Experimentelle Analyse thermomechanischer Eigenschaften thermisch gespritzter Beschichtungen

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Ein zentrales Forschungsziel des SFB 1120 ist die Steigerung der Präzision von Bauteilen, die in schmelzbasierten Urformprozessen gefertigt werden. Generell kann diese durch eine gezielte Steuerung der Wärmezufuhr und -abfuhr wesentlich erhöht werden. Mit Hilfe von thermisch gespritzten Beschichtungen (TS-Schichten) können Wärmeströme an Oberflächen gezielt beeinflusst werden. Eine Möglichkeit sind passiv wirkende Wärmedämmschichten (WDS), wie sie in Teilprojekt (TP) A10 untersucht werden. Im TP A12 wird dagegen eine aktive Einflussnahme auf Wärmeströme an Oberflächen betrachtet. Durch den Einsatz von Heizschichten kann Wärme lokal auf der Werkzeugoberfläche generiert werden und stellt damit einen steuerbaren Faktor hinsichtlich der Beherrschung des Temperaturhaushalts in Urformprozessen dar.

Der Forschungsbedarf für Temperiersysteme in Urformprozessen wurde in der ersten Projektphase identifiziert und wurde anschließend in der zweiten Projektphase durch das neue TP A12 adressiert. Dabei war das Ziel die Entwicklung von TS-Schichten mit homogenen thermophysikalischen Eigenschaften. Dazu gehört die Steigerung des Verständnisses über den zur Herstellung notwendigen TS-Prozess. So wurde der elektrische Widerstand der Heizschicht aus TiOx/Cr2O3 als wesentliche Schichteigenschaft hinsichtlich der Oberflächentemperierung identifiziert. Durch statistische Versuchsplanung wurden beim atmosphärischen Plasmaspritzen (APS) ein Prozessfenster, das zu homogenen Schichteigenschaften führt, bestimmt und ein mathematisches Korrelationsmodell zur Vorhersage des elektrischen Widerstands aufgestellt, siehe Bild 1. Mit Hilfe einer neu entwickelten Kontaktierung der Heizschicht, die von isolierenden Al2O3-Schichten umschlossen ist, wurde ein definierter Übergang von der Beschichtung zum elektrischen Energiequelle geschaffen. Gleichzeitig erfolgt die Energieeinspeisung nun an der Werkzeugrückseite, sodass die Kontaktierung außerhalb der mechanisch belasteten Bereiche erfolgt. Im Projektverlauf konnte die Anzahl an im Bild 2/Video 1 dargestellten Temperaturzyklen bis ca. 200 °C mit homogener Temperaturverteilung um zwei Größenordnungen von ca. 100 Zyklen auf über 30.000 Zyklen erhöht werden. In Kooperation mit dem TP B01 konnte das entwickelte Heizschichtsystem im Einsatz in Kunststoffspritzgießanlagen, wie in Bild 3 abgebildet, evaluiert und die grundsätzliche Beständigkeit gegenüber dem Belastungskollektiv mit über 400 Formteilen bestätigt werden. Bei ungeregelt beheizten Versuchen konnte der Verzug gegenüber Formteilen, die mit unbeheiztem Werkzeug gespritzt wurden, um 70 % reduziert werden. Auch im Kokillenguss mit Aluminium wurden in Kooperation mit dem TP B08 positive Einflüsse auf die Erstarrung beobachtet. Durch die Wärmezufuhr wurde die maximale Temperaturdifferenz zwischen Formteil und Werkzeugwand von 211 °C auf 161 °C reduziert.

Darüber hinaus konnte durch die Kombination aus Thermischem Spritzen und Laserablation zusammen mit TP A01 ein mögliches Sensorarray auf Basis des Heizschichtsystems (vgl. Bild 4) hergestellt werden. Die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands der TiOx/Cr2O3-Schicht soll in der geplanten dritten Projektphase die Grundlage zur Inline-Temperaturregelung der Heizschicht bilden. Ferner ist die Leistungsfähigkeit des Heizschichtsystems nicht ausschließlich über den elektrischen Widerstand der Heizschicht definiert. Daher sollen neben dem elektrischen Widerstand auch weitere relevante Schichteigenschaften wie bspw. die Durchschlagfestigkeit der Isolationsschichten in Prädiktionsmodellen berücksichtigt werden. Durch einen engen Austausch der prädiktierten Schichteigenschaften der datengetriebenen Modelle und der Simulationsmodelle aus TP A10 sollen die Modelle gegenseitig validiert und präzisiert werden. Die in der zweiten Projektphase des SFB1120 gewonnenen und in der dritten Projektphase zu gewinnenden Erkenntnisse über Heizschichtsysteme sollen genutzt werden, um dessen Herstellung zu beherrschen. Abschließend soll das entwickelte Heizschichtsystem über Demonstratorwerkzeuge einen Eingang in geregelte Kunststoffspritzgieß- und Aluminiumkokillengussprozesse erlangen, um dort als neue Kompensationsmethode die Schmelzerstarrung gezielt beeinflussen zu können.

 

Response Surface des Korrelationsmodells zur Vorhersage des spezifischen Widerstands

Response Surface des Korrelationsmodells zur Vorhersage des spezifischen Widerstands Urheberrecht: © SFB 1120 Bild 1
 
 

Thermographieaufnahme während eines Aufheizvorgangs

Schematische Darstellung der Einflussgrößen auf die Leitfähigkeit einer TS-Schicht Urheberrecht: © SFB 1120 Bild 2
 
Video 1
Video 1
 
 

Implementierung im Kunststoffspritzgießen

a. Beschichteter Werkzeugeinsatz in Kunststoffspritzgießanlage; b. Formteile ohne und mit Heizung durch die Beschichtung Urheberrecht: © SFB 1120 a. Beschichteter Werkzeugeinsatz in Kunststoffspritzgießanlage; b. Formteile ohne und mit Heizung durch die Beschichtung
 
 

Sensorschichten auf Basis des Heizschichtsystems

a. Ausschnitt eines möglichen Sensorarrays (Draufsicht); b. Querschliff der durch Laserablation präzise hergestellten Verbindung zwischen Sensorfläche aus TiOx/20Cr2O3 und elektrischer Kontaktierung aus Ni20Cr Urheberrecht: © SFB 1120 a. Ausschnitt eines möglichen Sensorarrays (Draufsicht); b. Querschliff der durch Laserablation präzise hergestellten Verbindung zwischen Sensorfläche aus TiOx/20Cr2O3 und elektrischer Kontaktierung aus Ni20Cr