Dokument 1.pdf (4.979 KB) - RWTH Aachen University

zur Beschichtung
Verschleiß und Anhaftung von
Kunststoffen zu schützen. Dies
hat einerseits eine Kosteneinsparung
durch geringe Instandhaltungskosten
und andererseits
eine Verbesserung der Bauteilqualität
durch eine verringerte
Anzahl von Fehlstellen zur Folge.
Zukünftige Verbesserungen von
Plasmabeschichtungen können
jedoch nur dann wirtschaftlich
erreicht werden, wenn es gelingt,
schon vor der Beschichtung
vorherzusagen, wie die
Schicht in der Praxis abschneiden
wird. Die Vorhersage kann aber
nur gelingen, wenn die Schnittstellen
von den Plasmaparametern
während der Schichtherstellung
über die Schichteigenschaften
bis hin zur Anwendungscharakteristik
eines Bauteils hinlänglich
bekannt sind. Aus diesem
Grund ist es Ziel des Forschungsvorhabens,
die Schnittstellen genau
zu definieren, das heißt den
Weg von den Plasmaprozessparametern
bis hin zur fertigen Anwendung
aufzuzeigen und am
Beispielprozess beschichteter und
damit verschleißgeschützter
Komponenten von Kunststoff-
Spritzgießmaschinen konkret
auszuformulieren.
Hierzu ist es notwendig, dass
eine gezielte, softwareunterstützte
Schichtauswahl stattfindet,
die es ermöglicht, eine Vielzahl
von chemischen Schichtzusammensetzungen
zu untersuchen
und aufzuzeigen, welche
geeignet für die Anwendung in
Spritzgießmaschinen ist, siehe
Bild 1. Mit Hilfe von rechnergestützten
Untersuchungen ist es
anschließend möglich, die mechanischen
Eigenschaften der
Plasmabeschichtungen vorherzusagen
und so eine weitere Einschränkung
zu erreichen. Neben
der chemischen Zusammensetzung
wird ein Hauptaugenmerk
auf die Schichtstruktur im Nanometerbereich
gelegt. Durch eine
gezielte Prozesssteuerung ist es
möglich, Multilagenstrukturen zu
synthetisieren, die sich aus unterschiedlichen
Werkstoffen zusammensetzen
und so die Vorteile
beider Werkstoffe vereinen.
Eine große Herausforderung ist
das Verständnis der Vorgänge im
Plasma während der kurzen Pulse
bei Hochleistungsplasmen. In
enger Zusammenarbeit mit der
Ruhr-Universität Bochum werden
dazu Diagnostiksysteme zur
Charakterisierung von Hochleistungsplasmen
eingesetzt und
grundlegend erforscht. Dieses
Verständnis ist erforderlich, um
eine möglichst geschlossene Betrachtung
der gesamten Prozesskette
zu ermöglichen und so
eine Vorhersage der chemischen
und mechanischen Eigenschaften
der Plasmabeschichtungen
treffen zu können.
Die theoretisch und experimentell
ermittelten Werkstoffparameter
und -eigenschaften werden
verglichen, um so Annäherungsmodelle
zu validieren und
zu verbessern. Der letzte Schritt
ist die Anwendung der entwickelten
Plasmabeschichtungen
in Kunststoff-Spritzgießanlagen,
um die Vorhersagen zu evaluieren
und hochpräzise Kunststoffbauteile
für Automobilbau,
Bürobedarf und Home-Entertainment
herstellen zu können.
Beschichten von Kunststoffen
Die gezielte Beschichtung der
Komponenten von Kunststoff-
Bild 2: Methodik zur wissensbasierten
Abscheidung nanostrukturierter
Schichtsysteme
auf Kunststoffen.
verarbeitungsmaschinen, wie Extruderschnecke
oder Werkzeug,
erhöht nicht nur die Standzeit
der Anlagen sondern trägt auch
wesentlich zu einer höheren
Qualität der Produktoberflächen
bei. Vor allem eine höhere
Oberflächenqualität von Kunststoffbauteilen
erleichtert die
anschließende Veredelung mit
einer funktionellen Beschichtung
zur gezielten Erweiterung des
Anwendungsspektrums.
Die Materialauswahl im Bereich
der Lebensmittelverpackungen
wird stark durch die
Permeationseigenschaften der
eingesetzten Kunststoffe geprägt.
Typische Werkstoffe, wie
PET oder PP, bieten als Folienmaterial
bei Dicken von 10 µm –
200 µm jedoch häufig keine
ausreichende Sperrwirkung gegen
Wasserdampf, Sauerstoff
und Aromastoffe. Aufgrund ihrer
Verarbeitungsbedingungen
und der geringen Materialdicke
stellen Folien jedoch besondere
Anforderungen an eine plasmapolymere
Beschichtung. So wird
der Einsatzbereich der Plasmatechnologie
zur Barrierebeschichtung
von Kunststofffolien
einerseits durch die geringe
Dehnfähigkeit der Schichten beschränkt.
Andererseits stellen sowohl
die geringe thermische Beständigkeit
der eingesetzten
Materialien als auch die homogene
Beschichtung großflächiger
Substrate wesentliche Anforderungen
an das Verfahren. Die
gezielte Synthese dünner plasmapolymerer
Funktionsschichten
auf flexiblen Kunststoffsubstraten
kann nur dann wirtschaftlich
erreicht werden, wenn es gelingt,
das Leistungsspektrum der
Schichten auch unter mechanischer
Belastung schon vor der
Beschichtung vorherzusagen,
siehe Bild 2. Hierzu müssen die
Zusammenhänge zwischen der
Morphologie und der Funktionalität
der Beschichtung, den
zugrunde liegenden gepulsten
Hochleistungsplasmaprozessen
sowie den Plasma-Substrat-
Wechselwirkungen bekannt sein.
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