KIMW optimiert Verschleißschutz

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Die KIMW-Forschungsstelle entwickelt verschleißreduzierte Werkzeugbeschichtungen.

Der optimierte Verschleißschutz für Serienwerkzeuge in der Kunststoffverarbeitung ist die wichtigste Anforderung an funktionelle Beschichtungen. Vielfältige Verbesserungen des Entformungsverhaltens, der reduzierten Belagbildung, Formfüllung oder des Korrosionsschutzes durch Werkzeugbeschichtungen wird nur dann zu einem produktiven Vorteil, wenn eine ausreichende Standzeit der Oberflächenveredelung gewährleistet ist.

Die Festlegung, wie verschleißfest tatsächlich eine Oberfläche für Anwendungen in der Kunststoffverarbeitung ist, erfolgt aufgrund von Erfahrungswerten und einer groben Abschätzung der Vickers-Härte für die eingesetzte Beschichtung. Die KIMW Forschungsstelle (kurz: KIMW-F) entwickelt und analysiert gezielt Werkzeugbeschichtungen hinsichtlich ihrer spezifischen Verschleißfestigkeit.

Werkzeugbeschichtungen werden in der Kunststoffverarbeitung für formgebende Oberflächen und bewegte Bauteile eingesetzt und dienen immer zur Optimierung des Produktionsprozesses. Die technischen Anforderungen sind hier unterschiedlich gelagert, werden aber durch Art und Komplexität des Bauteils bestimmt. Elemente, wie Auswerfer und Schieber unterliegen hohen mechanischen Belastungen und sollen bestenfalls im schmiermittelfreien Betrieb eingesetzt werden. Formgesenke weisen eine Vielzahl unterschiedlichster Oberflächenbearbeitung auf, und müssen einer langen Betriebsdauer standhalten.

Zur Entwicklung von tribologisch wirksamen Schichten und der Untersuchung des Reibverhaltens von Formoberflächen werden vom KIMW-F erprobte Prüfstände (hier ein Reibprüfstand) verwendet. Foto: KIMW

Untersuchung des Reibverhaltens von Formoberflächen

Zur Entwicklung von tribologisch wirksamen Schichten und der Untersuchung des Reibverhaltens von Formoberflächen werden vom KIMW-F erprobte Prüfstände verwendet die eine sichere Vorhersage des Leistungsvermögen von z.B. DLC-Schichten auf Auswerferelemente ermöglichen. Im Praxistest werden hier valide Werte zur Lebensdauer und des Gleitvermögens von Beschichtungen ermittelt.

Durch das Analyseverfahren lassen sich für den Anwender zeitnah Aussagen über das Verhalten der beschichteten Komponenten erzielen die sich im alltäglichen Produktionseinsatz nur sehr langwierig, oder mitunter gar nicht ermitteln lassen. Zur Quantifizierung der Abrieb- oder Verschleißfestigkeit von tribologisch wirksamen Beschichtungen hat sich eine weitere Methodik als sehr praktikabel erwiesen die aufgrund ihrer Verschleißwirkung auch gute Vorhersagen für das Verschleißverhalten von Formoberflächen in der Kunststoffverarbeitung ermöglicht.

Mittels eines normierten Schichtabtrages wird ein Verschleißvolumen gemessen das als Vergleichsgröße für eine spezifische Abriebfestigkeit der Oberfläche verwendet wird.

In ihrer Vickers-Härte unterschiedliche Beschichtungen zeigen hier ein gänzlich anderes Verschleißverhalten. Eher weiche Beschichtungen wie z.B. DLC mit 2000Hv besitzen einen höheren Abriebwiderstand als klassische Hartstoffschichten (z.B. TiAlN 3000HV).

Im Unterschied zu einer reinen Härtemessung werden bei dieser Methode Verschleißmechanismen genutzt, die eine bessere Vergleichbarkeit zu realen Verarbeitungsprozessen erlauben. In Analogie zur Kunststoffverarbeitung wir hierbei ein sehr feiner und harter Verschleißpartikel (Korund) bei moderaten Lasten über die beschichtete Oberfläche gerieben. Neben der Schichthärte wird hierbei auch der Schichtaufbau in die Verschleißanalyse mit einbezogen.

Im Praxistest (hier ein Verschleißprüfstand) werden valide Werte zur Lebensdauer und des Gleitvermögens von Beschichtungen ermittelt. Foto: KIMW

Entwicklung weiterer Prüfmethoden für verschleißoptimierte Produktionsprozesse

Die Forschungsstelle des KIMW in Lüdenscheid hat es sich zur Aufgabe gemacht, praxisrelevante Forschungsmethoden zu entwickeln und die daraus resultierenden Ergebnisse Anwendern bereit zu stellen. So können noch vor dem eigentlichen Serienstart Antworten auf kunststoffspezifischen Fragestellungen geliefert werden. Der Vorteil durch den Einsatz von Emissionswerkzeugen, einem Entformungstribometer, der Impedanzspektroskopie, dem Einsatz eines Verschleißprüfstandes oder auch der Ermittlung von Wärmeleitfähigkeit von Schichtwerkstoffen liegt im Vorfeld bei der Einsparung von teuren Werkzeugkorrekturen und in der Praxis durch stabile und verschleißoptimierte Produktionsprozesse.

Genutzt werden diese unterschiedlichen Verfahren in Forschungsprojekten zur Qualifizierung und Quantifizierung von Schichteigenschaften, unter anderem zur Entwicklung von 3D-fähigen Beschichtungsprozessen. Ein aktuelles Beispiel ein öffentlich gefördertes Forschungsvorhaben zur Entwicklung von Hartstoffschichten. Die sollen den Verschleißschutz an sensiblen Stellen im Werkzeug, wie in engen Spalten oder hinterschnittigen Konturen darstellen. Für das KIMW-F besteht hier ein großes Forschungspotential für die Lösung bislang ungelöster Verschleißprobleme in der Kunststoffverarbeitung.

jl

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