Thermisch gespritzte Heizschichten für das Kunststoffspritzgießen

Schacht, Andreas; Bobzin, Kirsten; Hopmann, Christian

doi:43030

Thermisch gespritzte Heizschichten für das Kunststoffspritzgießen = Thermally sprayed heating coatings for plastic injection molding

Schacht, Andreas^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabeAndreas Schacht

ImpressumDüren : Shaker Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-8440-9361-2

ReiheSchriftenreihe Oberflächentechnik ; 77

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Bobzin, Kirsten (Thesis advisor)^RWTH* ; Hopmann, Christian (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-11-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-01772
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/979701/files/979701.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Oberflächentechnik im Maschinenbau (419010)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Beschichtung (frei) ; Keramik (frei) ; Kunststoffverarbeitung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Kunststoffspritzgießen ist das wichtigste Verfahren in der Kunststoffverarbeitung und ist geprägt von kurzen Zykluszeiten und einer hohen Wirtschaftlichkeit. Die Produktivität des Verfahrens wird insbesondere über kalt temperierte Formwerkzeuge für eine rasche Erstarrung der eingespritzten Formmasse erreicht. Ein zu hoher Temperaturgradient kann jedoch zu einer frühzeitigen Erstarrung der Formmasse und damit zur verminderten Formteilqualität führen. Durch variotherme Temperierung des Werkzeugs wird diesem Effekt entgegengewirkt. Während interne Systeme jederzeit steuerbar sind, sind diese aufgrund der thermischen Masse des Werkzeugs träge. Mit externen Systemen lässt sich eine höhere Dynamik erreichen, da lediglich die Werkzeugoberfläche erhitzt wird, jedoch kann dies lediglich im geöffneten Werkzeug stattfinden. Durch die Applikation eines wenige hundert Mikrometer dicken Heizelements direkt auf der Werkzeugoberfläche kann die Wärme genau dort eingebracht werden, wo und wann sie benötigt wird. Ein solches Heizelement wurde mit dem Atmosphärischen Plasmaspritzen (APS), einer Verfahrensvariante des Thermischen Spritzens, entwickelt. Das Schichtsystem besteht aus einer TiOx/Cr2O3-Heizschicht, die von zwei Al2O3-Isolationsschichten umschlossen ist. Die Entwicklung erfolgte in drei unterschiedlichen Technologie-Reifegraden. In der ersten Stufe wurde der Zusammenhang zwischen den APS-Prozessparametern und der Durchschlagfestigkeit der Isolationsschichten sowie des spezifischen Widerstands der Heizschicht mit Hilfe einer statistischen Versuchsplanung identifiziert und quantifiziert. Dabei zeigte die Durchschlagsfestigkeit eine gewisse Unabhängigkeit von den Prozessparametern, wohingegen der spezifische Widerstand signifikant von der Stromstärke, dem H2-Sekundärgasfluss sowie dem Spritzabstand bestimmt wird. Für die zweite Stufe wurde ein Prüfstand zur Nachbildung der thermischen Beanspruchung des Kunststoffspritzgießens entwickelt. Darin wurden die Heizschichtsysteme mit Thermozyklen beaufschlagt. Mit dem Heizschichtsystem wurden hochdynamische Temperaturwechsel auf der Oberfläche realisiert und über 20.000 Thermozyklen ohne Beschädigung durchfahren. Um die Heizschicht innerhalb eines geschlossenen Werkzeugs ansteuern zu können, wurde eine Kontaktierung entwickelt, die eine rückseitige Energieeinspeisung ermöglicht. Damit wurden in der dritten Stufe Heizschichtsysteme auf Werkzeugeinsätzen appliziert und im Kunststoffspritzgießen erprobt. Abschließende Untersuchungen der hergestellten Formteile zeigten die positive Einflussnahme auf den Verzug und die Schwindung.

Plastic injection molding is the most important process in plastics processing and is characterized by short cycle times and high cost-effectiveness. The productivity of the process is achieved in particular by cold-temperature molds for rapid solidification of the injected polymer melt. However, an excessively high temperature gradient can lead to premature solidification of the polymer melt and thus to reduced part quality. This effect is counteracted by variothermal temperature control of the mold. While internal systems can be controlled at any time, they are slow due to the thermal mass of the mold. External systems can achieve a higher level of dynamics by heating only the mold surface, but this requires the mold to be open. By applying a heating element of a few micrometers thickness directly to the mold surface, the heat can be generated precisely where and when it is necessary. Such a heating element was developed using atmospheric plasma spraying (APS), a process variation of thermal spraying. The coating system consists of a TiOx/Cr2O3 heating coating embedded in two Al2O3 insulation coatings. The development was carried out in three different technology readiness levels. In the first stage, the relationship between the APS process parameters and the dielectric strength of the insulation coatings as well as the resistivity of the heating coating was identified and quantified using a design of experiments. Thereby, the dielectric strength showed certain independence from the process parameters, whereas the resistivity is significantly determined by the electric current, the H2 secondary gas flow as well as the spray distance. For the second stage, a test rig was developed to emulate the thermal stress of plastic injection molding. Thermal cycles were applied to the heating coating systems. The heating coating system was capable of highly dynamic temperature changes on the surface and was subjected to over 20,000 thermal cycles without damage. In order to be able to control the heating coating within a closed mold, a contacting solution was designed which allows a power supply from the back. In the third stage, heating coating systems were applied on mold inserts and tested in plastic injection molding. Final investigations of the molded parts showed the positive influence on warpage and shrinkage.

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