DE19937707A1 - Werkzeug-Oberflächen mit definierter Mikrostruktur zur Abweisung von Ablagerungen - Google Patents
Werkzeug-Oberflächen mit definierter Mikrostruktur zur Abweisung von AblagerungenInfo
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Abstract
Die Oberflächen von Werkzeugen, Maschinen und Arbeitsgerätschaften werden mit einer definierten Mikrostruktur versehen, die aus einer Vielzahl von mikroskopisch kleinen Vertiefungen bzw. Vorsprüngen besteht. Mit Hilfe dieser Mikrostruktur wird erreicht, daß ein diese Oberfläche beaufschlagendes Material nur mit einem geringen Anteil der Oberfläche in Berührungskontakt gelangt, während der restliche Teil der Oberfläche einer Berührung durch das beaufschlagende Medium entzogen ist. Durch eine derartige Verminderung der Kontaktflächen wird eine entsprechende Verminderung der Adhäsionsneigung erreicht, so daß im Ergebnis keine oder nur ganz geringe Materialablagerungen auf den erfindungsgemäß gestalteten Werkzeugoberflächen auftreten .
Description
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Oberflächen aus verschiedenen Materiali
en, die mit einer Mikrostruktur versehen sind, damit diese bei Kontakt mit verschiedenen
Medien keine Ablagerungen aufweisen.
Bei der Verarbeitung und Produktion unterschiedlicher Materialien werden Maschinen,
Vorrichtungen und Werkzeuge eingesetzt, die diese Materialien z. B. fördern, mahlen,
mischen, kneten, plastifizieren, formen, walzen, prägen, pressen, spritzgießen etc.
Bei diesen Arbeitsvorgängen können die zu verarbeitenden Materialien oder Bestandteile
daraus auf der beaufschlagten Geräteoberfläche zu Ablagerungen und Verkrustungen
führen, die den Verarbeitungsablauf einschränken oder verhindern.
Ein industrielles Beispiel für Beeinträchtigungen, verursacht durch Ablagerungen, ist z. B.
das plate-out-Phänomen, das bei der Verarbeitung von Kunststoffen in Extrudern (z. B.
auf der Schnecke und/oder auf dem Zylinder), auf Werkzeugen, Kalibern, Kalanderwal
zen und in Spritzgußformen beobachtet werden kann.
Durch dieses plate-out, in der Regel Ablagerungen von anorganischen Füll- oder Pig
mentiermitteln wie Kreide, Titandioxid etc. oder Gleitmitteln, können die Qualität der
Oberfläche des hergestellten Produktes sowie die Maßhaltigkeit des Produktes negativ
beeinflußt werden. So können Ablagerungen im Kaliber, z. B. bei der Profilextrusion,
sichtbare Riefen erzeugen oder den Oberflächenglanz drastisch reduzieren.
Geräte-Oberflächen, die in Kontakt mit zu verarbeitendem Polymerwerkstoff stehen, sind
üblicherweise poliert. Zwischen der polierten Oberfläche des Werkzeuges und dem zu
verarbeitenden Material wirken häufig Adhäsionskräfte, welche bei fließenden Medien
den Materialfluß, bis hin zu Anbackungen, negativ beeinflussen können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maschinen- und Werkstoffober
flächen mit verringerter Adhäsionsneigung zu entwickeln, so daß unerwünschte Belagbil
dung an Vorrichtungen bei der Verarbeitung von unterschiedlichen Materialien verringert
oder verhindert wird.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare Vorteil ergibt sich in erster Linie daraus, daß dank
einer 10 bis 90%-igen Verringerung der vom Material tatsächlich beaufschlagten Werk
zeugoberfläche eine entsprechend große Verminderung der Adhäsionsneigung erreicht
wird, was zu einer entsprechenden Verminderung von Materialablagerungen an der
Werkzeugoberfläche führt.
Zum Verständnis sei unterstrichen, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter
"tatsächlicher Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Material" diejenige Oberflächen
fraktion verstanden wird, die tatsächlich mit dem Material in Kontakt steht. Weist die er
findungsgemäße Makrooberfläche eine Vielzahl von mikroskopischen Vertiefungen auf,
so befinden sich tatsächliche Kontaktflächen im Sinne der Erfindung zwischen den jewei
ligen Vertiefungen. Weist andererseits die erfindungsgemäße Mikrooberfläche eine Viel
zahl von Vorsprüngen auf, so befinden sich die "tatsächlichen Kontaktflächen" allein auf
den Vorsprüngen, da die Bereiche zwischen den Vorsprüngen nicht vom Material berührt
werden.
