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Gießformherstellung durchBeschichtung von ModellenCasting molds, produced by coating of prototypes

Thomas Schebesta, Jurgen Heikenwalder und Otmar Zimmer

Vakuum in Forschung und Praxis 18 (2006) Nr. 6 7–10� 2006 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim DOI:10.1002/vipr.200600305 7

Zusammenfassung

Es wird eine neuartige Werkzeug- und

Formenbautechnologie zur kostengunsti-

gen Herstellung standzeitoptimierter

Formwerkzeuge vorgestellt. Mit dieser

Technologie ist die wirtschaftliche Ferti-

gung von Prototypen und Kleinserien auch

im schwer verarbeitbaren Serienwerkstoff

moglich.

Das entwickelte innovative Herstellver-

fahren fur Gießformen und Spritzgieß-

werkzeuge basiert auf der Abformung eines

Positivmodells durch Schichtverbunde.

Diese, die Geometrie des Modells spei-

chernden, grenzflachenoptimierten

Schichtverbunde bilden mit einer Hinter-

futterung nach Entfernen des Teiles und

dem Anbringen der gießtechnischen Ein-

richtung die Werkzeugstammform. Der

Aufbau der Schichtverbunde erfolgt mit

aktivierten Bogenbeschichtungsverfahren

(PVD-Verfahren) fur die die spatere Werk-

zeugoberflache bildende Funktionsschicht

und durch Plasmaspritzbeschichten (APS)

fur die Stutzschicht.

Mit einem derart hergestellten Spritz-

gießwerkzeug konnen mehr als 1000 Teile

eines mit Glasfasern verstarkten Kunst-

stoffes oder mehr als 1500 Teile eines un-

verstarkten Kunststoffes in hoher Qualitat

gefertigt werden.

Summary

A new method for the cost effective pro-

duction of forming tools is introduced.

These tools can be used for the production

of prototypes and small series of products.

The new method for the production of

moulds and injection moulding tools con-

sists of the following steps:* coating of a positive model with a hard

coating by physical vapour deposition

(PVD)-technologies* deposition of a support coating, consi-

sting of a metal coating, applied by an

atmospheric plasma spraying technolo-

gy* embedding in a polymer removing of the

positive model* completion of the tool by adding the

moulding equipment

By using such a tool it is possible to produce

more than 1000 parts of a polymer (en-

forced by glass fibre) or more than 1500

parts of a regular polymer.

1 Einleitung

Der zunehmende Wettbewerb ist durch

enorme Innovationsdynamik sowie durch

Zeit- und Kostendruck gekennzeichnet. Die

sich schnell andernden und differenzierte-

ren Kundenwunsche und Anforderungs-

profile fuhren zu einer großeren Modell-

vielfalt, variantenreicheren Produkten,

kurzeren Modellwechseln und damit zu

einer abnehmenden Vermarktungsdauer

der Produkte.

Um ihre Marktfahigkeit im globalen

Wettbewerb zu erhalten, mussen die Un-

ternehmen die Entwicklungszeiten neuer,

den Kundenwunschen entsprechender

Produkte reduzieren und innovative Ver-

fahren zu deren Fertigung einsetzen, um

eine fruhe Markteinfuhrung, auch in klei-

nen Stuckzahlen, zu realisieren. Unter die-

sem Zeit- und Kostendruck gewinnt die

effektive Herstellung technischer Prototy-

pen, sowie von Vor- und Kleinserienteilen

zunehmende Bedeutung.

Es gibt deshalb vielfaltige Bemuhungen,

innovative Fertigungsverfahren zur Her-

stellung verschleißfester Gieß-, Spritzgieß-

und Druckgussformen zu entwickeln,

welche die schnelle und wirtschaftliche

Fertigung von technischen Prototypen und

Kleinserien im Serienwerkstoff ermogli-

chen.

