Nanostrukturierung sorgt für Vorteile bei Entformung

Kunststoff-Institut führt erfolgreichen Praxistest bei Gigaset durch und zeigt, dass die Nanostrukturierung für Vorteile bei der Entformung sorgt.

Die Veränderung einer Werkzeugoberfläche durch eine Nanostrukturierung wirkt sich vorteilhaft auf die Entformung und so auf das Ablösemoment sowie das Gleitmoment von Kunststoffbauteilen aus. Den Nachweis führte das Kunststoff-Institut Lüdenscheid mit Hilfe eines eigenentwickelten Konzeptwerkzeuges zur Analyse von Entformungskräften sowie im Praxistest im Hause von Gigaset Communications GmbH. Das Entformungsverhalten von Kunststoffbauteilen aus dem Spritzgießwerkzeug am Ende eines Spritzgießzyklus hängt von vielen unterschiedlichen Einflussfaktoren ab, wie Untersuchungen in der Vergangenheit bereits gezeigt haben. In seiner Masterarbeit aus 2010 beschreibt Berthold Lorenz beispielsweise den Zusammenhang zwischen der Entformungskraft und der Oberflächenrauigkeit Ra des untersuchten Kerns. Deutlich wird für den Kunststoff Polypropylen (PP) in dieser Untersuchung ein Minimum zwischen extrem glatten Oberflächen mit Werten von Ra100 nm und raueren Oberflächen mit Ra>200 nm. Bei größeren Rauigkeiten können die Entformungskräfte durch mechanische Hinterschneidungen und Verkrallungen (Strukturerhebungen quer zur Entformungsrichtung) steigen, während der rapide Anstieg der Entformungskräfte bei sehr glatten Oberflächen (Ra 100 nm) im Wesentlichen durch zunehmende Adhäsionskräfte zu erklären ist.

Mit dem Widerstand des Formteils gegen die eigentliche Entformung aus der Kavität kann es zu verschiedenen Fehlerbildern kommen. Zum einen besteht die Möglichkeit, dass sich das Bauteil durch eine erhöhte Anhaftung sich beim Auffahren des Werkzeuges kurzzeitig vom Kern löst und verkantet. Hierbei entstehen oft Beschädigungen an der polierten Außenfläche. Der Entstehung von Einfallstellen im Bereich von Rippenanbindungen wird in der Regel mit einer Erhöhung des Einspritzdrucks an der Spritzgießmaschine und einem erhöhten Nachdruck entgegengewirkt. Beide Veränderungen der Parameter führen dazu, dass die Schwindung geringer wird und so die Auswerfer mehr Arbeit verrichten müssen. In der Folge kann das zu lokalen Deformationen führen, die am Bauteil anschließend leicht auszuspiegeln sind. In der Industrie werden zur Reduzierung von Entformungskräften in vielen Bereichen Trennmittel eingesetzt, die eine Entformung aus der Kavität erleichtern sollen. Neben der Unterbrechung bzw. Verlängerung des Zyklus entstehen hier zusätzliche Kosten und unerwünschte Verunreinigungen des Bauteils, die man auf Dauer gerne eliminieren möchte. Insbesondere bei der Produktion von medizintechnischen Produkten ist eine Verwendung derartiger Mittel meist nicht zulässig. Zur Optimierung des Entformungsverhaltens werden aktuell verschiedene Beschichtungen eingesetzt, die man beispielsweise galvanisch oder mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) appliziert. Neben den zusätzlichen Kosten haben diese Veredelungen den Nachteil, dass die Oberflächen in den meisten Fällen nicht problemlos nachpoliert werden können bzw. zuvor entschichtet werden müssen. Aufgrund der skizzierten Nachteile bietet sich bei hochglänzenden, anhaftenden Oberflächen der Weg einer Nano-Strukturierung als Alternative an. Diese verfolgt das Ziel, die Anhaftung zu reduzieren und dennoch eine nachträgliche Bearbeitung zu ermöglichen. Die technische Herausforderung liegt bei dieser Technologie darin, dass diese Feinstrukturierung keinesfalls den optischen Eindruck des fertigen Bauteils negativ beeinflussen darf.

Für eine objektive Bewertung und Quantifizierung der Entformungsverhältnisse in Abhängigkeit von Oberflächen und Spritzmaterialien ist am Kunststoff-Institut Lüdenscheid ein Konzept entwickelt und umgesetzt worden. Das sah den Bau eines speziellen Spritzgießwerkzeuges zur Untersuchung der Entformungskräfte vor, dass eine Trennung der Kunststoffhaftkräfte von der geometrischen Kontraktion berücksichtigt. Während des Öffnens des Werkzeugs wird eine Kunststoff-Scheibe, die auf der Rückseite für die Übertragung des zur Messung notwendigen Drehmoments verrippt ist, permanent einer Druckkraft aussetzt. So wird gewährleistet, dass sich die Oberfläche des schnell austauschbaren Werkzeugkerns nicht vom Formteil löst. Erst wenn das Formteil nur noch dieser konstanten und definierten Flächenpressung ausgesetzt ist, wird die Kunststoffscheibe in eine Drehbewegung gebracht. Daraus resultieren ein Ablösemoment bzw. ein maximales Haftmoment das sich aus dem Anhaften des Kunststoffs auf der Werkzeugoberfläche ergibt. Zudem ein Gleitintegral, welches die Reibung zwischen Kunststoff und Werkzeugoberfläche nach dem Ablösen beschreibt. Rotiert wird hier um 180°. Es ist außerdem möglich, die Werkzeugwandtemperatur in einem Bereich von 10 °C bis 140 °C zu variieren. Höhere Temperaturen sind nach Abstimmung möglich. Dieses einmalige technologische Konzept bietet gegenüber anderen Systemen Vorteile. So sind z. B. die Torsionsmomente sehr genau und reproduzierbar zu erfassen. Das System hat eine sehr geringe Eigenreibung und ist hinsichtlich der Auswerferkraft unabhängig von der Spritzgießmaschine. Entsprechende Werkzeugkerne mit alternativen Oberflächenstrukturen sind kostengünstig herstellbar.