Die erfindungsgemäße Verringerung der Kontaktfläche kann dadurch erreicht werden,
daß Erhebungen oder Vertiefungen in die Werkzeugoberfläche eingearbeitet werden,
deren Abstand voneinander so gewählt wird, daß das Material, welches im Kontakt zur
Werkzeugoberfläche steht, nur mit den Erhebungen in Berührung kommt und nicht in die
Vertiefungen eindringen kann.
Je nach Verhältnis zwischen Vertiefungsbreite und Kontaktfläche (Erhebungsbreite) kann
die tatsächliche Kontaktfläche, auf der die Adhäsionskräfte wirken, bis zu 90% reduziert
werden. Wird die Vertiefung zu breit gewählt, wird das Gegenteil bewirkt, nämlich eine
Vergrößerung der beaufschlagten Werkzeug- oder Geräteoberfläche. Die Ablagerungen
bildenden Partikel können die Täler oder Vertiefungen ausfüllen, und damit wird die tat
sächliche Kontaktfläche vergrößert, was zu einer verstärkten Ablagerung führt.
Die jeweils geeignete Gestaltung der Mikrostruktur, welche die Kontaktfläche Werk
zeug/Material minimiert, hängt von dem zu verarbeitenden Material ab.
Bei den zu verarbeitenden Materialien kann es sich um alle fließenden Materialien, Pul
ver, Granulate, plastische und viskose flüssige Massen handeln. Von diesen Materialien
muß die in der Praxis auftretende makroskopisch resultierende Partikelgröße bzw. die
Fließkraft ermittelt oder abgeschätzt werden, um bei Kenntnis dieser Parameter eine
geeignete Oberfläche zu schaffen, die es ermöglicht, durch Herabsetzung der tatsächli
chen Kontaktfläche die Adhäsionskraft zu minimieren, ohne daß es zu "Verfüllungen" der
Vertiefungen kommt.
Ist die Partikelgröße bekannt, kann die Oberfläche je nach gewünschter Feinheit, z. B. bei
Stählen oder Metallen- bzw. Metalllegierungen, mit den bekannten Techniken wie z. B.
Schleifen, Ätzen (z. B. Fotolithographie), Fräsen, Drehen, Strahlen, Gravieren, Prägen,
Erodieren, Lasern oder mit dem Ligaverfahren etc. bearbeitet werden. Hierbei können
geometrische Vertiefungen, wie z. B. parallele Rillen, netzförmige Strukturen etc. oder
statistische, ungeordnete Geometrien erzeugt werden.
Die Anordnung bei geometrischen und nicht geometrischen Formen ist ebenso je nach
Einsatz und erwarteter Wirkung variabel. So könnten parallele Rillen quer, längs oder in
einem beliebigen Winkel zur Flußrichtung des auf der Werkzeugoberfläche fließenden
Materials angeordnet sein, je nachdem, ob die Strömungs- und Reibungskräfte damit
gesteuert werden können oder sollen.
Ebenfalls möglich sind, außer den erzeugten Vertiefungen aus einer planen Oberfläche,
Erhebungen, die auf den planen Untergrund in beliebiger geometrischer oder ungeordne
ter Form aufgebracht werden und anschließend in unterschiedlichen Anordnungen auf
der Werkzeugoberfläche orientiert werden können.
Die Breite einer Vertiefung auf der Werkzeug- oder Geräteoberfläche kann, abhängig
vom zu verarbeitenden Material, zwischen 0,01 µm und 500 µm betragen. Die Form der
Vertiefungen, z. B. ob es sich bei Rillen um dreieckige, viereckige oder runde Vertiefun
gen oder Erhebungen handelt, hängt in der Regel von der Methode der Erzeugung ab.
Die Tiefe dieser Vertiefungen oder Erhebungen ist abhängig vom späteren Einsatz der
erzeugten modifizierten Oberfläche und von der Herstellungsmethode und deren Ge
nauigkeit.
Abhängig vom Einsatzgebiet, z. B. bei der späteren Verarbeitung von korrosiven oder
abrasiven Medien, ist es möglich, die mikrostrukturierten Oberflächen nachträglich unter
Erhalt der erzeugten Oberflächengeometrie zu behandeln.
Verfahrenstechnisch möglich ist auch eine Oberflächenbehandlung, die z. B. Abrasion
verhindert, und in deren Oberfläche dann anschließend eine Mikrostruktur erzeugt wird.
Den erwünschten Schutz gegen Abrasion oder Korrosion von Stählen, Metallen und
Metalllegierungen kann durch eine Oberflächenmaterialveränderung oder durch eine
Oberflächenbeschichtung erlangt werden. Die Wahl der Methode hängt vom Einsatz, den
Anforderungen und den Bearbeitungsmöglichkeiten der zu behandelnden Oberfläche ab.