Ziel des offentlich geforderten For-

schungsvorhabens war die Entwicklung

einer Werkzeug- und Formenbautechnolo-

gie zur kostengunstigen und kurzfristigen

Fertigung standzeitoptimierter Gießformen

und Spritzgießwerkzeuge. Dabei wird die

Werkzeugstammform des Formwerkzeuges

durch Geometrie speichernde Schichtver-

bunde gebildet, deren formende Oberfla-

che entsprechend dem vorliegenden Be-

anspruchungsprofil, der Formmasse (Pro-

duktwerkstoff) und dem abzuformenden

RP-Kunststoffteil aus leistungsstarken, mit-

tels PVD- und thermischen Spritzverfahren

applizierten Werkstoffen hergestellt wer-

den. Ausgang des mehrstufigen Verfahrens

bildet ein als Positivmodell dienendes

Kunststoffteil, welches mit einem RP-Ver-

fahren, vorzugsweise mittels Stereolitho-

grafie oder konventionell gefertigt wurde.

Der prinzipielle Aufbau des durch

Schichtverbunde zu bildenden Formwerk-

zeuges geht aus Abb. 1 hervor.

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2 Schicht- undVerfahrensentwicklung

2.1 Entwicklung desVerfahrenskomplexes fur diePVD-Funktionsschicht

Die Haftfestigkeit einer PVD- Beschichtung

auf einem Kunststoffsubstrat (Positivmo-

dell) wirdwesentlich durch die unmittelbar

vor der Beschichtung stattfindende Plas-

mavorbehandlung bestimmt. Dieser Pro-

zessschritt dient vor allem der Feinreini-

gung und Oberflachenaktivierung des Po-

sitivmodells.

Im Forschungsvorhaben war eine Plas-

mabehandlung zu entwickeln, die neben

einer ausreichenden Schichthaftung auch

eine nachfolgende Entformbarkeit der Po-

sitivmodelle bei der Werkzeugherstellung

gewahrleisten musste.

Wahrend des Schichtwachstums mussen

die Schichtstrukturen entstehen, die spater

das gewunschte Einsatzverhalten der

Oberflache bewirken. Dies ist in aller Regel

an eine hervorragende Haftung der Schicht

zum Untergrund gebunden, da sich sonst

z.B. Staub bilden kann, der ein geordnetes

Schichtwachstum verhindert. Andererseits

fuhrt eine sehr gute Schichthaftung zu

massiven Problemen bei der Entformung

des Positivmodells, was zur Zerstorung des

Formspeichers fuhren kann.

Im Rahmen der Arbeiten wurden ver-

schiedene Plasmavorbehandlungen an

verschiedenen Substratmaterialien durch-

gefuhrt, wobei anschließend eine Be-

schichtung mit CrN, TiN oder TiAlN

durchgefuhrt wurde. Die Bewertung der

Plasmavorbehandlung erfolgte dann an

Hand der Haftfestigkeit der Schicht auf dem

Substrat. Diese wurde mit Hilfe von Tape-

tests (DIN 58196) evaluiert. Als Plasma-

verfahren wurde eine sogenannte bogen-

verstarkte Glimmentladung genutzt. Diese

Plasmabehandlung erlaubt eine große Va-

riationsbreite der Plasmaintensitat und die

Nutzung verschiedener Plasmagase.

Im Rahmen der Tests wurden die Plas-

maintensitat, die Einwirkdauer und die

Gaszusammensetzung variiert. Zunachst

wurde angestrebt, die großtmogliche

Haftfestigkeit einzustellen.

Die besten Ergebnisse wurden mit fol-

gendem Parametersatz erzielt:

Arbeitsgas: Ar/ O2- Mischung

Plasmaintensitat: 10% (entspr. ca. 400 W

eingekoppelte Leistung )

Einwirkdauer: 2 min

Anschließende TiAlN- Beschichtungen

zeigten die beste Haftfestigkeit.

Spater erfolgte eine Optimierung bzgl.

ausreichender Haftung, um die Zugkrafte

der APS– Stutzschicht aufzunehmen und

eine leichte Entformbarkeit des Kunststoff-

Positivmodells aus dem hintergossenen

Schichtverbund zu ermoglichen.

