VerschleissSchutzBeiWerkzeugen

Eifeler Beschichtungscenter GmbH, Kirschenleite 10-12, 91220 SchnaittachFolien Stand 05.12.2006

Verschleißschutz beim Spritzgießen

Referent: H. KuklaLeiter Labor / QMEifeler Beschichtungs Center GmbH


Datum: 21. Dezember 2006

Vortragsinhalte

a) kurze Vorstellung der a) kurze Vorstellung der EifelerEifeler--UnternehmensgruppeUnternehmensgruppe

b) Oberflb) Oberfläächentechnik fchentechnik füür r SpritzguSpritzgußßwerkzeugewerkzeuge

c) Vergleich PVD c) Vergleich PVD -- CVDCVD

d) Grundlagen PVD und daraus abgeleitete Forderungen an d) Grundlagen PVD und daraus abgeleitete Forderungen an den Formenbauwerkstoff und die Oberflden Formenbauwerkstoff und die Oberfläächeche

e) Was kann durch Oberfle) Was kann durch Oberfläächentechnik erreicht werden? chentechnik erreicht werden? Einige BeispieleEinige Beispiele


Die Eifeler-Gruppe ist ein Dienstleistungsunternehmen für den Verschleißschutz von

Werkzeugen

hochwertigen Bauteilenund


Eifeler in Deutschland und Umgebung

oo seit 1983 seit 1983 VerschleiVerschleißß--schutzschutz ffüür Werkzeuger Werkzeuge

oo PVDPVD--BeschichtungenBeschichtungen

oo PVDPVD--MaschinenMaschinen

oo CVDCVD--BeschichtungenBeschichtungenoo PlasmanitrierenPlasmanitrieren

oo VakuumhVakuumhäärtenrten

oo LaserLaser--HHäärtenrtenoo PolierenPolieren

oo MesssystemeMesssysteme

•• AeroAero--CoatingCoating


Eifeler weltweit: 15 Standorte von Eifeler oder Joint-Ventures und weltweite zusätzliche Kooperationen


- höhere Schusszahlen

Kunststoffspritzgießen:Herausforderungenfür Formenbauer und Verarbeiter

- kürzere Zykluszeiten

- Verbesserung der Verfügbarkeit des Werkzeuges

- höhere Ansprüche an Geometrie und Form

- Senkung der anteiligen Werkzeugkosten

- neue, schwer zu verarbeitende Kunststoffe

- aggressive und abrasive Füllstoffe

- schmiermittelfreier Betrieb


Einflussfaktoren auf die Entformung nach IKFF Stuttgart

l

•Werkzeugtemperatur•Massetemperatur•Kühlzeit•Druckverlauf•Auswerfergeschwindigkeit

lVerarbeitung

l

•Typ•E-Modul•Reibverhalten•Schwindung•Kristallinität

lKunststoff

l

•Werkstoff•Entformungsschräge•Oberfläche•Rauheit

lWerkzeug

l

•Geometrie•Wandstärke•Hinterschneidungen

lSpritzteil

l

Entf

orm

ungs

kraf

t

Auswerferweg


gutes Fließverhaltens

gewünschte Eigenschaften beeinflußt von der Werkzeug-Oberflächen

Beständig gegen abrasiven Verschleiß

keine Neigung zu Formbelagsbildung

Schutz bei Dieseleffekt

Wärmebarriere oder Wärmeleiter ?

guter Korrosionswiderstandes

gute Entformbarkeit


Oberflächenveredelung durch nasschemische Verfahren

Chemisch Nickel:Chemisch Nickel:-- Schichtdicken > 20 Schichtdicken > 20 µµm, sehr guter Korrosionsschutzm, sehr guter Korrosionsschutz-- hohe Schichtdicken fhohe Schichtdicken füühren mhren mööglicherweise zur Kantenverrundung glicherweise zur Kantenverrundung

und Topographieund Topographieäänderungennderungen-- bedingt verschleibedingt verschleißßfestfest

