Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
SkForm.
Spritzgieß-Werkzeug mit nanostrukturiert beschichtetem Formeinsatz.
(v.li.n.re.) Dr. Jan Hagen und Alexander Fromm.
Oberflächenbeheizung von Spritzgießwerkzeugen
© Fraunhofer IWM
SkForm
Zielsetzung
Ultrahydrophpobe Hybridschicht für die Formgebung von Polymeren.
Nanostrukturierte funktionale Titan-Aluminium-Nitridschicht.
Ziel des Verbundprojekts war die Entwicklung eines schnellen variothermen Spritzgießverfahrens zur wirtschaftlichen Erzeugung funktionaler Oberflächen auf Polymermaterialien (»SkForm-Prozess«). Damit wurden hochwertige Komponenten, wie zum Beispiel Präzisionslinsen mit hoher optischer Transmission in einem einzigen Prozessschritt, d.h. ohne einen zusätzlichen aufwendigen und kostenintensiven Vergütungsschritt, bei kurzen Zykluszeiten hergestellt. Kern des Vorhabens war dabei die Entwicklung einer hochdynamischen Werkzeugtemperierung auf Basis von keramischen Hochleistungsheizern CPH (Ceramic Power Heater).
Der verfolgte Ansatz berücksichtigte die gesamte Prozesskette, angefangen mit dem Werkzeugbau, der Fertigung und Integration von CPH-Heizelementen für eine schnelle variotherme Temperiertechnik, eine Maschinensteuerung mit extrem kurzen Ansprechzeiten, die eine direkte Implementierung der neuen Temperiertechnik in die Maschinensteuerung ermöglicht, sowie nanostrukturierte und antiadhäsiven Beschichtungen für Spritzgießformenoberflächen.
Vorteile
Thermografieaufnahme einer bauteilgerecht gesägten CPH-Heizkeramik.
Bauteilgerecht gefertigte CPH-Heizkeramik.
Der »SkForm-Prozess« ermöglicht eine wesentlich höhere Temperaturdynamik, als dies bei konventionellen Spritzgießprozessen möglich ist. Dies führt zu einer hohen Wirtschaftlichkeit durch eine deutliche Verkürzung der Zykluszeiten im Prozess, insbesondere auch bei einer bisher nicht zu marktfähigen Preisen zu realisierenden Abformung von mikro- und nanostrukturierten Werkzeugoberflächen. CPH-Heizelemente können durch innovative Sägeverfahren anwendungsspezifisch bearbeitet und im Lötprozess zuverlässig elektrisch kontaktiert werden.
Ergebnisse
»SkForm«-Demonstratorlinse mit abgeformter funktionaler Nano-Struktur zur Entspiegelung (linke Seite). Zum Vergleich: unentspiegelte Linse (rechte Seite).
Im Rahmen des Projektes »SkForm« wurde eine hochdynamische Prozessführung auf Basis keramischer Widerstandsheizer in einer Pilot-Spritzgießanlage realisiert. Hierdurch wurde eine Reduktion der Zykluszeiten um bis zu 90 % gegenüber konventionellen Verfahren, sowie eine konturgetreue Abformung von optisch funktionalen Nanostrukturen mit nachgewiesener Entspiegelungswirkung erzielt.
Die Ergebnisse wurden als Weltneuheit erstmals auf der FAKUMA 2008 dem Fachpublikum präsentiert.
Mögliche Anwendungen
- Komponenten mit funktionalen mikro- und nanostrukturierten Oberflächen, z.B. Blu-ray Disc, durch Nanostrukturierung entspiegelte Komponenten, »easy-to-clean« Oberflächen, Mikrofluidikteile
- Optische Komponenten, z.B. dickwandige Linsen, Präzisionsoptiken
- Dünnwandige Bauteile mit hohen Fließwegen / Wanddickenverhältnissen
- Schnelles Initiieren von Vernetzungsreaktionen in Duroplasten bei Überflutungsprozessen und bei der Elastomerverarbeitung
Publikationen
- Burmeister, F.; Kohn, C.; Kuebler, R.; Kleer, G.; Bläsi, B.; Gombert, A.; Applications for TiAlN- and TiO2-coatings with nanoscale surface topography; Surface and Coatings Technology 200/5-6 (2005) 1555–1559 Link
- Burmeister, F.; Schäffer, E.; Kleer, G.; Döll, W.; Bläsi, B.; Gombert, A.; Investigation of structured TiAlN- and TiO2-coatings with moth-eye like surface morphologies; Surface and Coatings Technology 200/1-4 (2005) 1088–1092 Link
Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept »Forschung für die Produktion von morgen« gefördert (Förderkennzeichen 02PU2320 bis 02PU2325) und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut.
Laufzeit: 1.4.2007 – 30.9.2010