Eifeler Beschichtungscenter GmbH, Kirschenleite 10-12, 91220 SchnaittachFolien Stand 05.12.2006
Verschleißschutz beim Spritzgießen
Referent: H. KuklaLeiter Labor / QMEifeler Beschichtungs Center GmbH
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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
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Die Eifeler-Gruppe ist ein Dienstleistungsunternehmen für den Verschleißschutz von
Werkzeugen
hochwertigen Bauteilenund
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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
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Eifeler weltweit: 15 Standorte von Eifeler oder Joint-Ventures und weltweite zusätzliche Kooperationen
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- 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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Eigenschaften und Anwendungen verschiedener EIFELER-Schichten
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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
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Ti + N TiN
Keramische Hartstoffschichten (z.B.TiN)werden aufgebaut aus einer Metallkomponente (z.B. Ti)und einem Gasanteil (z.B. N)
Verfahrensprinzip PVD
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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)
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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
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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.
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Prinzip des
Kalottenschleifens
Hartstoffschicht
Grundmaterial
Kugel
Kalotte
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TiN auf polierter Platte
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Kalotte bei Drehriefen
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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
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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 ?
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Oberflächenbeschaffenheit- Erodieren- Funkenerosive Bearbeitung:
Vermeidung oder Entfernung der „weißen Schicht“Achtung: geringe Veränderung der Oberfläche durch Strahlen
weiße HautNeuhärtezone
Anlass-Schicht
Ausgangsmaterial
Härte
Tiefe
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Oberflächenbeschaffenheit- Erodieren
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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
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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
Beispiele mit Kurzzeichen und chem. Bezeichnung
Beispiele mit Kurzzeichen und chem. Bezeichnung
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aber
in jedem Einzelfall ist zu Prüfen: Wo liegt das Hauptproblem?abrasiver Verschleiß
EntformungBelagbildung
Fressen bewegter Bauteile
Schmiermittelfreiheit
Heißgaskorrosion
chemischer Angriff
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Empfehlungen vom Kunststoffinstitut LüdenscheidThermoplaste
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Empfehlungen vom Kunststoffinstitut Lüdenscheid
Duroplaste
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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%
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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
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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
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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)
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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
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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
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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)
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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.
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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
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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
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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
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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
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Vielen Dank für Ihr Kommenund Ihre Aufmerksamkeit