DE10052951C2 - Werkzeugform für die Herstellung von Formkörpern - Google Patents
Werkzeugform für die Herstellung von FormkörpernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Werkzeugform für die formgebende Herstellung von
Formkörpern aus Polymerwerkstoffen, insbesondere Polymergranulaten bzw Polymer-
Pulvern, bei der die formgebende Herstellung unter Wärmezufuhr und Formgebung an
inneren Wandungsbereichen der Werkzeugform erfolgt.
Solche Werkzeugformen kommen in einer Vielzahl von Anwendungsfällen/
Herstellungsprozessen zum Einsatz, bei denen der durch Wärme und/oder Druck
plastifizierte oder auch aufgesprühte Polymerwerkstoff innerhalb der Werkzeugform
durch die oder während der Polymerisation oder durch die während eines Sinterprozesses
erfolgende Festigung/Molekülkettenbildung in eine neue Form gebracht und/oder mit
einer neuen Oberflächenstruktur oder -textur versehen wird.
Die stets bestehende und wesentliche Problematik bei solchen Formprozessen besteht
zum einen in der Verschmutzung der Formwerkzeuge durch Ablagerungen, welche eine
periodische umfangreiche Reinigung der Werkzeugform bedingt, und zum anderen in der
Sicherstellung der Entformbarkeit, d. h. der einfachen Entnahme des entstandenen
Formkörpers aus der Werkzeugform.
Die Verschmutzung der Formwerkzeuge entsteht dabei oft dadurch, dass die eingesetzten
Polymerwerkstoffe mit einer Reihe von chemisch-reaktiven Chemikalien versehen sind,
also beispielsweise Vernetzungschemikalien, Reaktionsbeschleuniger, oberflächenaktive
Substanzen, Alterungsschutzmittel, Weichmacher etc. enthalten, die bei den im
Werkzeug vorhandenen Umgebungsbedingungen (Wärme, Druck) örtliche Reaktionen
entweder mit den Wandungswerkstoffen des Werkstoffes eingehen oder aber durch den
Kontakt mit der Werkzeugwand aufgrund z. B. von dort überhöhten Temperaturen in
schlecht kontrollierbarer Weise reagieren, so dass an den Werkstoffwänden anhaftende
Reaktionprodukte (Verschmutzungen) erzeugt werden.
Um solche Verschmutzungen zu verhindern, werden die Innenwände solcher
Werkzeugformen üblicherweise mit Beschichtungen versehen, die ein Anhaften von
unerwünschten Reaktionsbestandteilen verhindern sollen. Gleichzeitig sind solche
Beschichtungen von Formen immer im Hinblick auf eine gute Entformung so auszulegen,
dass eine Haftung des ausgeformten Bauteiles an der Form nach Abschluss des
Formungsprozesses möglichst verhindert wird. Darüber hinaus ist eine möglichst
verschleißfeste Beschichtung erwünscht, die bei vorgegebener Qualität des Bauteiles eine
möglichst lange Lebensdauer der Form garantiert.
Die Berücksichtigung dieser drei Kriterien führt jedoch in den meisten Fällen zu einem
Zielkonflikt. Während nämlich z. B. Beschichtungen aus Polytetrafluorethylen (PTFE),
die eine im Vergleich zu metallischen Oberflächen niedrige Oberflächenenergie besitzen,
an sich gut dazu geeignet sind, eine sichere Entformbarkeit zu gewährleisten, ergeben
sich im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit eher ungünstige Werte. Ein weiteres
Problem solcher üblicherweise in Schichtdicken von < 10 µm aufgetragenen PTFE-
Schichten besteht darin, dass insbesondere bei Bauteilen mit einer sehr feinstrukturierten
und im Erscheinungsbild hochwertigen Oberfläche, wie z. B. also bei Formteilen, deren
Oberfläche als Lederimitat mit feinen Riefen und Narben ausgebildet ist, die PTFE-
Beschichtung die in der Negativform enthaltenen feinen Vertiefungen und Erhöhungen
zum Teil ausfüllt oder glättet, so dass auch bei präzise hergestellter Negativform es kaum
möglich ist, eine dem Original vergleichbare Oberflächenausbildung eines solchen
Formkörpers zu erhalten.