2.2 Auswahl des Schichtsystems,Beschichtung von Probekorpern

Die auf das Positivmodell aufgebrachte

Beschichtung bildet die spatere Oberflache

des entstandenen Werkzeuges. Deshalb ist

hier ein Schichtsystem zu verwenden, das

fur den spateren Einsatzfall geeignet ist. Es

soll im Werkzeug eine verschleißfeste

Oberflache bilden und gute Kontakteigen-

schaften zum Material des Werkstuckes

aufweisen. Fur Kunststoffspritzgießwerk-

zeuge ist insbesondere eine geringe Kleb-

neigung der Schichtoberflache zur

Schmelze vorteilhaft. Typische Schicht-

werkstoffe fur klassische metallische

Formwerkzeugkomponenten in der

Kunststoffverarbeitung sind z.B. TiN, CrN,

TiAlN, Cr. Die Hartstoffschicht der spateren

Werkzeugoberflache muss insbesondere

dem Verschleißangriff bei der Nutzung des

Werkzeuges standhalten. Auf Grund ihrer

hohen Harte und Verschleißbestandigkeit

wurden die Schichtwerkstoffe TiN, CrN

und TiAlN auch auf Eignung fur prototy-

pische Werkzeuge untersucht. Dabei er-

wiesen sich TiAlN- Schichten (Ti:Al =

33:66) als geeignet. Abb. 2 zeigt eine mit

TiAlN beschichtete Kunststoffoberflache.

Die Schichten wurden mit dem Vakuum-

bogenverfahren (Arc-Verfahren) aufge-

bracht

Um eine gute Anbindung der nachfol-

genden APS- Haftschicht aus Aluminium zu

gewahrleisten, war es notwendig, eine

moglichst raue Oberflache der PVD-

Schicht zu erzeugen. Deswegen wurde im

Anschluss an die Hartstoffschicht bei eini-

gen Substraten eine raue Aluminiumschicht

mit dem PVD- Verfahren aufgebracht. Da-

durch konnte die Anbindung der APS-

Schicht verbessert werden. Abb. 3 zeigt

beispielhaft einige PVD- beschichtete Pro-

bekorper.

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Hinterfutterung

Stutzschicht

Start- oder Haftschicht

Kontakt- oder Trennschicht

Positivmodell

Abb. 1: Schemati-scher Aufbau desFormwerkzeuges

Abb. 2: Beispiel einer mit TiAlN be-schichteten Kunststoffoberflache

Abb. 3: PVD- beschichtete Prototyp- Pro-bekorper, Schichtsystem TiAlN + Al

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2.3 Entwicklung desVerfahrenskomplexes fur dieAPS-Stutzschicht

2.3.1 Schichtvorbereitung,Aktivierung des Kunststoff /PVD-Schichtverbundes

Die fur das thermische Spritzen ubliche

Haftgrundvorbereitung, das Aufrauen zur

Oberflachenvergroßerung und Aktivieren

der zu beschichtenden Oberflache durch

Strahlen, musste entfallen. Die nur 2 bis 4

lm dicke PVD- Schicht wurde dadurch

zerstort. Fur den Haftmechanismus der

Spritzschicht durch mechanische Ver-

klammerung der im teigigen oder flussigen

Zustand auftreffenden, Schicht bildenden

Spritzwerkstoffpartikel steht somit nur die

Rauheit der Oberflache des beschichteten

Kunststoffmodells zur Verfugung. Mit der

oben erwahnten Aluminiumschicht, die

unmittelbar nach der Hartstoffschicht auf-

getragen wurde, konnte diese Rauheit

wesentlich vergroßert werden. Die PVD-

Funktionsschicht besaß so eine um ca. 4 bis

15 lm großere Rauheit Rz als die Oberfla-

che des abzuformenden Kunststoff- For-

melementes.

2.3.2 APS- Schichtentwicklung

APS-Haftschicht

Die APS- Haftschicht ist Teil der APS-

Stutzschicht. Sie dient mit ihren in be-

stimmten Großen einstellbaren Rauheiten

zur Haftvermittlung der eigentlichen

StutzschichtmitderPVD- Funktionsschicht.

Fur die APS- Haftschicht wurden u.a.

folgende Schichtwerkstoffe (Spritzpulver)

unterschiedlicher Herstellung und Korn-

großen in die Untersuchungen zur

Schichtentwicklung einbezogen:

– NiAl 95/5,

– NiCr 80/20,

– Al,

– Cu.