Galvanisch Chrom:Galvanisch Chrom:-- Schichtdicken > 10 Schichtdicken > 10 µµm, guter Korrosionsschutzm, guter Korrosionsschutz-- mmöögliche Kantenverrundung und Topographiegliche Kantenverrundung und Topographieäänderungennderungen-- gute Verschleigute Verschleißßbestbestäändigkeitndigkeit


Oberflächenveredelung durch Oberflächenhärtung (Diffusion)

Nitrierte und borierte OberflNitrierte und borierte Oberfläächen:chen:

-- gute Verschleigute Verschleißßbestbestäändigkeitndigkeit-- verbessertes Gleitverhaltenverbessertes Gleitverhalten-- konturtreukonturtreu-- schlecht schweischlecht schweißßbarbar-- bedingt PVD beschichtbarbedingt PVD beschichtbar

Härteverlauf

650

700

750

800

850

900

950

0,01 0,1 1 10

Abstand von der Oberfläche (mm)

Här

te H

V 0,

2

Reihe1


Oberflächenveredelung durch Laserhärten (partielles Härten)

LaserhLaserhäärtung einer Breitschlitzdrtung einer Breitschlitzdüüse:se:

-- Werkstoff: 1.2714Werkstoff: 1.2714-- HHäärte: 56 + 2 HRCrte: 56 + 2 HRC-- EinhEinhäärtetiefe: ca. 1,2rtetiefe: ca. 1,2µµmm


Oberflächenveredelung durch Laserhärten (partielles Härten)

LaserhLaserhäärten der Trennebene und der Einspritzbereiche:rten der Trennebene und der Einspritzbereiche:

-- Werkstoff: 1.2738Werkstoff: 1.2738-- HHäärte: 56 + HRCrte: 56 + HRC-- EinhEinhäärtetiefe: ca. 0,8rtetiefe: ca. 0,8µµmm


Eigenschaften und Anwendungen verschiedener EIFELER-Schichten


Vergleich PVD (physical vapour deposition) und CVD Vergleich PVD (physical vapour deposition) und CVD (chemical vapour deposition)(chemical vapour deposition)

Beschichtungsverfahren PVDBeschichtungsverfahren PVD--Arc Arc Prozess Prozess

-- Lichtbogenverdampfung und Ionisierung Lichtbogenverdampfung und Ionisierung eines Targetmaterialeseines Targetmateriales

-- Hochvakuumprozess mit Hochvakuumprozess mit Prozesstemperatur: Prozesstemperatur:

-- 200 200 –– 450 450 °°CC

Beschichtungsverfahren CVD Beschichtungsverfahren CVD Prozess Prozess

-- chemisches Abscheiden von Feststoffen chemisches Abscheiden von Feststoffen aus der Gasphaseaus der Gasphase

-- Prozesstemperatur: Prozesstemperatur: -- ~ 1000 ~ 1000 °°CC


Ti + N TiN

Keramische Hartstoffschichten (z.B.TiN)werden aufgebaut aus einer Metallkomponente (z.B. Ti)und einem Gasanteil (z.B. N)

Verfahrensprinzip PVD


Kathoden-OberflächereinesTitan(Ti)

Strom [A]

+-

Droplet("Metalltröpfchen")

neutrales Atom

Elektron

Titan-Ion

+

+

+

+

+

++

+

+

+

++

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

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+

+

++

+

+

+

+

-

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--

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++

++

+

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+

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+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

- -

-

-

+


60 A24 V

Ti+

"Bias" [ 100 ... 1000 V ](Hochspannung)


Grundlegende Forderungen aus dem Verfahrens-prinzip an die zu beschichtenden Werkstücke

temperaturbelastbar (min. 200° C)

hochvakuumfest (bis ~ 10-6 mbar)

chargierbar (Funktionsfläche?)

Abmessungen kleiner als Vakuumkammer


Eigenschaften der PVD-Schichten

Die Eigenschaften der PVD-Schichten zum Verschleißschutz ergeben sich aus ihrer Zusammensetzung. Meistens sind es Verbindungen aus den Karbiden und Nitriden der Metalle Ti, Cr, Al: TiN, TiCN, CrN, CrCN, TiAlN, ...

Diese „metallischen Sonderkeramiken“ zeichnen sich in erster Linie durch eine hohe Härte zwischen 2000 und ca. 4000 HV aus (Abrasivverschleiss).

