Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Rückstandsfreie Bauteilentformung durch permanente Werkzeugbeschichtung – auch für Polyurethane

03.02.2015

Kunststoffteile werden täglich millionenfach in einer Werkzeugform hergestellt. Das Aufbringen eines Trennmittels verhindert bei diesem Fertigungsprozess ein Verkleben des Bauteils mit der Form – eine aufwendige und kostenintensive Methode. Eine sichere und vor allem trennmittelfreie Entformung ermöglichen Technologien aus dem Fraunhofer IFAM.

Das sogenannte ReleasePLAS® -Trennschichtsystem wurde für die Kunststoffverarbeitung entwickelt und kann an ganz unterschiedliche Anforderungen der Materialien, Verarbeitungsmethoden und Bauteilgeometrien angepasst werden. Eine größere Herausforderung war allerdings bislang die trennmittelfreie Fertigung von Polyurethan-Kunststoffen – kurz PUR.


PUR wird von einer permanent beschichteten, nanostrukturierten Metalloberfläche sauber abgelöst. Durch die Nanostruktur kommt es im Bild zur Lichtbeugung und damit zur Farbgebung.

(© Fraunhofer IFAM/Wolfgang Hielscher)

In einem industriellen Gemeinschaftsprojekt konnten Wissenschaftler nun durch eine Anpassung der PUR-Rezeptur deutlich niedrigere Entformungskräfte erzielen und eine Produktion ohne Trennmittel ermöglichen.

Da ausreagierende Polyurethane eine hohe Haftungsneigung zu metallischen Oberflächen entwickeln, werden in der diskontinuierlichen Verarbeitung Trennmittel eingesetzt, um einen prozesssicheren Verfahrensablauf zu gewährleisten. In der industriellen Praxis werden dabei interne und externe Trennmittel verwendet, die jedoch von einem Trennmittelübertrag auf die Werkzeug- bzw. Bauteiloberfläche begleitet werden.

In der Folge entstehen zusätzliche Arbeitsschritte und Kosten. So müssen die PUR-Bauteile z. B. aufwendig von Trennmittelrückständen gereinigt werden, um ein anschließendes Lackieren oder Verkleben zu ermöglichen. Darüber hinaus reichern sich die Trennmittel im Laufe mehrerer Entformungszyklen auf der Werkzeugoberfläche an und bilden Ablagerungen, was zu einer schlechteren Abformgenauigkeit führt.

Industrie und Wissenschaft verfolgen deshalb konsequent das Ziel, eine dauerhafte und trennmittelfreie Fertigung – auch für Polyurethane – zu realisieren. Bei dem vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen entwickelten ReleasePLAS®-Trennschichtsystem wird die Beschichtung direkt auf die Form aufgetragen.

Sie bildet dabei Oberflächenstrukturen perfekt ab und kann in ihrem Eigenschaftsprofil unterschiedlichen Anforderungen angepasst werden. Die stark hydrophob und abweisend wirkende plasmapolymere Schicht besteht aus einem siliziumorganischen Netzwerk und hat sich für viele Kunststoffarten und Fertigungstechniken bewährt.

Polyurethane reagieren anders

In der Polyurethan-Verarbeitung bieten permanente Trennschichten bisher nicht die gewünschten Vorteile gegenüber konventionellen Trennmitteln. In der Regel besteht keine ausreichende Langzeitstabilität der Trennwirkung, sodass auch hier kostenintensive Reinigungen und Wiederbeschichtungen notwendig sind.

Zum Trennverhalten reaktiver Polyurethane auf permanenten Trennschichten konnte bislang nachgewiesen werden, dass die Entformungseigenschaften in Abhängigkeit vom verwendeten PUR-System stark variieren. Das Versagen der Trennwirkung wird dabei durch Ablagerungen auf der Trennschichtoberfläche verursacht, die im Laufe weniger Entformungszyklen entstehen und zu einem Anstieg der Haftkräfte führen.