Für einen objektiven Vergleich der Oberflächen werden hier exemplarisch drei Prüfronden mit dem Raster-Elektronen-Mikroskop (REM) untersucht. Zwei der Ronden - Abbildung links Ronde nanostrukturiert kurz und Abbildung rechts Ronde nanostrukturiert lang - wurden zuvor unterschiedlich lange strukturiert. Eine dritte Ronde dient als Referenz und ist ausschließlich hochglanzpoliert. Dabei sind die sehr feinen Riefen in Polierrichtung noch erkennbar, allerdings bewegen sich die Rauigkeiten deutlich unter 100 nm. Die unterschiedliche Strukturierungsdauer (Faktor 4) spiegelt sich in den Ausmaßen der Krater wider. Hier zeigt die länger nanostrukturierte Ronde deutlich weitere Täler, was auch in den Rauigkeiten Sa und Ra deutlich wird die gut um den Faktor 2 zugenommen haben.

Wie bereits geschildert schafft das KIMW-eigene Konzept-Werkzeug die Möglichkeit, sehr schnell, und aufgrund der geringen Standardabweichung auch reproduzierbar, Oberflächen und/oder Materialien miteinander zu vergleichen. Daher bietet sich dieses Werkzeug zur Beweisführung an, um darzustellen, dass nanostrukturierte gegenüber rein hochglanzpolierten Oberflächen hinsichtlich der Entformungscharakteristik enorme Vorteile bieten. Hier konnten am Beispiel dreier Polypropylen-Typen gezeigt werden, dass durch die Nanostrukturierung in allen Fällen sowohl das Ablösemoment als auch das Gleitintegral erheblich reduziert werden konnte. So lag die Verringerung des Ablösemoments zwischen 32,0 % und 43,8 % - je nach PP-Typ. Eine ähnliche Größenordnung zeigt das Gleitverhalten (zwischen 35,6% und 44,6 %, der gleichen Kunststoff-Werkzeug-Paarungen.

Die Gigaset Communications GmbH, einziger europäischer Hersteller von Kommunikationsprodukten mit Sitz in Bocholt, legt als Technologieführer sehr großen Wert auf Qualität. Daher waren die Verantwortlichen in dem Unternehmen für Tests der neuen Nanostrukturierung des Kunststoff-Instituts Lüdenscheid an einem Serienprodukt schnell zu begeistern. Ausgewählt wurde das Spritzgießwerkzeug Front/Rear der Gigaset N870IP PRO Basis, einem DECT-Multizellen-System. Während die für die Entformung unkritischen Hauptflächen eine Erodierstruktur (VDI 3400 Kl. 30) aufweisen, ist der seitliche Bereich hochglänzend mit einem geringen Entformungswinkel ausgeführt, wobei ausstoßseitig Rippen an diesen Bereich angebunden sind, in denen Einfallstellen ausgespiegelt werden können. Verfahrenstechnisch war ursprünglich das technisch Machbare bereits erreicht. Eine erhöhte Spritz- und Nachdruckeinstellung (zur Beseitigung der Einfallstellen) führte zu Entformungsproblemen und Beschädigungen an den Formteilen. Daher konnten die Formteile in der Vergangenheit nicht weiter optimiert werden. Erst die Einbringung einer Nanostrukturierung durch das Kunststoff-Institut Lüdenscheid in das Gesenk der Gigaset Basis ermöglichte die Erhöhung des Spritz- (+139 bar) und auch des Nachdrucks (+50 cbar), so dass die zuvor sichtbaren Einfallstellen eliminiert werden konnten.

Die Veränderung der Werkzeugoberfläche durch die Nanostrukturierung, die sich auch in der Erhöhung der Rauigkeitswerte niederschlägt, wurde mit der REM-Analyse deutlich. Mit dem Konzept-Werkzeug zur Darstellung von Entformungskräften des Kunststoff-Instituts Lüdenscheid konnte zunächst an Prüfronden gezeigt werden, dass durch eine entsprechende Behandlung von hochglanzpolierten Werkzeugoberflächen sowohl das Ablösemoment als auch das Gleitmoment des Kunststoffformteils aus Polypropylen von der Werkzeugoberfläche um rund ein Drittel reduziert werden kann. Die Versuche bei Gigaset Communications GmbH bestätigen: Für Bauteile mit hochglanzpolierten hohen Außenwandungen und geringen Entformungsschrägen kann eine Nanostrukturierung der Gesenkseite die Entformbarkeit deutlich verbessern. Die daraus resultierenden neuen Möglichkeiten zur Optimierung der Spritzgießparameter (u.a. Erhöhung der Drücke) führt zu einer sichtbaren Verminderung von Einfallstellen. Der Glanzgrad der "Glossy-Bereiche“ wird durch die Nanostrukturierung nicht verändert.

ak