Zusätzlich dazu sind sie chemisch sehr innert, d.h. sie reduzieren die Tendenz zum Kleben(Adhäsionsverschleiß).

Und sie sind thermisch stabil. Je nach Schichtart zersetzen sich die Schichten in Anwesenheit von Sauerstoff erst bei Temperaturen von 400 - 800 °C.

Dadurch, dass die Schichten sehr dünn sind, sind sie weitgehend konturerhaltend. Scharfe Kanten bleiben scharf.


Prinzip des

Kalottenschleifens

Hartstoffschicht

Grundmaterial

Kugel

Kalotte


TiN auf polierter Platte


Kalotte bei Drehriefen


Nachteile:

Sichtlinienprozess - aufwändige Chargierung

tiefe Bohrungen und Schlitze sind nur begrenzt beschichtbar

Verhältnis Durchmesser zu Tiefe ca. 1:1, dann Abnahme der Schichtdicke

Hochvakuumprozess, nur hochvakuumtaugliche Materialien beschichtbar und metallisch reine Oberflächen sind zwingend erforderlich

für Reperaturschweißungen muss die Schicht entfernt werden

Kaltarbeitsstähle nur bedingt beschichtbar („Tieftemperaturbeschichtung“)

Schichten sind korrosionsfest, aber kein Korrosionsschutz

Eigenschaften der PVD-Schichten


bei Spritzgießwerkzeugen besonders zu beachten

- Prüfung des Werkstoffes

- genaue Abklärung der Funktionsflächen und Chargiermöglichkeiten

- komplette Demontage

- Öffnen von Kühlkanälen

- Entfernen von Rückständen der Abmusterung

- Prüfung von erodierten oder nitrierten Flächen

- geschweißte Bereiche ?

- glasperlengestrahlt ?


Oberflächenbeschaffenheit- Erodieren- Funkenerosive Bearbeitung:

Vermeidung oder Entfernung der „weißen Schicht“Achtung: geringe Veränderung der Oberfläche durch Strahlen

weiße HautNeuhärtezone

Anlass-Schicht

Ausgangsmaterial

Härte

Tiefe


Oberflächenbeschaffenheit- Erodieren


Frästest

Thermoplaste TiCN TiN CrN GraphitiC Exxtral Handelsnamen (Beispiele)Polyamide PA Polyamid ⌧⌧⌧ ⌧⌧ Durethan, Grilon, Ultramid, Verton, VestamidPolyolefine PE Polyethylen ⌧ ⌧⌧ Hostalen, Lupolen, Eltex, Baylon, Vestolen

PP Polypropylen ⌧ ⌧⌧ Hostalen PP, Vestolen P, Novolen, Eltex PPB Polybuten ⌧ ⌧⌧

Styrol-Polymerisate ABS Acrylnitril-Butadien-Styrol ⌧⌧⌧ ⌧⌧ Novodur, Lustren, TerluranASA Acrylnitril-Styrol-Acrylester ⌧⌧⌧ ⌧⌧PS Polystyrol ⌧⌧⌧ ⌧⌧ Styron, Vsetyron, HostyrenSB Styrolbutadien-Copolymer-Polystyrol ⌧⌧⌧ ⌧⌧ Styrolux, Vestyron H

SAN Styrolacrylnitril-Copolymer ⌧⌧⌧ ⌧⌧ Luran, Sanrex, VestoranPolyimide PI Polyimide ⌧⌧⌧Polyarylenethene PPS Polyphenylensulphid ⌧⌧ ⌧ ⌧⌧⌧ ⌧⌧⌧ Ryton, Fortron

PPE Polyphosphatester ⌧⌧ ⌧ ⌧⌧⌧ ⌧⌧⌧PPO Polyphenylenoxid ⌧⌧ ⌧ ⌧⌧⌧ Arylon P, Noryl, Xyron

Lineare Polyester PET(P) Polyethylentherephtalat ⌧⌧⌧ ⌧⌧⌧ Hostadur, Vestodur, Crastin, Hostaphan, ArnitePC Polycarbonat ⌧⌧⌧ ⌧⌧⌧ Makrolon, Lexan