Eine Beschichtung muß zur besseren Entformbarkeit vor allen Dingen drei Aufgaben
erfüllen: die Erniedrigung der Oberflächenenergie der Form, die Blockierung reaktiver
Stellen auf der Metalloberfläche, sowie die Bereitstellung einer guten
Verschleißfestigkeit. Wenn zudem genarbte Oberflächenstrukturen möglichst
originalgetreu abgebildet werden sollen, was vor allem zur Realisierung eines
gewünschten Zweiglanzeffektes wichtig ist, muß diese Beschichtung möglichst dünn und
gleichmäßig sein.
Auf der anderen Seite weisen übliche Werkzeug-Beschichtungen, wie z. B. Chrom- oder
Chrom-Nickel-Schichten, eine hohe Oberflächenenergie und eine hohe Härte auf.
Deshalb werden sie vor allem als Verschleißschutzschichten eingesetzt. Aufgrund der
hohen Oberflächenenergie treten bei der Herstellung von Formkörpern aus
Polymerwerkstoffen, die mit Metall-Ionen reagieren können, bereits nach kurzem Einsatz
Verschmutzungen in den Werkzeugformen auf und ein Entfernen der Formkörper/
Produkte wird erheblich erschwert.
Aus der DE-OS 21 32 896 ist ein Verfahren zur Herstellung von Gießformen großer
Ausdehnung für Gußteile aus elastomeren Werkstoffen bekannt, wobei die Gießform
durch Strangpressen aus Nichteisenmetallen, insb. Aluminium, hergestellt wird. Das
Aluminium kann oberflächlich oxidiert sein, wobei man davon ausgeht, dass ein Haften
der zu verarbeitenden Elastomere an der Form durch die Aluminiumschicht verhindert
wird.
Aus der DE 692 13 593 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines mit Aluminiumoxid
beschichteten gesinterten Formkörpers aus Sintercarbid oder einem ähnlichen Material,
z. B. eines Schneidwerkzeugeinsatzes für die maschinelle Metallbearbeitung, bekannt,
wobei das Metalloxid durch CVD (chemische Abscheidung aus der Dampfphase) auf den
Formkörper aufgebracht wird. Deartige Verfahren, die bei sehr hohen Temperaturen,
unter Vakuum und unter Verwendung von aggressiven und/oder giftigen Reagenzien
stattfinden, eignen sich zur Bearbeitung kleiner Objekte, wie der erwähnten
Schneideinsätze. Werkzeugformen für die formgebende Herstellung von Formkörpern
aus Polymerwerkstoffen, an die ganz andere Anforderungen gestellt werden als an
Schneidwerkzeuge, werden in dieser Schrift nicht erwähnt.
Für die Erfindung bestand die Aufgabe, eine Beschichtung vorzusehen, die den oben
erwähnten Zielkonflikt löst und eine gute Entformbarkeit bei gleichzeitiger
Verschleißfestigkeit und Verschmutzungsresistenz aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass mindestens die formgebenden inneren
Wandungsbereiche der Werkzeugform mit einer Schicht von aus einer Gasphase
abgeschiedenen Metalloxiden (Oxid-Keramik) versehen sind. Hierbei sind verschiedene
aus einer Gasphase abgeschiedene Metalloxide verwendbar, beispielsweise BeO
(Beryllium-Oxid), MgO (Magnesium-Oxid), ZrO2 (Zirkonium-Oxid) oder andere
Mischoxide, ggf. auch dotiert mit weiteren Fremdmetallen (Fremdionen).
Es hat sich gezeigt, dass eine Beschichtung der Formwerkzeuge mit in der Gasphase
abgeschiedenen Metalloxiden, insbesondere eine Beschichtung mit Aluminiumoxid, für
die genannten Herstellungsverfahren sehr gut geeignet ist.
