defektfrei ist, um das
Substrat bei der Fertigung zu schützen.
Darüber hinaus verfügen vor allem die
keramischen und kohlenstoffbasierten
Beschichtungen über eine viel höhere
Härte als der «übliche» Werkzeugstahl, was
einen abrasiven Verschleiß im Prozess ver­
hindert. Dies ist ein wesentlicher Vorteil –
gerade wenn es um die Herstellung von
Hochglanzoberflächen geht, auf denen
jede Abriebstelle zu sehen ist. Durch die
mechanischen Eigenschaften der Beschichtungen
wird je nach Prozess auch eine
deutliche Erhöhung der Druckkraft und
Reduzierung der Zykluszeit ermöglicht.
Eine weitere wichtige Eigenschaft der
Beschichtungen ist, dass diese einen zum
Teil erheblich geringeren Reibungskoeffizienten
haben. Dies trifft vor allem für DLC­
Beschichtungen zu. Dadurch werden die
Entformungskräfte und der damit verbundene
adhäsive Verschleiß reduziert. Die
Schmiermittelmenge kann reduziert werden,
was neben geringeren Kosten und
weniger Reinigungsaufwand auch die
Oberflächenqualität verbessern kann.
Ein Alleinstellungsmerkmal des Fraunhofer
IPT ist die Sputter­PVD­Beschichtungsanlage,
die für diese Bearbeitung
solcher Werkzeuge eingesetzt wird. In
ihr wird die Beschichtung Atomlage auf
Atomlage aufgebaut. Diese Anlage wurde
speziell modifiziert, um die Defektdichte
zu minimieren. Darüber hinaus befindet
sich die Beschichtungsanlage zusammen
mit einer spezialisierten Reinigungsanlage
in einem Reinraum, um Kontamination
der Werkzeuge durch Staubpartikel, die
zu Defektstellen führen, zu vermeiden.
Staubpartikel, Metallabplatzungen in
der Beschichtungskammer oder gar prozessbedingte
Abscheidung von Atomclustern
auf der Werkzeugoberfläche
führen zu mit bloßem Auge nicht sichtbaren
Defektstellen auf der beschichteten
Oberfläche im µm­Bereich. Diese Defektstellen
reduzieren nicht nur die Oberflächenqualität,
sondern sind auch die
Keimstellen, die den Verschleiß der Werkzeuge
im Einsatz beschleunigen. Durch
die Maschinen­ und Prozessoptimierung
am Fraunhofer IPT wurde eine Reduzierung
dieser Defektstellen um etwa das
100­Fache erzielt. | Dipl.­Ing. Kyriakos
Georgiadis MBA, Fraunhofer­Institut
für Produktionstechnologie IPT, Aachen
Schichtstruktur und Oberfl ächenqualität einer
CrN­Beschichtung im Rasterelektronenmikroskop
Durch plasmaunterstützte Beschichtungsprozesse
können Formwerkzeuge die Abformung von
hochglanzpolierten Bauteilen ohne Qualitätsverlust
gewährleisten.
Freiformoptik aus PMMA
1 µm