PBT(P) Polybuthylenterephtalat ⌧⌧⌧ ⌧⌧⌧ Hostadur, Crastin, Pocan, Ultradur, VestodurAcetalharze POM Polyoxymethylen ⌧ ⌧⌧ Hostaform, Ultraform, DelrinFluorhaltige Polymerisate PTFE Polytetrafluorethylen ⌧⌧ Fluon, Hostaflon TF, TeflonChlorhaltige Polymerisate PVC Polyvinylchlorid ⌧⌧ Hostalit, Mipolam, Trovidur, Vestolit, Vindur

PVC-U PVC ohne Weichmacher ⌧⌧PVC-P PVC mit Weichmacher ⌧⌧PVC-c PVC chloriert ⌧⌧

Polyacrylate PMMA Polymethylmethacrylat ⌧⌧⌧ Plexiglas, Resarit, Degalon

Beispiele mit Kurzzeichen und chem. Bezeichnung

PVD Applikationen Thermoplast

Legende: für bewegte Werkzeug- oder Bauteile / Einsatz ohne Schmiermittel / Schieber und Auswerfer

⌧ bedingt geeignet⌧⌧ gut geeignet⌧⌧⌧ sehr gutgeeignet


Frästest

PVD Applikationen Elastomere; Duroplast

Legende: für bewegte Werkzeug- oder Bauteile / Einsatz ohne Schmiermittel / Schieber und Auswerfer

⌧ bedingt geeignet⌧⌧ gut geeignet⌧⌧⌧ sehr gutgeeignet

Elastomere TiCN TiN CrN GraphitiC Exxtral Handelsnamen (Beispiele)Kautschuk NBR Nitril-Kautschuk ⌧ ⌧⌧ Perbunan, Butaprene, Hycar

SI Silikon-Kautschuk ⌧ ⌧⌧ Silopren, Silastic, SilastomerEPDM Ethylenpropylendienterpolymer ⌧ ⌧⌧ Vistalon, Nordel, Keltan, Dutral, Buna AP

Polyurethane PUR Polyurethan ⌧⌧Fluorierte Elastomere TPE Thermoplastische Polyofin Fluorelastomer ⌧⌧ Santoprene, Viton

Duroplaste TiCN TiN CrN GraphitiC Exxtral Handelsnamen (Beispiele)Polyurethane PUR Polyurethan ⌧ Baydur, Elasttophal, Vulkollan, MoltoprenEpoxydharze EP Epoxyd ⌧ ⌧ ⌧⌧⌧ Epoxin, Grilonit, Araldite, Eurepox, RütopoxPhenolharze PF Phenolformaldehyd ⌧ ⌧ ⌧⌧⌧ Bakelite, Durax, Resinol, Supraplast, TrolitanAminoplaste MF Melaminformaldehyd (Melaminharz) ⌧⌧ ⌧⌧⌧ Bakelite, Meloplas, Resart, Resopal, Hornit

UF HarnstoffFormaldehyd-Harz (Harnstoff-Harz) ⌧⌧ ⌧⌧⌧ Bakelite, Cibamin, PollopasUngesättigte Polyester UP Ungesättigte Polyester ⌧ Alpolit, Leguval, Palatal, Durodet, Vestopal




aber

in jedem Einzelfall ist zu Prüfen: Wo liegt das Hauptproblem?abrasiver Verschleiß

EntformungBelagbildung

Fressen bewegter Bauteile

Schmiermittelfreiheit

Heißgaskorrosion

chemischer Angriff


Empfehlungen vom Kunststoffinstitut LüdenscheidThermoplaste


Empfehlungen vom Kunststoffinstitut Lüdenscheid

Duroplaste


PVD Applikation PBTP GF 20

Werkzeug:Werkzeug:-- Formeinsatz mit erodierter OberflFormeinsatz mit erodierter Oberfläächeche-- 1.2379 / 58 HRC1.2379 / 58 HRC-- Temperatur: ca. 150Temperatur: ca. 150°°CC

