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Ursachen und Mechanismen der Belagbildung und der Adhäsion von Kunststoffschmelzen auf Stahloberflächen

Projektleiter: Prof. Dr. W. Maus-Friedrichs, Dr. F. Voigts

Förderzeitraum: 01/2012 - 12/2013
Förderstelle: BMWi via AiF
Förderkennzeichen: IGF 403ZN/2

Bearbeiter: M.Sc. René Gustus

Stippen in Kunststoff-Formteilen aufgrund von Belagbildung auf Stahloberflächen in Kunststoffverarbeitungsmaschinen und auf Oberflächen von z.B. Extrusionswerkzeugen sind eine weit verbreitete Ursache für Produktionsstörungen und Produktionsunterbrechungen sowie Qualitätsbeeinträchtigungen. Besonders kritische Bereiche sind die Aufbereitungs- und Produktionsprozesse für hochwertige Formteile mit hohen Anforderungen an optische Eigenschaften oder mit hochwertigen Oberflächen.

In der Vergangenheit wurden Stippenprobleme häufig durch unzureichende strömungstechnische Auslegung der schmelzeführenden Kanäle in Maschinen (z.B. Rückströmsperren) und Werkzeugen zusätzlich verschärft. Durch Optimierungsmaßnahmen, langjährige Erfahrungen und durch die Möglichkeit der numerischen  Strömungssimulation wurden diese Ursachen von den Maschinen- und Werkzeugherstellern weitestgehend eliminiert bzw. minimiert. Trotz dieser Maßnahmen sind Probleme mit Stippenbildung bei bestimmten Anwendungen aber nach wie vor akut.

Obschon es sich bei der Belagbildung und der daraus resultierenden Stippenproblematik um ein bereits seit vielen Jahren bekanntes Phänomen handelt, sind die tiefliegenden Ursachen und insbesondere die frühen Entstehungs- und Wachstumsmechanismen der Beläge bisher noch weitestgehend unverstanden. Zwar wurden für einzelne spezifische Problemstellungen Verbesserungsmaßnahmen gefunden, z.B. durch die Auswahl von Beschichtungen und geeignete Zusätze in den Formmasserezepturen wie z.B. bestimmte Gleitmittel oder Tenside. Jedoch haben weder Rohstoffhersteller noch die kunststoffverarbeitenden Betriebe bis heute eine klare Vorstellung von den Mechanismen und Zusammenhängen und damit auch keine systematische Lösungsstrategie parat, um eine Belagbildung in der Produktion vorausschauend zu vermeiden. So ist heute beispielsweise in keiner Weise geklärt, warum eingesetzte Beschichtungen oder Additive überhaupt eine Wirkung zeigen bzw. wie die Wirkmechanismen sind.

Zielsetzung des Projektes ist es, ein tiefgehendes Verständnis der Mechanismen der frühen Phasen der Belagbildung, des Belagwachstums und der Ablösung der Beläge zu erlangen. Damit sollen erstmals das heute übliche Trial-and-Error-Vorgehen bei Stahlauswahl, Schichtauswahl und Formmasserezeptur überwunden und in der Folge gezielt Abhilfemaßnahmen entwickelt werden. In diesem Vorhaben soll die Belagbildung ausdrücklich sowohl in Bezug auf die Änderungen der metallischen Oberfläche als auch die organischen Bestandteile der Grenzschicht mit höchstmöglicher Auflösung untersucht werden, um Wechselwirkungen und ablaufende Reaktionen zwischen Polymer und Metallwerkstoff bzw. dessen Passivschicht zu erfassen. Mit den so identifizierten grundlegenden Mechanismen der Entstehung, des Wachstums und der Ablösung von Belägen in der Kunststoffverarbeitung, wie sie z.B. in Werkzeugen, Extrudern, Spritzgießmaschinen und Heißkanalsystemen auftreten, sollen Handlungsempfehlungen für die Compoundeure, Verarbeiter und Maschinenhersteller ausgearbeitet werden.

 

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