Zerstörungsfreie ablösbare, ultradünne Trennschichten mit Schichtdicken unterhalb von 100nm für eine zuverlässige Entformung und Nachbearbeitung von Mikroformteilen

Das Spritzgießen von Kunststoffen ermöglicht die wirtschaftliche Herstellung komplexer Formteile mit hoher Oberflächenqualität. Mit zunehmender Miniaturisierung sowie dem Einsatz mikro- und nanostrukturierter und optisch hochwertiger Oberflächen steigen jedoch die Anforderungen an die zuverlässige Entformung. Hohe Adhäsionskräfte zwischen Kunststoff und Werkzeug sowie die Bildung von Belägen auf der Werkzeugoberfläche können zu Formteilschädigungen, Qualitätseinbußen und erhöhtem Wartungsaufwand führen. Konventionelle externe oder interne Trennmittel sind insbesondere bei Formteilen, die anschließend metallisiert, bedruckt, lackiert oder beklebt werden, problematisch, da Rückstände nachfolgende Oberflächenbehandlungen beeinträchtigen können. Dauerhafte, ultradünne Trennschichten auf Werkzeugoberflächen stellen daher einen vielversprechenden Lösungsansatz dar. Gleichzeitig ist bei herkömmlichen Beschichtungssystemen eine erneute Beschichtung nach Verschleiß häufig mit einer aufwändigen Bearbeitung der Werkzeugoberfläche verbunden.

Ziel des Projekts „UltraTrenn“ war die Entwicklung und Untersuchung ablösbarer, ultradünner plasmapolymerer Trennschichten für eine zuverlässige und übertragsfreie Entformung von Kunststoffformteilen. Dabei sollten Schichtdicken von unter 100 nm bei gleichzeitig geringer Oberflächenrauheit, geeigneten Trenneigenschaften und ausreichender mechanischer Belastbarkeit realisiert werden. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Trennschicht, Kunststoffschmelze und entstehenden Belägen sowie auf der Entwicklung eines werkzeugschonenden Verfahrens zur Ent- und Neubeschichtung.

Im Rahmen der Untersuchungen wurden mehr als 60 Trennschichten mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen und Schichtdicken entwickelt und charakterisiert. Für weiterführende Untersuchungen wurden unter anderem 50 nm dünne Schichtsysteme mit gezielt eingestellten Oberflächenenergien ausgewählt. Die Beschichtungen zeigten eine hohe Standfestigkeit und konnten in zahlreichen Praxisanwendungen erfolgreich eingesetzt werden. Insbesondere bei schwer entformbaren Kunststoffen wurde eine deutliche Reduzierung der Klebeneigung erreicht. Bei ausgewählten Anwendungen konnte zudem die Belagsbildung auf Werkzeugoberflächen verzögert und dadurch der erforderliche Wartungsaufwand reduziert werden. So verlängerte sich beispielsweise bei einem Werkzeug zur Herstellung von PP-Elektrosteckern das Wartungsintervall von etwa 30.000 auf etwa 90.000 Schuss.

Darüber hinaus konnte ein werkzeugschonender Ansatz zur Ent- und Neubeschichtung entwickelt und erprobt werden. Durch das gezielte Entfernen der Trennschicht bis zu einer als Stoppschicht wirkenden SiOx-Haftvermittlerschicht war eine mehrfache Neubeschichtung möglich, ohne die Oberflächenrauheit der metallographisch polierten Werkzeugoberflächen wesentlich zu verändern. Die Untersuchungen zeigten zugleich, dass die Wirksamkeit der Trennschichten vom jeweiligen Entformungs- und Belagsmechanismus abhängt. Während adhäsionsbedingtes Kleben wirksam reduziert werden konnte, zeigten sich bei einer geometrischen Verklammerung in strukturierten Werkzeugoberflächen sowie bei bestimmten schmierenden Belägen Grenzen der Beschichtungstechnologie.

Die Projektergebnisse zeigen damit das Potenzial ultradünner plasmapolymerer Trennschichten für die prozesssichere Verarbeitung schwer entformbarer Kunststoffe. Neben der Reduzierung von Entformungsproblemen können die Beschichtungen je nach Anwendungsfall zu längeren Wartungsintervallen und einer vereinfachten Werkzeugreinigung beitragen. Gleichzeitig ermöglichen sie eine gezielte Beeinflussung der Oberflächenchemie und Benetzbarkeit unabhängig von der Werkzeugrauheit und schaffen damit eine Grundlage für die anwendungsspezifische Auslegung von Werkzeugoberflächen.