Solche oxid-keramischen Beschichtungen weisen eine im Vergleich zu PTFE-
Beschichtungen hohe Oberflächenenergie auf und ließen daher nicht vermuten, dass
Verschmutzungsneigung und Entformbarkeit verbessert werden könnten. Da die bisher
ausgetesteten Rezepturen der bei der Herstellung von Formkörpern verwandten
Polymerwerkstoffe reaktive Gruppen enthalten, die sehr leicht eine Bindung mit
Metallionen eingehen, war nicht zu erwarten, daß Beschichtungen, in denen
Metallkationen vorhanden sind, eine gute Entformbarkeit ermöglichen. Darüberhinaus
zeigten Versuche mit glasartigen Beschichtungen auf Basis von Silizium-Oxid (SiO2) ein
starkes Anhaften der Polymerwerkstoffe, woraus abzuleiten war, dass auch die oxid-
keramischen Schichten ungeeignet wären und es auch dort zu starker Anhaftung aufgrund
entsprechender chemischer Reaktionen käme.
Daher war es überraschend, daß gerade eine aus der Gasphase abgeschiedene
Aluminiumoxid-Beschichtung eine leichtere Entformbarkeit der Sinterfolien ermöglicht,
obwohl die reaktiven Gruppen der Rezeptur auch mit Al3+-Kationen leicht reagieren
können.
Vorteilhafterweise lassen sich in solcher Art beschichtete Formen als Negativform
("Slush-Form") für einen Riesel-Sinter-Prozess verwenden, wobei ein Polymergranulat
oder Polymer-Pulver eingebracht wird und unter Wärmezufuhr und Bewegung,
insbesondere Rotation der Form, an deren inneren Wandungsbereichen zu einem
Formkörper sintert.
Vorteile ergeben sich hierbei insbesondere bei Formwerkzeugen, die für
oberflächenstrukturierte Bauteile verwendet werden, also beispielsweise für
Kunstlederfolien als Lederimitat. Das aus der Gasphase ausgeschiedene Aluminiumoxid
weist beispielsweise gegenüber einer PTFE-Beschichtung den Vorteil auf, dass eine
Glättung und Egalisierung der feinstrukturierten Oberflächen des Formwerkzeuges nicht
erfolgt, gleichzeitig aber eine sehr gute Entformbarkeit gewährleistet ist, wobei durch die
nicht vorhandene Reaktion der zugesetzten Polymerchemikalien mit der
Aluminiumoxidschicht auch keine Verschmutzungen entstehen.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Werkzeugform als hohle
Negativform für ein Polyurethan-Sprühverfahren (Recticell-Verfahren) ausgebildet ist,
bei dem ein flüssiges Reaktionsgemisch in die Werkzeugform eingebracht und unter
Wärmezufuhr und und ggf. unter Bewegung der Form und 1 oder der Sprühdüse an den
inneren Wandungsbereichen der Werkzeugform zu einem Formkörper polymerisiert.
Auch hier verbindet sich eine sehr gute Entformbarkeit mit dem sicheren Vermeiden von
an der Form haftenden Verschmutzungen.
Gleiche Vorteile erreicht man dann, wenn die Werkzeugform als Extrudermundstück/
Extruderdüse ausgebildet ist, in der Polymer unter Wärmezufuhr und Druck an den
inneren Wandungsbereichen zu einem aus der Extruderdüse austretenden Formkörer
ausgeformt wird.
Beim Einsatz der Beschichtungen in einem solchen Formwerkzeug ist der herausragende
Effekt das Vermeiden von Verschmutzungen durch Reaktionsprodukte von chemischen
Zusätzen in den Polymerwerkstoffen. Vorteilhaft kommt hinzu, dass bei den innerhalb
einer Extruderdüse auftretenden hohen Scherspannungen im Innenwandbereich das
Vermeiden von Verschmutzungen dazu führt, dass solche auch nicht mehr von den
Düsenwänden abgerissen und in die Schmelze eingelagert werden können, was bei
anderen Beschichtungen oft zu Fehlstellen, Lunkern etc. im Formkörper führen kann.
Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Es
zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Negativform für einen Riesel-Sinter-Prozess ("Slush-
Form")
Fig. 2 einen vergrößerten Teilquerschnitt der Innenoberfläche der Formschale einer
Negativform gemäß Fig. 1.
Die Fig. 1 zeigt eine als hohle Negativform ("Slush-Form") ausgebildete Werkzeugform
1 für einen Riesel-Sinter-Prozess. Die Werkzeugform besteht dabei im Wesentlichen aus
zwei Teilen, nämlich aus einer Formschale 2 und einem Deckel 3, die gemeinsam über
einen hier nicht näher dargestellten Drehantrieb rotieren können und in entsprechenen
Lagern 4 und 4' aufgehängt sind.
Die Werkzeugform ist zu Beginn des Herstellungsprozesses gefüllt mit einem fein
zerkleinertem Polymergranulat bzw. Polymer-Pulver 5, welches bei Drehbewegung der
Werkzeugform 1 an den Innenwänden der Werkzeugform entlang bewegt wird bzw. an
diesen entlang rieselt.
Die Formschale 2, die hier als Negativ für ein Teilformstück eines Armaturenbrettes
eines Kraftfahrzeuges ausgebildet ist, wird dabei erwärmt, so dass das an dieser
Formschale entlangrieselnde Polymer-Pulver in Form einer sich an diese Formschalen
anlegenden Innenschicht aufsintert. Nachdem eine ausreichende Wanddicke des so
entstehenden Formkörpers aufgebaut ist, kann die Drehbewegung gestoppt und die
Temperaturzufuhr abgeschaltet werden, wonach nach einer gewissen Auskühlungszeit
die Werkzeugform 1 geöffnet und der so entstandene Formkörper der Formschale
entnommen werden kann.
Der hier entstehende Formkörper für ein Armaturenbrett weist die Struktur von
vernarbtem Leder auf. Die Innenoberfläche der Formschale weist demzufolge ein
entsprechend feingestaltetes Negativprofil bzw. eine entsprechend geformte
Negativstruktur auf, die bei dem fertigen Formteil eine qualitativ hochwertige und von
der Optik einem genarbten Leder identische Oberfläche erzeugt.
Die Fig. 2 zeigt mit Hilfe eines Teilschnittes der Formschale deren wesentlichen Aufbau
sowie den Zustand während des Polymerisierens bzw. während des Aufsinterns des
Polymer-Pulvers 5.
Die Formschale 2 besteht dabei aus einem Tragkörper 6, welcher auf seiner Innenseite
mit einer Galvanik-Nickel-Schicht 7 belegt ist, deren zur Innenseite der Werkzeugform
gerichtete Oberfläche als Negativprofil einer typischen Oberfläche genarbten Leders
ausgebildet ist. Eine solche Schicht kann beispielsweise über verschiedenste Verfahren
galvanischer Abscheidung auf einem entsprechenden Positiv hergestellt werden.
Die Galvanik-Nickel-Schicht 7 ist zur Erzielung der genannten Vorteile, nämlich zur
guten Entformbarkeit, zur Vermeidung von Verschmutzungen und zur Bereitstellung
einer genügenden Verschleißfestigkeit, wiederum versehen mit einer Schicht 8 von aus
der Gasphase abgeschiedenem Al2O3 (Aluminiumoxid). Die Dicke der Aluminiumoxid-
Schicht 8 beträgt dabei typischerweise etwa 3 µm, wodurch die für eine Oberflächenoptik
eines genarbten Leders typischen Erhöhungen und Vertiefungen 9 präzise erhalten
bleiben und nicht wie etwa bei einer Beschichtung aus PTFE teilweise ausgefüllt werden.
