24.01.2014

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Fraunhofer IWM: Ultradünne Heizer für Spritzgießwerkzeuge

Künftig sollen sich Kunststoffteile dank einer Dünnschichtheizung mit verbesserter Oberflächenqualität herstellen lassen. Forschern des Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg sei es zudem gelungen, den dazu nötigen Energiebedarf deutlich zu senken.

"Für Kunststoffkomponenten mit hochwertigen Oberflächen heizt man im Variothermverfahren das gesamte Formwerkzeug auf etwa 110 Grad Celsius auf, das entspricht zum Beispiel der Verarbeitungstemperatur von thermoplastischen Kunststoffen wie Polycarbonat. Damit man das fertige Kunststoffteil schadensfrei aus der Form nehmen kann, muss diese anschließend um rund 20 bis 30 Grad Celsius herunter gekühlt werden - und das in jedem Produktionszyklus immer wieder aufs Neue. Das bedeutet einen großen Energieaufwand", erläutert Alexander Fromm vom IWM.

Gemeinsam mit seinen Kollegen und dem Kunststoff-Zentrum in Leipzig hat er ein neuartiges Temperierverfahren entwickelt, mit dem sich der Energiebedarf im Vergleich zu bisher verwendeten Verfahren je nach Produkt um bis zu 90 Prozent senken lassen soll. Der Trick: Anstatt das gesamte Formwerkzeug aufzuheizen - das abhängig vom Kunststoffteil immerhin bis zu einer halben Tonne und mehr wiegen kann -, wird nur noch die Werkzeugoberfläche erwärmt, die mit der Kunststoffschmelze in Berührung kommt.

Mikrometer dünne Schicht
Möglich machen soll das eine Dünnschichtheizung. Dazu beschichten die Forscher die Wand des Formenwerkzeugs mittels eines vakuumbasierten Beschichtungsverfahrens, dem Sputterprozess. Dabei werden in einer Vakuumkammer die Schichtatome aus dem Ausgangsmaterial mithilfe von energiereichen Ionen herausgeschlagen. Das atomar zerstäubte Material kondensiert auf der Oberfläche des Formwerkzeugs zu einer aus mehreren Lagen aufgebauten Schicht, deren Dicke nur wenige Mikrometer (1μm ist ein Tausendstel Millimeter) misst. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist rund 80 μm dick. Diese extrem dünne Schicht soll nicht nur die Oberfläche des Formwerkzeugs auf die gewünschte Temperatur bringen können, sondern auch den thermomechanischen Belastungen beim Spritzgießen standhalten.

Als elektrische Isolation dient eine keramische Lage, welche die leitfähige Heizschicht vom darunter liegenden Stahlwerkzeug abschirmt. Die eigentliche beheizbare Schicht besteht aus einem speziell angepassten, leitfähigen Hartstoff. Die Herausforderung beim Besputtern besteht darin, nicht nur eine perfekte Isolationsschicht herzustellen, um Kurzschlüsse zu vermeiden, sondern auch einen Sensor in der Dünnschichtheizung unterzubringen. Mit diesem kann die Temperatur am Ort des Geschehens gemessen und der Produktionsprozess gesteuert werden.

Dies sei den Forschern gelungen, indem sie extrem dünne "Thermodrähte" mit Stärken von wenigen 100 Nanometern aus Nickel beziehungsweise einer Nickel-Chrom-Legierung integrierten. Diese können in Dünnschichttechnik hergestellt und in den Schichtstapel eingefügt werden. Die Thermoelemente reagieren wegen ihrer extrem geringen Massen sehr schnell auf Temperaturveränderungen und erlauben eine direkte Messung der Temperatur der Werkzeugwand. Im Labor konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass sich diese Dünnschichtheizung in kürzester Zeit auf die gewünschte Formwandtemperatur einstellen lässt. Nun suchen sie Partner aus der Industrie, mit denen sie das Verfahren in einen serienreifen Prozess überführen können.

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