Dabei erwiesen sich Al- bzw. Cu- Schichten

als besonders geeignet. Auch diemit großer

werdender Schichtdicke zunehmenden

Schichtzugspannungen, die auf die PVD-

Schichten und das Kunststoffsubstrat ein-

wirken, konnen mit den Al-Schichten auf

ein bzgl. der Schichthaftung der PVD-

Schicht und der Steife des Kunststoffsub-

strates tolerierbares Maß reduziert werden.

Die erreichbare Dicke der Haftschicht ist

auch stark von der Rauheit und Oberfla-

chenstruktur des vorbeschichteten Kunst-

stoffsubstrates abhangig. Bei Rauheitswer-

ten Rz > 10 lm des Kunststoffsubstrates

sind Haftschichten s > 0,3mm aus Al oder

Cu auf die meisten der in die Untersu-

chungen einbezogenen PVD- Schichtver-

bunde und Formelemente haftfest spritz-

bar.

APS-Stutzschicht

Fur die eigentliche APS-Stutzschicht wur-

den folgende Schichtwerkstoffe in die Un-

tersuchungen einbezogen:

– 2 verschiedene Stahle (Fe-Basislegierung,

FeCrNiMo),

– Nickelbasislegierungen (z.B. NiCrBSi),

– Kobaltbasislegierungen (z.B. CoCrBSi,

Stellite 21).

Bei der APS- Beschichtung der Schichtver-

bunde Kunststoff/ PVD- Schicht/APS- Haft-

schicht mit hoherschmelzenden Metallle-

gierungen treten verfahrensbedingt Zug-

krafte auf, die mit steigender Schichtdicke

zunehmen. Diese konnen uber angepasste

Verfahrensparameter beim Beschichten

und uber den Schichtaufbau beeinflusst

werden. Fur die APS-Stutzschicht sind mit

folgendem Schichtaufbau die gunstigsten

Eigenschaften des Schichtverbundes fur

den Formspeicher erzielt worden (Abb. 4):

Haftschicht: vorrangig Aluminium oder

Kupfer mit Schichtdicke s � 0,3mm,

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Grundkorper: Polyacrylat/ PVD-TiAIN

Bildmitte: Haftschicht Al, s � 0,35 mm

Links: Haftschicht Al, s � 0,35 mm,Stutzschicht St, s � 0,65 mm

Rechts: Haftschicht Al, s � 0,35 mm,Stutzschicht NiCrBSi, s � 0,65 mm

Abb. 4: PVD- Schichtverbund mit Stutzschichtvarianten

Abb. 5: Schichtverbund im Gießrahmenpositioniert

Abb. 6: Gießharzhinterfutterung

Stutzschicht: Nickellegierung oder Stahl

mit Schichtstarke s � 0,6mm.

3 Bau des Testwerkzeuges,Erprobung

3.1 Hinterfutterung desSchichtverbundes

Die Hinterfutterung des bis zur Werk-

zeugtrennebene beschichteten Positivmo-

dells erfolgt in einem geteilten Gießrah-

men, der die Form der Werkzeugaufnahme

besitzt. Mittels einer Schablone wurde der

Schichtverbund im Gießrahmen und zur

Trennebene positioniert (Abb. 5), so dass er

mit dem gewahlten metallverstarkten

Zweikomponenten- Epoxidgießharz bla-

Abb. 7: Hinterfutterter Schichtverbund imGießrahmen

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senfrei hinterfuttert werden konnte

(Abb. 6). Wenn benotigt, kann in die

Gießharz- oder auch Metallhinterfutterung

ein Temperiersystem fur den Spritzgieß-

prozess integriert werden.

Nach der Aushartezeit konnte der hin-

terfutterte Schichtverbund dem Gießrah-

men entnommen werden (Abb. 7).

3.2 Herstellung des Formspeichers unddes Werkzeugformeinsatzes

Die Trennung des Positivmodells vom

Formspeicher wurde durch thermische

Behandlung des Schichtverbundes im hei-

ßen Wasserbad herbeigefuhrt.

