DE102013106257A1

DE102013106257A1 - Bauteil für eine Spritzgießmaschine

Info

Publication number: DE102013106257A1
Application number: DE102013106257.1A
Authority: DE
Inventors: Werner Schütze; Alexander Slaza
Original assignee: Phitea GmbH
Current assignee: Phitea GmbH
Priority date: 2013-06-16
Filing date: 2013-06-16
Publication date: 2014-12-18
Also published as: WO2014202053A1; DE112014002854A5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (1) für eine Spritzgießmaschine oder eine Spritzgießform, das während eines Spritzgießprozesses wenigstens teilweise in unmittelbaren Kontakt mit der jeweilig verwendeten Gießmasse kommt, gekennzeichnet durch einen Grundkörper (2) aus Metall und eine an dem Grundkörper (2) angeordnete, wenigstens einschichtig aufgebaute keramische Beschichtung (3), wobei die keramische Beschichtung (3) auf der Seite des Grundkörpers (2) angeordnet ist, die während eines Spritzgießprozesses der Gießmasse zugewandt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil für eine Spritzgießmaschine oder eine Spritzgießform und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine wenigstens ein solches Bauteil aufweisende Spritzgießmaschine und eine wenigstens ein solches Bauteil aufweisende Spritzgießform.
Spritzgießmaschinen und Spritzgießformen werden zur Herstellung verschiedenster Formkörper eingesetzt. Bei dieser Herstellung wird eine Gießmasse über wenigstens eine Spritzeinheit einer Spritzgießmaschine in zumindest eine Kavität einer Spritzgießform eingespritzt.
Bauteile von Spritzgießmaschinen oder Spritzgießformen, die während eines Spritzgießprozesses wenigstens teilweise in unmittelbaren Kontakt mit der jeweilig verwendeten Gießmasse kommen, sind herkömmlich aus gehärtetem Stahl gebildet. Je nach dem Grad der Abrasivität der jeweilig eingesetzten Gießmasse, kommt es zu einem mehr oder weniger starken Abrieb und Verschleiß an diesen Bauteilen von Spritzgießmaschinen bzw. Spritzgießformen. Folglich wird die Standzeit herkömmlicher Spritzgießmaschinen bzw. herkömmlicher Spritzgießformen bei Verwendung von stark abrasiven Gießmassen deutlich verkürzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Standzeiten von Spritzgießmaschinen bzw. Spritzgießformen deutlich gegenüber herkömmlichen Standzeiten zu verlängern und somit einen kosteneffektiveren Betrieb von Spritzgießmaschinen bzw. Spritzgießformen sicherzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1, eine Spritzgießmaschine gemäß Anspruch 7, eine Spritzgießform gemäß Anspruch 8 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.
Mit Anspruch 1 wird ein Bauteil für eine Spritzgießmaschine oder eine Spritzgießform vorgeschlagen, das während eines Spritzgießprozesses wenigstens teilweise in unmittelbaren Kontakt mit der jeweilig verwendeten Gießmasse kommt, gekennzeichnet durch einen Grundkörper aus Metall und eine an dem Grundkörper angeordnete, wenigstens einschichtig aufgebaute keramische Beschichtung, wobei die keramische Beschichtung auf der Seite des Grundkörpers angeordnet ist, die während eines Spritzgießprozesses der Gießmasse zugewandt ist.
Das erfindungsgemäße Bauteil kommt während eines Spritzgießprozesses ausschließlich über seine keramische Beschichtung in Kontakt mit der jeweilig verwendeten Gießmasse. Eine keramische Beschichtung ist deutlich reibungsärmer und verschleißärmer als metallische Oberflächen herkömmlicher Bauteile ausgebildet. Hierdurch kommt es an der keramischen Beschichtung selbst bei dem Einsatz von hochabrasiven, beispielsweise Glas enthaltenden, Gießmassen zu einer deutlich geringeren Abrasion. Hierdurch wird die Standzeit einer mit einem oder mehreren erfindungsgemäßen Bauteilen ausgestatteten Spritzgießmaschine bzw. Spritzgießform deutlich gegenüber herkömmlichen Spritzgießmaschinen bzw. Spritzgießformen verlängert, insbesondere mindestens verdoppelt, so dass eine erfindungsgemäß ausgestattete Spritzgießmaschine bzw. Spritzgießform deutlich kosteneffektiver betreibbar ist.
Der Grundkörper aus Metall kann bei der Neuherstellung einer Spritzgießmaschine bzw. einer Spritzgießform ausgebildet werden. Des Weiteren ist es möglich, als Grundkörper eine metallische Komponente einer bereits vorhandenen Spritzgießmaschine bzw. Spritzgießform zu verwenden. In letzterem Fall erfolgt somit eine Nachrüstung bereits vorhandener Bauteile von Spritzgießmaschinen bzw. Spritzgießformen mit der keramischen Beschichtung. Eine solche Nachrüstung macht die kostengünstige Weiterverwendung der Komponenten von bereits vorhandenen Spritzgießmaschinen bzw. Spritzgießformen möglich. Würden entsprechende Bauteile von Spritzgießmaschinen bzw. Spritzgießformen vollständig aus einem keramischen Werkstoff hergestellt, würde eine Nachrüstung von bereits vorhandenen Spritzgießmaschinen bzw. Spritzgießformen nicht mehr in Frage kommen. Bereits vorhandene Spritzgießmaschinen bzw. Spritzgießformen müssten daher teilweise oder vollständig ersetzt werden. Zudem müssten neue Verfahren zur Herstellung von vollkeramischen Bauteilen geschaffen werden. Beides ist mit einem nicht unerheblichen Kostenaufwand verbunden, der bei dem Einsatz von wenigstens einem erfindungsgemäßen Bauteil umgangen werden kann.