Auf dieser Aluminiumoxid-Schicht verfestigt sich nun das Polymer-Pulver 5 durch
Polymerisation zu einem Formkörper 10, welcher nach der Entnahme aus der
Werkzeugform in seiner Oberflächenstruktur von der Oberfläche eines genarbten Leders
mit bloßem Auge nicht mehr zu unterscheiden ist.
Natürlich ist es auch möglich, auf die Zwischenschicht 7 aus galvanischem Nickel zu
verzichten und den Tragkörper 6 direkt mit einer aus der Gasphase abgeschiedenen
Schicht aus Aluminiumoxid zu beschichten, die zur Innenseite der Werkzeugform hin die
entsprechende Negativform bzw. Negativstruktur eines genarbten Leders aufweist.
(ist Bestandteil der Beschreibung)
1
Werkzeugform ("Slush-Form")
2
Formschale
3
Deckel
4
,
4
' Lager
5
Polymergranulat/Polymer-Pulver
6
Tragkörper
7
Schicht aus Galvanik-Nickel
8
AL2
O3
-Schicht
9
Erhöhung/Vertiefung
10
Formkörper
11
Oberfläche des (entformten) Formkörpers
Claims (7)
1. Werkzeugform für die formgebende Herstellung von Formkörpern aus
Polymerwerkstoffen, insbesondere Polymergranulaten, bei der die formgebende
Herstellung unter Wärmezufuhr und Formgebung an inneren Wandungsbereichen der
Werkzeugform erfolgt,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens die formgebenden inneren Wandungsbereiche (2) der
Werkzeugform (1) mit einer Schicht (8) von aus einer Gasphase abgeschiedenen
Metalloxiden versehen sind.
2. Werkzeugform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die formgebenden
inneren Wandungsbereiche (2) der Werkzeugform (1) mit einer Schicht (8) von aus
einer Gasphase abgeschiedenem Al2O3 (Aluminiumoxid) versehen sind.
3. Werkzeugform nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Werkzeugform (1) als hohle Negativform ("Slush-Form") für einen Riesel-Sinter-
Prozess ausgebildet ist, in die ein Polymer-Pulver (5) eingebracht und unter
Wärmezufuhr und Bewegung, insbesondere Rotation der Form an deren inneren
Wandungsbereichen zu einem Formkörper (10) sintert.
4. Werkzeugform nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Werkzeugform (1) als hohle Negativform für ein Polyurethan-Sprühverfahren
ausgebildet ist, bei dem ein flüssiges Reaktionsgemisch in die Werkzeugform
eingebracht und unter Wärmezufuhr und und ggf. unter Bewegung der Form und/
oder der Sprühdüse an den inneren Wandungsbereichen der Werkzeugform zu einem
Formkörper (10) polymerisiert.
5. Werkzeugform nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hohle
Negativform als Werkzeugform für oberflächenstrukturierte Bauteile, insbesondere
geformte Folien (Kunstlederfolien) ausgebildet ist.
6. Werkzeugform nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Werkzeugform als Extrudermundstück/Extruderdüse ausgebildet ist, in der ein
Polymergranulat unter Wärmezufuhr und Druck an den inneren Wandungsbereichen
zu einem aus der Extruderdüse austretenden Formkörper ausgeformt wird.
7. Verwendung von aus einer Gasphase abgeschiedenen Metalloxiden, insbesondere
von aus einer Gasphase abgeschiedenem Al2O3 (Aluminiumoxid), als Beschichtung
für eine Werkzeugform für die formgebende Herstellung von Formkörpern aus
Polymerwerkstoffen, bei der die formgebende Herstellung unter Wärmezufuhr und
Formgebung an inneren Wandungsbereichen der Werkzeugform erfolgt.
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|---|---|---|---|
| DE10052951A DE10052951C2 (de) | 2000-10-25 | 2000-10-25 | Werkzeugform für die Herstellung von Formkörpern |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2000
- 2000-10-25 DE DE10052951A patent/DE10052951C2/de not_active Expired - Fee Related
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