Durch aufwendige chemische und physikalische Analysen sowie oberflächentechnische Untersuchungen konnten die Fraunhofer IFAM-Forscher nun den Grund für das Versagen des Trennmechanismus herausfinden: Neben dem angestrebten Adhäsionsbruch zwischen Bauteil und Werkzeugoberfläche kommt es auch zu einem Kohäsionsbruch in der oberflächennahen Grenzschicht des Bauteils (Interphase).

Diese zum Zeitpunkt der Entformung nicht ausreichend stabile Interphase des PUR bewirkt, dass nanofeine Ablagerungen auf der Oberfläche des Werkzeugs verbleiben.

Um derartige Materialübertragungsmechanismen zu unterbinden, und somit einen vollständigen Adhäsionsbruch zur Trennschicht zu erzeugen, wurden alle Parameter zur Interphasenstabilität untersucht. Eine weitere Forschungsaufgabe war die Identifikation von Stabilisatoren – beispielsweise oberflächenaktive Additive.

Entwicklung trennfreundlicher PUR-Formulierungen mit stabiler Interphase

Um die Zusammenhänge bei der Interphasenbildung zu verstehen und diese gezielt zu beeinflussen wurden zwei verschiedene, sich ergänzende Lösungsstrategien verfolgt: Zum einen wurde der Einfluss der PUR-Rezeptur auf die Interphase analysiert, wobei systematisch verschiedene Inhaltsstoffe, wie Polyol, Isocyanat und der Katalysator verändert wurden. Zum anderen wurde die Interphase des sich bildenden PUR-Bauteils durch grenzflächenaktive Additive modifiziert und zusätzlich der Einfluss der Masse- und Formtemperatur auf die Fertigungsrandbedingungen untersucht.

Unter praxisnahen Verarbeitungsbedingungen konnten PUR-Modellrezepturen identifiziert werden, die bei der Entformung keine Ablagerungen auf der permanenten Trennschicht hinterlassen. Die Projektergebnisse zeigen, dass insbesondere das Polyol und der verwendete Katalysator einen deutlichen Einfluss auf das Entformungsverhalten haben.

Darüber hinaus konnte ein Additiv identifiziert werden, welches die Entformbarkeit der getesteten PUR-Rezepturen in Kombination mit der ReleasePLAS®-Trennschicht für schlechter trennende Systeme deutlich verbessert. Es wirkt dabei nicht wie ein herkömmliches internes Trennmittel, da es nach aktuellem Kenntnisstand nicht aus dem Bauteil migriert.

Das Additiv wird in die molekulare Struktur des PUR eingebunden, sodass bei einer Verwendung deutlich höhere Werkzeugstandzeiten erzielt werden können. Die Erkenntnis, dass ein geringer Unterschied der Formtemperatur bereits eine sprunghafte Reduktion der Trennkräfte bewirkt, muss ebenfalls in den Fertigungsprozess einfließen.

Ob für die Automobilbranche, die Medizintechnik, den Maschinen- und Anlagenbau oder die optische Industrie – die Ergebnisse des Projekts ermöglichen den Weg hin zu einer sauberen und trennmittelfreien PUR-Produktion. Neben den benannten Vorteilen ermöglicht die trennmittelfreie Produktion eine gleichzeitige Einstellung von unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften. So gelingt durch dieses System eine einfache und wirtschaftliche Fertigung von nano- und mikrostrukturierten Oberflächen.

Projektpartner
Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen

Auftraggeber
IGF-Vorhaben der Forschungsvereinigung: Fördernummer 437 ZN
Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert die IGF mit öffentlichen Mitteln.

Weitere Informationen:

http://www.ifam.fraunhofer.de

Martina Ohle | Fraunhofer-Gesellschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Verfahrenstechnologie:

nachricht Schnell, präzise, aber nicht kalt
17.05.2017 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

nachricht Neues Laserstrahl-Schweißverfahren des Fraunhofer IWS erlangt die Zertifizierung der DNV GL
16.05.2017 | Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

DFG fördert 15 neue Sonderforschungsbereiche (SFB)

26.05.2017 | Förderungen Preise

Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

26.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unglaublich formbar: Lesen lernen krempelt Gehirn selbst bei Erwachsenen tiefgreifend um

26.05.2017 | Gesellschaftswissenschaften