Die Verringerung der Reibung zwischen der jeweilig verwendeten Gießmasse und der keramischen Beschichtung hat zudem den Vorteil, dass der für die Durchführung eines Spritzgießprozesses erforderliche Energiebedarf reduziert wird, was sich ebenfalls günstig auf die Kosteneffektivität des Betriebs einer entsprechend ausgestatteten Spritzgießmaschine bzw. Spritzgießform auswirkt.
Des Weiteren kann durch eine geeignete Auslegung der keramischen Beschichtung ein Einsatz des erfindungsgemäßen Bauteils bei Einsatztemperaturen von bis zu etwa 1000° C erfolgen, was mit herkömmlichen Bauteilen aus gehärtetem Stahl nicht möglich ist.
Die keramische Beschichtung kann auch aus zwei oder mehr Schichten aufgebaut sein. Die Schichten können sich durch die Art der für ihre Herstellung verwendeten Werkstoffe voneinander unterscheiden. Hierdurch lassen sich die Eigenschaften der keramischen Schichten optimal an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die keramische Beschichtung Titannitrid, Titanaluminiumnitrid und/oder diamantähnlicher amorpher Kohlenstoff insbesondere in jeder der oben genannten Hinsichten als besonders geeignet für die Herstellung der keramischen Beschichtung gezeigt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die keramische Beschichtung eine Schichtdicke von etwa 1 bis etwa 5 Mikrometer, vorzugsweise etwa 1,5 Mikrometer, auf. Durch die Anordnung einer derartigen keramischen Beschichtung an einer Komponente einer herkömmlichen Spritzgießmaschine bzw. Spritzgießform zur Ausbildung einer Baueinheit im vorliegenden Sinne wird die Dimensionierung der Komponente nur unwesentlich verändert, so dass die Komponente in gleichem Maße einsetzbar bleibt, jedoch reibungsärmer und verschleißärmer ausgebildet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die keramische Beschichtung eine Härte von etwa 2500 bis etwa 10000 HV (Vickershärte), vorzugsweise von etwa 3000 HV, aufweist. Derartige Härtegrade sind bei metallischen Oberflächen von Komponenten herkömmlicher Spritzgießmaschinen bzw. Spritzgießformen nicht erreichbar. Solch hohe Härtegrade gehen mit einer hohen Widerstandsfähigkeit gegen Abrasion einher.
Es wird weiter als vorteilhaft erachtet, wenn die der Gießmasse zugewandte Seite der keramischen Beschichtung einen Reibungskoeffizienten von etwa 0,05 bis etwa 0,2, vorzugsweise etwa 0,1, aufweist. Auch solch niedrige Reibungskoeffizienten sind bei metallischen Oberflächen von Komponenten herkömmlicher Spritzgießmaschinen bzw. Spritzgießformen nicht erreichbar. Durch die geringen Reibungskoeffizienten ist eine mit einem entsprechend ausgebildeten Bauteil ausgestattete Spritzgießmaschine bzw. Spritzgießform deutlich energieeffizienter betreibbar.
Ferner wird vorgeschlagen, dass an der der Gießmasse zugewandten Oberfläche der keramischen Beschichtung zumindest teilweise eine reibungsmindernde Strukturierung ausgebildet ist. Hierdurch kann diese Oberfläche der keramischen Beschichtung noch reibungsärmer ausgebildet werden. Als reibungsmindernde Strukturierung kommt beispielsweise eine Ripple-Struktur in Frage. Es hat sich überraschender Weise gezeigt, dass eine solche Strukturierung der Oberfläche die Reibung zwischen der keramischen Beschichtung und der jeweilig verwendeten Gießmasse erheblich verringert. Als Struktur können unterschiedliche Ausführungsformen einer Ripple-Struktur, einer Riffle Struktur, einer Doppelripple-Struktur oder einer unterbrochenen Doppelripple-Struktur vorgesehen sein. Eine Doppelripple-Struktur kann v-förmig ausgebildet sein. Aber auch eine unterbrochene Doppelripple-Struktur oder eine einfache Ripple-Struktur kann v-förmig ausgestaltet sein. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch die Kantenerosion wesentlich verringert wird und auf die ganze Form ausgedehnt bleiben und keine Rückstände in der Form verbleiben.
Mit Anspruch 7 wird eine Spritzgießmaschine mit wenigstens einem Bauteil vorgeschlagen, das während eines Spritzgießprozesses wenigstens teilweise in einen unmittelbaren Kontakt mit der jeweilig verwendeten Gießmasse kommt, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil gemäß einer der vorgenannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben ausgebildet ist. Hiermit sind die oben mit Bezug auf das Bauteil genannten Vorteile verbunden.
Mit Anspruch 8 wird eine Spritzgießform mit wenigstens einem Bauteil vorgeschlagen, das während eines Spritzgießprozesses wenigstens teilweise in einen unmittelbaren Kontakt mit der jeweilig verwendeten Gießmasse kommt, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil gemäß einer der vorgenannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben ausgebildet ist. Hiermit sind die oben mit Bezug auf das Bauteil genannten Vorteile verbunden.
Mit Anspruch 9 wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils für eine Spritzgießmaschine oder eine Spritzgießform vorgeschlagen, das während eines Spritzgießprozesses wenigstens teilweise in unmittelbaren Kontakt mit der jeweilig verwendeten Gießmasse kommt, aufweisend die Schritte:

– Bereitstellen eines Grundkörpers aus Metall;
– Anordnen einer wenigstens einschichtig aufgebauten keramischen Beschichtung an der Seite des Grundkörpers, die während eines Spritzgießprozesses der Gießmasse zugewandt ist.

Mit diesem Verfahren sind insbesondere die oben mit Bezug auf das Bauteil genannten Vorteile verbunden.
Der Grundkörper kann neu angefertigt werden. Alternativ kann eine bereits vorhandene metallische Komponente einer Spritzgießmaschine bzw. Spritzgießform als Grundkörper verwendet werden.
Die keramische Beschichtung kann durch eine Beschichtung unter Verwendung herkömmlicher Verfahren, beispielsweise einem PLD-Verfahren, einem Sputter-Verfahren oder einem PVD-Verfahren, auf den Grundkörper aufgebracht werden. Hierbei kann die keramische Beschichtung als Ganzes oder in aufeinander folgenden Schritten durch das Aufbringen von einzelnen Unterschichten, beispielsweise mit einer jeweiligen Schichtdicke von etwa 10 Nanometer, an dem Grundkörper angeordnet werden. Nach dem Aufbringen einzelner Unterschichten erfolgt vorzugsweise eine Entspannungsphase, in der sich insbesondere die zuletzt aufgetragene Unterschicht entspannen kann. Hierdurch wird ein fester Halt der einzelnen Unterschichten an dem Material der jeweilig darunter angeordneten Schicht bzw. dem Grundkörper sichergestellt.
Als Material zur Ausbildung der keramischen Beschichtung wird vorzugsweise Titaniumnitrid, Titaniumaluminiumnitrid und/oder diamantähnlicher amorpher Kohlenstoff verwendet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass an der der Gießmasse zugewandten Oberfläche der keramischen Beschichtung zumindest teilweise eine reibungsmindernde Strukturierung ausgebildet wird. Dies kann beispielsweise durch Laserablation erfolgen. Hierzu kann ein Femtosekundenlaser eingesetzt werden. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch bewirkte charakteristische Ausbildung der Oberfläche sich besonders gut eignet und besonders vorteilhaft die beschriebenen Vorzüge aufweist.
Weitere Einzelheiten gehen aus den Zeichnungen anhand der folgenden Beschreibung hervor.
Dabei sollen die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmalskombinationen nicht limitierend auf die Erfindung wirken, vielmehr sind auch die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungen miteinander kombinierbar. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Bauteil,
2 eine schematische und perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Bauteil,
3 eine schematische Schnittdarstellung des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels entlang der Schnittlinie II-II, und
4 eine schematische Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Bauteil.
1 zeigt im Ausschnitt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Bauteil 1 für eine nicht dargestellte Spritzgießmaschine oder eine nicht dargestellte Spritzgießform, das während eines Spritzgießprozesses wenigstens teilweise in unmittelbaren Kontakt mit der jeweilig verwendeten Gießmasse kommt. Das Bauteil 1 weist einen Grundkörper 2 aus Metall und eine an dem Grundkörper 2 angeordnete, einschichtig aufgebaute keramische Beschichtung 3 auf. Die keramische Beschichtung 3 ist auf der Seite des Grundkörpers 2 angeordnet ist, die während eines Spritzgießprozesses der Gießmasse zugewandt ist.
Die keramische Beschichtung 3 ist aus diamantähnlichem amorphem Kohlenstoff gebildet und weist eine Schichtdicke von 1,5 Mikrometer und eine Härte von 3000 HV auf. Die der Gießmasse während eines Spritzgießprozesses zugewandte Seite 4 der keramischen Beschichtung 3 weist einen Reibungskoeffizienten von 0,1 auf. An der der Gießmasse während eines Spritzgießprozess zugewandten Oberfläche 4 der keramischen Beschichtung 3 ist eine reibungsmindernde Strukturierung 5 in Form einer Ripple-Struktur ausgebildet.
2 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Bauteil 1 im Ausschnitt. Die Oberfläche 4 der keramischen Beschichtung 3 weist eine reibungsmindernde Strukturierung 5 in Form einer Doppelripple-Struktur auf. Die Spurbreite S beträgt 450 Nanometer.
3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels entlang der in 2 gezeigten Schnittlinie II-II. Der Kantenwinkel β der Doppelripple-Struktur beträgt etwa 30°.
4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Bauteil 1 in einem Ausschnitt. Die Oberfläche 4 der keramischen Beschichtung 3 weist eine reibungsmindernde Strukturierung 5 in Form einer unterbrochenen Doppelripple-Struktur auf. Bei dieser Struktur verlaufen die Berge B und die Täler T vförmig unter einem Winkel α von 90° aufeineinder zu und treffen sich. In dieser Ausführungsform ist eine Ripple-Unterstruktur durch einen Berg B und zwei Täler T gebildet.
Bezugszeichenliste