Zur Herstellung des Formwerkzeugei-

nsatzes war der Formspeicher mit den be-

notigten spritzgießtechnischen Einrich-

tungen zu versehen. Im vorliegenden Fall

befinden sich im zweiten bereits vorhan-

denen Werkzeugeinsatz das Angusssystem,

Heißkanal und das Auswerfersystem.

Am durch Schichtverbunde gebildeten

hinterfutterten Formspeicher mussten

deshalb nur noch die Bohrungen fur die

Befestigung des Formwerkzeugeinsatzes in

der Werkzeugaufnahme angebracht wer-

den (Abb. 10).

4 Erprobung

Nach der Ermittlung optimaler Spritzpara-

meter fur den Teilewerkstoff PP GF30

wurden ca. 600 Teile dieser mit 30%

Glasfasern verstarkten Formmasse herge-

stellt. Die PP- Spritzgussteile ließen sich

leicht und ruckstandsfrei aus dem Werk-

zeug entformen und wiesen keine astheti-

schen Mangel auf (Abb. 11).

Im aus Schichtverbunden aufgebauten

Formwerkzeug wurden unter verscharften

Spritzgießbedingungen weitere ca.1000

Spritzgussteile aus ABS hergestellt.

Die Teile sind grat- und verzugsfrei und

weisen auch sonst keine Maß-, Form- und

Oberflachenfehler auf. Die Oberflachen-

gute der Teile entspricht der des verwen-

deten Positivmodells.

Danksagung

Wir danken der Europaischen For-

schungsgesellschaft Dunne Schichten e.V.

fur die finanzielle Forderung des For-

schungsvorhabens (AiF-Nr. 13886 BR), die

aus Haushaltsmitteln des Bundesministeri-

ums fur Wirtschaft und Technologie

(BMWT) uber die Arbeitsgemeinschaft in-

dustrieller Forschungsvereinigungen “Otto-

von-Guericke” e. V. (AiF) erfolgte.

Autoren

Dipl.-Ing. Thomas Schebesta, Jahrgang 1942,

studierte an der TU Dresden Werkzeugmaschi-

nenkonstruktion. Uber viele Jahre wirkte er im

Forschungszentrum des Werkzeugmaschinen-

baues Karl-Marx-Stadt (Chemnitz) an der Ent-

wicklung vonWerkzeugmaschinen und flexiblen

Fertigungssystemen mit. Seit 1994 ist er am In-

stitut fur innovative Technologien ITW e. V.

Chemnitz als Projektleiter in der Applikations-

forschung auf dem Gebiet des Plasmaspritzbe-

schichtens tatig.

Dipl.-Ing. Jurgen Heikenwalder, Jahrgang 1941,

absolvierte sein Studium der Technologie des

Maschinenbaues ebenfalls an der TU Dresden.

Nach Ingenieurtatigkeiten im Buromaschinen-

und Textilmaschinenbauwar er mit Aufgaben der

Vorlaufforschung und Forschungsorganisation

im Forschungszentrum des Werkzeugmaschi-

nenbaues Karl-Marx-Stadt (Chemnitz) betraut.

Seit 1994 leitet er das Institut fur innovative

Technologien ITW e. V. Chemnitz als Geschafts-

fuhrer.

Dr.-Ing.Otmar Zimmer (IWS Dresden), Jahrgang

1967, studierte an der TU Dresden Elektrotech-

nik. Seit 1995 ist er am Fraunhofer Institut fur

Werkstoff- und Strahltechnik im Bereich PVD-

Beschichtung tatig. Seit 2002 leitet er die Ar-

beitsgruppe PVD- Schichten.

Kontakt:

Fraunhofer Institut – IWS

Institut Werkstoff- und Strahltechnik

Winterbergstraße 10

01277 Dresden

info@iws-fraunhofer.de

www.iws.fraunhofer

ITW e.V. Chemnitz

Institut fur innovative Technologien

Neefestraße 88

09116 Chemnitz

info@itw-chemnitz.de

www.itw-chemnitz.de

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Abb. 8: Schichtverbund mit Positivmodell

Abb. 9: Formspeicher mit TiAlN-Oberfla-che

Abb. 10: Werkzeugeinsatz

Abb. 11: Spritzgussteilelinks: Spritzgussteil aus PP GF30 ws – rechts: Spritzgussteil aus ABS sw