WerkstWerkstüück:ck:-- Rahmen Kochplatte / DoppelRahmen Kochplatte / Doppel-- und Einzelschalterund Einzelschalter-- Material: PBTP GF 20 modifiziertMaterial: PBTP GF 20 modifiziert-- GFGF--Anteil 35 Anteil 35 –– 40%40%


PVD Applikation PBTP GF 20

Versagensart:Versagensart:-- Sichtteil: Sichtteil: „„speckigespeckige““ OberflOberfläächeche-- Abrasiver VerschleiAbrasiver Verschleißß durch hohen GFdurch hohen GF--AnteilAnteil-- Nach 500.000 Schuss nacherodieren der OberflNach 500.000 Schuss nacherodieren der Oberflääche notwendigche notwendig

LLöösung:sung:-- Beschichtung PVD Exxtral (TiAlN)Beschichtung PVD Exxtral (TiAlN)-- Schicht wurde in den senkrecht zur erodierten FlSchicht wurde in den senkrecht zur erodierten Flääche befindlichen che befindlichen

Bereichen nachpoliert um die Entformung zu verbessernBereichen nachpoliert um die Entformung zu verbessern

Ergebnis bisher:Ergebnis bisher:-- 500.000 Teile ohne erkennbaren abrasiven Verschlei500.000 Teile ohne erkennbaren abrasiven Verschleißß


PVD Applikation ABS compound

Werkzeug:Werkzeug:-- 2 Formplatten, Formkerne2 Formplatten, Formkerne-- 1.2767 / 54 HRC1.2767 / 54 HRC

WerkstWerkstüück:ck:-- Spritzwand WarndreieckSpritzwand Warndreieck-- Material: ABS Compound schwarzMaterial: ABS Compound schwarz


PVD Applikation ABS compound

Versagensart:Versagensart:-- FormbelFormbelääge und damit Gratbildung am Werkstge und damit Gratbildung am Werkstüückck

LLöösung:sung:-- Partielle PoliturPartielle Politur-- PVD TiN (Niedertemperatur)PVD TiN (Niedertemperatur)

Ergebnis bisher:Ergebnis bisher:-- Werkzeug Werkzeug üüber ein 1 Jahr im Einsatzber ein 1 Jahr im Einsatz-- Keine VerschleiKeine Verschleißßerscheinung oder Gratbildungerscheinung oder Gratbildung-- Ohne Beschichtung musste das Werkzeug 5 Ohne Beschichtung musste das Werkzeug 5 –– 6 mal pro Jahr 6 mal pro Jahr

nachgearbeitet werden (ca. 1Tag Instandsetzung)nachgearbeitet werden (ca. 1Tag Instandsetzung)


PVD Applikation PC / ABS

Werkzeug:Werkzeug:-- Formeinsatz 340 x 160 x 20Formeinsatz 340 x 160 x 20-- 1.23111.2311

WerkstWerkstüück:ck:-- Sonnenblende PKWSonnenblende PKW--DachDach-- Material: PC / ABSMaterial: PC / ABS


PVD Applikation PC / ABS

Versagensart:Versagensart:-- Rissbildung und Ausbruch der Lammellen nach ca. 15.000 SchussRissbildung und Ausbruch der Lammellen nach ca. 15.000 Schuss-- Klemmen beim EntformenKlemmen beim Entformen

LLöösung:sung:-- SpannungsarmglSpannungsarmglüühen nach dem Schrupphen nach dem Schrupp-- und Schlichterodierenund Schlichterodieren-- Nassstrahlen der Erodierstruktur vor und nach der BeschichtungNassstrahlen der Erodierstruktur vor und nach der Beschichtung-- PVD TiNPVD TiN

Ergebnis:Ergebnis:-- Der Nachdruck beim Spritzen konnte um 100 bar reduziert werdenDer Nachdruck beim Spritzen konnte um 100 bar reduziert werden-- Besseres FlieBesseres Fließßverhalten und gute Entformungverhalten und gute Entformung


PVD Applikation PC

Werkzeug:Werkzeug:-- Formkern Formkern ∅∅ 16 x 80 (Funktionsbereich)16 x 80 (Funktionsbereich)-- 1.23431.2343

