Ziel der Entwicklung
Strukturierte Kunststoffoberflächen sind in der Kunststofftechnik weit verbreitet. Im Sichtbereich von Automobilen, Elektronikgeräten, Medizintechnik sind sie erforderlich zur Erzeugung der gewünschten Anmutung sowie der Erzielung funktioneller Eigenschaften. In Nichtsicht-Bereichen können es zum Beispiel geprägte Markierungen zur Teilkennzeichnung sein. Von der Reproduzierbarkeit der Strukturierung über große Stückzahlen hängt im Falle der Narbungen die Konstanz des Farb- und Glanzeindrucks, im Falle der Präge-Markierungen die Scannerlesbarkeit ab. Werkzeuge und Werkzeugoberflächen unterliegen der Abnutzung und gegebenfalls der Verschmutzung.
Die angestrebten wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele des Projektes bestandenin der systematischen Erforschung und Entwicklung eines experimentellen Verfahrens zur Charakterisierung der Struktur von Kunststoffoberflächen im Vergleich mit der Struktur der sie hervorrufenden Werkzeugoberflächen, in der Entwicklung eines experimentellen Ansatzes zur zerstörungsfreien und produktionsbegleitenden Charakterisierung der Veränderungen (Verschleiß, Verschmutzungen) strukturierter Werkzeugoberflächen, in der systematischen Ermittlung wesentlicher Zusammenhänge zwischen den Spritzgussbedingungen unter besonderer Betrachtung des Verschleißes der Werkzeugoberfläche und den Eigenschaften der Formteiloberfläche; im Vergleich der durch Abnutzung der Werkzeugoberfläche und der durch äußere Beanspruchung hervorgerufenen Oberflächenveränderungen am Kunststoffformteil hinsichtlich „Verschleißbild“ und charakteristischer Strukturparameter.
Auf der Basis dieser Ergebnisse sind Schlussfolgerungen zur Verbesserung der Qualität von strukturierten Formteiloberflächen zu erwarten.
Die Auswirkung messbarer Veränderungen in den Oberflächenstrukturen der Kunststoffteile sollte insbesondere anhand solcher Oberflächeneigenschaften wie Strukturmaße (Narbungskennzahlen), Farbe und Glanz beurteilt werden.
Ergebnisse: Die Untersuchungen zum Werkzeugverschleiß erfolgten direkt am Werkzeug und an Modellformteilen aus PP, PA 6 GF30, PBT und ABS für drei unterschiedliche Narbungen, eine polierten Fläche sowie an Strich- und Punktcodemuster. Für die Bewertung des Verschleißes wurden optische und taktile Prüfmethoden verwendet. Die Vor- und Nachteile der Prüfmethoden sind vergleichend gegenübergestellt. Alle aufgeführten Prüfmethoden sind prinzipiell zur Erfassung des Verschleißes geeignet. Infolge des Werkzeugverschleißes erfolgt eine Veränderung der Narbungen nur hinsichtlich der Narbungstiefe ST und des Integrals der normierten Summenhäufigkeit InSH (Häufigkeitsverteilung bei der Einteilung der Strukturtiefen in Klassen). Es wird eine Prozedur beschrieben, mit welcher die Auswertung von Profildaten (Profillinien) für die unterschiedlichen Prüfmethoden der Konturerfassung bis zur Bestimmung von Maßzahlen (ST und InSH), vorgenommen werden kann. Taktile Verfahren eignen sich als einfache und kostengünstige Verfahren besonders gut. Optische Verfahren (wie mobiles Digitalmikroskop) sind für eine Werkzeuginspektion sehr gut geeignet.
Durch die Werkzeugbeanspruchung bis 12000 Schuss verringern sich die Strukturtiefen des Werkzeuges der Narbungen um zirka 10 Quadratmeterr. Die Änderung der Strukturtiefe der Narbungen an Modellformteilen der untersuchten polymeren Materialien liegt 10 bis 15 Quadratmeter unter der des Werkzeuges. Narbungen mit großer Strukturtiefe verschleißen deutlicher als Narbungen mit geringer Strukturtiefe. Visuell ist diese Verringerung der Strukturtiefe nicht erkennbar. Ein deutlicher Einfluss der änderung der Massetemperatur auf die Maßzahlen zur Narbungsstrukturänderung konnte nur am Polyamid mit 30 Prozent GF-Anteil erkannt werden.
Kunststoffformteile mit einem Krümmungsradius größer als 6 Millimeter können vorzugsweise mit Tastschnittgerät Contracer CBH taktil vermessen werden. Optische Prüfmethoden und Rauheitmessgeräte sind dafür weniger gut bis nicht geeignet.
Der Glanzgrad an Modellformteilen der untersuchten Formmassen zeigt für Narbungen nur geringste Abweichungen Die polierte Fläche zeigt visuell und messtechnisch eine deutliche Veränderung des Glanzes für ABS und PP. Farbveränderungen konnten messtechnisch nur für ABS bei steigenden Schusszahlen wahrgenommen. Der Einfluss unterschiedlicher Narbungen bezüglich der Farbabweichungen ist gering und nur farbmetrisch nachweisbar.
Vorteile und Lösungen
Vorteile liegen in der objektiven Bewertung des Verschleißes von strukturierten Spritzgießwerkzeugoberflächen durch Kennzahlen. Der fortschreitenden Werkzeugverschleiß kann zu jedem Zeitpunkt der Lebensdauer des Werkzeuges ermittelt und dokumentiert und daraus eine Entscheidung für einen Werkzeugersatz bereits frühzeitig getroffen werden.
Die Verschleißmessung kann am Formteil durchgeführt werden, wobei auch die Messung an gekrümmten Oberflächen möglich ist. Als Voraussetzung muß ein Erstmusterteil aus dem Werkzeug ohne Verschleiß vorhanden sein. Taktile Messverfahren können empfohlen werden. Verschleißmessungen werden Kunden als Dienstleistung angeboten.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die entwickelten Auswertemethoden und die Schaffung von Maßzahlen zur Charakterisierung des Verschleißes von strukturierten Werkzeugoberflächen können übernommen werden mit geringfügigen Anpassungen für jegliche Arten von Verschleiß. Eine Anwendung ergibt sich auf dem weiten Feld der Charakterisierung von Kunststoffoberflächen, welche mechanischer Beanspruchungen, zum Beispiel Kratzen oder Reiben unterliegen. Bisher wurden mechanisch beanspruchte Kunststoffoberflächen nur visuell, durch farbmetrische und Glanzmessungen bewertet.