1: Bauteil
2: Grundkörper
3: keramische Beschichtung
4: Oberfläche
5: reibungsmindernde Strukturierung

Claims

Bauteil (1) für eine Spritzgießmaschine oder eine Spritzgießform, das während eines Spritzgießprozesses wenigstens teilweise in unmittelbaren Kontakt mit der jeweilig verwendeten Gießmasse kommt, gekennzeichnet durch einen Grundkörper (2) aus Metall und eine an dem Grundkörper (2) angeordnete, wenigstens einschichtig aufgebaute keramische Beschichtung (3), wobei die keramische Beschichtung (3) auf der Seite des Grundkörpers (2) angeordnet ist, die während eines Spritzgießprozesses der Gießmasse zugewandt ist.
Bauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Beschichtung (3) Titaniumnitrid, Titaniumaluminiumnitrid und/oder diamantähnlichen amorphen Kohlenstoff aufweist.
Bauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Beschichtung (3) eine Schichtdicke von 1 bis 5 Mikrometer, vorzugsweise 1,5 Mikrometer, aufweist.
Bauteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Beschichtung (3) eine Härte von 2500 bis 10000 HV, vorzugsweise von etwa 3000 HV, aufweist.
Bauteil (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Gießmasse zugewandte Seite der keramischen Beschichtung (3) einen Reibungskoeffizienten von 0,05 bis 0,2, vorzugsweise 0,1, aufweist.
Bauteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der der Gießmasse zugewandten Oberfläche (4) der keramischen Beschichtung (3) zumindest teilweise eine reibungsmindernde Strukturierung (5) ausgebildet ist.
Spritzgießmaschine mit wenigstens einem Bauteil (1), das während eines Spritzgießprozesses wenigstens teilweise in einen unmittelbaren Kontakt mit der jeweilig verwendeten Gießmasse kommt, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Spritzgießform mit wenigstens einem Bauteil (1), das während eines Spritzgießprozesses wenigstens teilweise in einen unmittelbaren Kontakt mit der jeweilig verwendeten Gießmasse kommt, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1) für eine Spritzgießmaschine oder eine Spritzgießform, das während eines Spritzgießprozesses wenigstens teilweise in unmittelbaren Kontakt mit der jeweilig verwendeten Gießmasse kommt, aufweisend die Schritte: – Bereitstellen eines Grundkörpers (2) aus Metall; – Anordnen einer wenigstens einschichtig aufgebauten keramischen Beschichtung (3) an der Seite des Grundkörpers (2), die während eines Spritzgießprozesses der Gießmasse zugewandt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Material zur Ausbildung der keramischen (3) Beschichtung Titaniumnitrid, Titaniumaluminiumnitrid und/oder diamantähnlicher amorpher Kohlenstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Beschichtung (3) unter Verwendung eines PVD- oder PLC-Verfahrens ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an der der Gießmasse zugewandten Oberfläche (4) der keramischen Beschichtung (3) zumindest teilweise eine reibungsmindernde Strukturierung (5) ausgebildet wird.