WerkstWerkstüück:ck:-- Medizinische SpritzeMedizinische Spritze-- Material: PC (Polycarbonat)Material: PC (Polycarbonat)


PVD Applikation PC

Versagensart:Versagensart:-- Zu hohe EntformungskrZu hohe Entformungskrääftefte-- AdhAdhääsion des Kunststoffession des Kunststoffes

LLöösung:sung:-- EifelerEifeler--HochglanzpoliturHochglanzpolitur-- GraphitGraphit--iCiC

Ergebnis:Ergebnis:-- Durch Reduzierung der EntformkrDurch Reduzierung der Entformkrääfte bessere Entformbarkeitfte bessere Entformbarkeit-- bessere Oberflbessere Oberfläächenqualitchenqualitäät der Kunststoffteilet der Kunststoffteile-- Minimierung des GerMinimierung des Gerääuschpegels bei der Produktionuschpegels bei der Produktion-- Kosteneinsparung durch VerkKosteneinsparung durch Verküürzung der Zykluszeit um 6 sec.rzung der Zykluszeit um 6 sec.


PVD Applikation POM 20 % GF

Werkzeug:Werkzeug:-- Werkzeugeinsatz ca. Werkzeugeinsatz ca. 170 x 100 x 60170 x 100 x 60-- 1.20831.2083

WerkstWerkstüück:ck:-- Lamellen einer PKWLamellen einer PKW--LLüüfterdfterdüüsese-- Material: POM mit 20% GF und 5% TrennmittelMaterial: POM mit 20% GF und 5% Trennmittel


PVD Applikation POM 20 % GF

Versagensart:Versagensart:-- WachsWachs--Ablagerungen wegen hohem Wachsanteil im GleitAblagerungen wegen hohem Wachsanteil im Gleit--TrennmittelTrennmittel-- AdhAdhääsion des Kunststoffession des Kunststoffes

LLöösung:sung:-- StrahlenStrahlen-- SuperlatticeSuperlattice CrNCrN / / NbNNbN

Ergebnis:Ergebnis:-- Durch die Durch die PVDPVD--BeschichtungBeschichtung konnte das Intervall zwischen den konnte das Intervall zwischen den

notwendigen Reinigungszyklen deutlich verlnotwendigen Reinigungszyklen deutlich verläängert werdenngert werden-- ohne Beschichtung Reinigung bei 3ohne Beschichtung Reinigung bei 3--SchichtSchicht--Betrieb 1 x tBetrieb 1 x tääglichglich-- Standard Standard PVDPVD--CrNCrN brachte nur geringe Verbesserungenbrachte nur geringe Verbesserungen-- mit Beschichtung Reinigung bei 3mit Beschichtung Reinigung bei 3--SchichtSchicht--Betrieb 2 x wBetrieb 2 x wööchentlichchentlich


PVD Applikation SB-FR (Polystyrol-Butadien)

Werkzeug:Werkzeug:-- Abdeckhaube und Abdeckplatte 650 x 580 x 90Abdeckhaube und Abdeckplatte 650 x 580 x 90-- 1.2343 ESU mit 54 HRC1.2343 ESU mit 54 HRC

WerkstWerkstüück:ck:-- GehGehääuse eines Sicherungskastenuse eines Sicherungskasten-- Material: SBMaterial: SB--FRFR-- Brandschutz: Halogene < 5% und AntimonotrioxidBrandschutz: Halogene < 5% und Antimonotrioxid


PVD Applikation PET

Versagensart:Versagensart:-- Bereits bei der Abmusterung Ablagerungen und KorrosionBereits bei der Abmusterung Ablagerungen und Korrosion

LLöösung:sung:-- Mikrostrahlen und StrichpoliturMikrostrahlen und Strichpolitur-- CrNCrN--MultilageMultilage

Ergebnis:Ergebnis:ohne Beschichtung keine Serienfertigung mohne Beschichtung keine Serienfertigung mööglichglich-- mit Beschichtung lmit Beschichtung lääuft die Form seit 8 Monaten im Dauereinsatzuft die Form seit 8 Monaten im Dauereinsatz


Vielen Dank für Ihr Kommenund Ihre Aufmerksamkeit

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