Gemein­sa­mes Pro­jekt für bes­se­ren Schutz vor Verschleiß

„Ober­flä­chen­mo­di­fi­ka­ti­on zur Ver­schleiß­re­du­zie­rung hoch­be­las­te­ter Werk­zeug­ober­flä­chen in Extru­dern der Kunst­stoff­ver­ar­bei­tung“: Die­sen Namen trägt das Pro­jekt und hat nun am Kunst­stoff-Zen­trum SKZ und am Fraun­ho­fer Insti­tut für Schicht- und Ober­flä­chen­tech­nik IST gestar­tet. Das Pro­jekt unter­sucht die Ver­schleiß­re­du­zie­rung in wesent­li­chen Pro­duk­ti­ons­ein­hei­ten der Kunst­stoff­in­dus­trie, um kos­ten­ef­fi­zi­en­te und nach­hal­ti­ge Pro­duk­ti­ons­pro­zes­se über lan­ge Zeit­räu­me zu ermöglichen.
Ste­tig stei­gen­de Ansprü­che an die Gebrauchs­ei­gen­schaf­ten von Kunst­stof­fen füh­ren zu eben­so stei­gen­den Antei­len von Faser­ver­stär­kun­gen, Füll­stof­fen und Addi­ti­ven. Die Ober­flä­chen von Schne­cken­wel­len und von Extru­der­dü­sen wer­den bei der Com­po­un­die­rung und Ver­ar­bei­tung die­ser Funk­ti­ons­werk­stof­fe sehr stark bean­sprucht. Zusätz­lich ver­stär­ken kor­ro­si­ve Umge­bungs­be­din­gun­gen das Bean­spru­chungs­kol­lek­tiv ins­ge­samt. Gleich­zei­tig ver­langt die Pro­duk­ti­vi­tät hohe rea­li­sier­ba­re Drü­cke und kur­ze Durch­lauf­zei­ten. Unter die­sen genann­ten Rah­men­be­din­gun­gen muss den­noch das tech­no­lo­gi­sche Ziel einer opti­ma­len Misch­wir­kung bei maxi­ma­lem Durch­satz und mini­ma­lem Ener­gie­ein­trag sicher­ge­stellt wer­den. Die kom­ple­xe Geo­me­trie von Düsen und den Schne­cken­ele­men­ten schränkt jedoch auf­grund der schwie­ri­gen geo­me­tri­schen Erreich­bar­keit die Aus­wahl geeig­ne­ter Beschich­tungs­ver­fah­ren für den Ver­schleiß­schutz ein.

Plas­ma-akti­vier­te che­mi­sche Gas­pha­sen­ab­schnei­dung wird untersucht

Im Pro­jekt wird als poten­zi­ell geeig­ne­tes Ver­fah­ren die plas­ma-akti­vier­te che­mi­sche Gas­pha­sen­ab­schnei­dung (PA-CVD) auf ihre Anwend­bar­keit unter­sucht. PA-CVD ermög­licht durch eine plas­ma­che­mi­sche Umset­zung von Gas­ge­mi­schen dün­ne Hart­stoff­be­schich­tun­gen. In spe­zi­el­len Pro­zes­sen kön­nen mehr­la­gi­ge Titan­di­bo­rid- und Titan­ni­trid­pha­sen ent­hal­ten­de Mehr­la­gen­schich­ten erzeugt wer­den. Die­se wei­sen eine für die mecha­ni­sche Bean­spru­chung güns­ti­ge Nano­kom­po­sit­struk­tur auf. Das in der Pha­sen­mi­schung vor­han­de­ne har­te und che­misch sehr sta­bi­le Titan­di­bo­rid wirkt dem adhä­si­ven und kor­ro­si­ven Angriff entgegen.
Ein wei­te­res Ver­fah­ren wird unter­sucht, das Bor durch eine ther­mo­che­mi­sche Rand­schicht­be­hand­lung in die Rand­zo­ne des Werk­zeu­ges ein­dif­fun­die­ren lässt. Dadurch wer­den har­te und kor­ro­si­ons­be­stän­di­ge Borid­aus­schei­dun­gen gebil­det, die ein hohes Poten­ti­al haben, eben­falls alle Anfor­de­run­gen der Anwen­dung zu erfül­len. So wer­den im Pro­jekt zunächst die Ver­schleiß­me­cha­nis­men zwi­schen Schmel­ze und Werk­zeug­ober­flä­che iden­ti­fi­ziert und bewer­tet. Dar­auf­hin wer­den zur Redu­zie­rung des Ver­schlei­ßes auf der Ober­flä­che die unter­schied­li­chen bor­hal­ti­gen Ober­flä­chen­mo­di­fi­ka­tio­nen im Labor­maß­stab cha­rak­te­ri­siert und beschrie­ben. Abschlie­ßend erfolgt zum Nach­weis der Anwend­bar­keit eine Eva­lu­ie­rung unter indus­tri­el­len Bedingungen.

Zum Pro­jekt

Das For­schungs­pro­jekt ist im Dezem­ber 2021 gestar­tet. Die Unter­su­chun­gen zur Ober­flä­chen­mo­di­fi­ka­tio­nen auf Basis von PA-CVD-Beschich­tun­gen und Bor-Dif­fu­si­ons­be­hand­lun­gen sol­len einen wich­ti­gen Bei­trag und Mehr­wert für Unter­neh­men der gesam­ten Wert­schöp­fungs­ket­te lie­fern, ins­be­son­de­re für KMU wie Com­po­un­deu­re, Ober­flä­chen­ver­ed­ler sowie Anla­gen­her­stel­ler. Inter­es­sier­te Unter­neh­men sind herz­lich ein­ge­la­den, im pro­jekt­be­glei­ten­den Aus­schuss des For­schungs­pro­jekts kos­ten­frei mit­zu­wir­ken und sich über die aktu­el­len Ergeb­nis­se zu informieren.
Das Pro­jekt (För­d­er­kenn­zei­chen 22162 N) wird im Rah­men des Pro­gramms zur För­de­rung der Indus­tri­el­len Gemein­schafts­for­schung (IGF) der For­schungs­ver­ei­ni­gung Kunst­stoff-Zen­trum (FSKZ e. V.) über die Arbeits­ge­mein­schaft indus­tri­el­ler For­schungs­ver­ei­ni­gun­gen e.V. (AiF) vom Bun­des­mi­nis-teri­um für Wirt­schaft und Kli­ma­schutz (BMWK) auf­grund eines Beschlus­ses des Deut­schen Bun­des­ta­ges gefördert.