Mögliche gängige Methoden und Techniken zur Härtung oder Korrosionsschutz von
Oberflächen sind z. B. die Bildung von Metallboriden, -carbiden und -nitriden, die Be
schichtung z. B. mittels Spritzen (Detonations-, Flamm-, Lichtbogen-, Plasma- oder La
serspritzen), das Sputtern, das Ion-Plating-Verfahren, PVD (physical vapor deposition)
oder CVD (chemical vapor deposition), oder das Laserstrahllegieren. Mit den genannten
sowie weiteren Verfahren gemäß Stand der Technik können verschiedene Reinmetalle,
Metallliegierungen oder Verbindungen wie beispielsweise kubisches Bornitrid (c-BN),
Kohlenstoffnitrid (β-C3N4), TiN, TiCN, CrN, CrCN, WC, MoS2, WS2, MoSe, WSe2, Ke
ramiken, galvanische Überzüge, polymere Beschichtungen usw. aufgebracht werden.
Eine vom Fraunhofer-Institut entwickelte, neue Methode zur Oberflächenveredelung ist
das Auftragen von superharten, amorphen Kohlenstoffschichten (DLC: diamond like car
bon), in die Metalle wie Wolfram oder Titan eingelagert werden können. Die kohlenstoff
basierenden Schichten können auch mit nicht metallischen Elementen wie Fluor, Silici
um, Sauerstoff, Stickstoff oder Bor modifiziert werden. Dies Beschichtung zeichnet sich
durch eine hohe Mikrohärte 2-30 GPa (Stahl hat 5 GPa, Diamant hat 80-100 GPa) aus,
abhängig von der Art der Modifikation, und kann bei niedrigen Temperaturen auf das zu
beschichtende Material aufgebracht werden. Durch die dünn aufgetragenen Schichten
bleiben die bei der Oberflächenformung gebildeten Formen (z. B. Rillen), erhalten, ohne
daß die Tiefen verfüllt werden. Außer den bisherigen genannten Materialien wie Stähle,
Metalle und Metalllegierungen können andere Materialien wie Keramiken, Glas, Emaille
oder Polymerwerkstoffe eingesetzt und die Oberfläche so behandelt werden, daß sie ein
Minimum an Kontaktoberfläche zwischen Werkzeug und dem zu verarbeitenden Material
ausbildet. Um die bereits beschriebenen Mikrooberflächenstrukturen zu erhalten, können
auch für diese Materialien bekannte und bereits zum Teil beispielhaft aufgeführte Tech
niken eingesetzt werden.
Soll beispielsweise die tatsächlich vom Material beaufschlagte Werkzeugoberfläche 50%
der beaufschlagten (Brutto)-Werkstoffoberfläche betragen, so muß dafür Sorge getragen
werden, daß 50% der Bruttofläche aus mikroskopischen Vertiefungen besteht, in welche
das Material nicht eindringen kann. Das hat zur Folge, daß lediglich die verbleibenden
50% der Werkstoffoberfläche tatsächlich in Kontakt mit dem Material kommen. Für einen
solchen Fall hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, daß eine Mikrostruktur aus paralle
len Rillen ausgebildet wird, wobei jede Rille eine Breite von 10 µm aufweist, und jeder
Rillenzwischenraum gleichfalls eine Breite von 10 µm aufweist.
Soll nach einem weiteren Beispiel die tatsächliche Kontaktfläche nur 10% der ursprüng
lichen Bruttofläche betragen, so hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, eine Mikrostruk
tur aus parallelen Rillen vorzusehen, wobei jede Rille eine Breite von 1 µm aufweist,
während die Rillenzwischenräume jeweils eine Breite von 0,1 µm aufweisen.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß der mit Hilfe der Erfindung erzielbare Vorteil am
größten ist, wenn eine Mikrostruktur vorgesehen wird, welche die kleinste mögliche
Kontaktoberfläche aufweist. Hierbei ergeben sich von Material zu Material durchaus
nennenswerte Unterschiede. So lassen sich in Halbleitermaterialien sehr viel feinere Mik
rostrukturen einbringen als in Stahlwerkstoffen.
Der Abstand zwischen zwei Erhebungen bzw. Vertiefungen der Mikrooberfläche kann im
Bereich von 0,01 bis 500 µm liegen, und die Tiefe bzw. Höhe der Vertiefungen bzw. Vor
sprünge in der Mikrostruktur kann im Bereich von 1 bis 200 µm liegen. Die jeweils erziel
bare Oberflächenmikrostruktur ist abhängig von Material, Feinheit und Geometrie der
gewünschten Struktur. Die erfindungsgemäßen Oberflächenmikrostrukturen können
durch an sich bekannte Techniken wie Schleifen, Ätzen (z. B. Fotolithographie), Fräsen,
Drehen, Strahlen, Gravieren, Prägen, Drucken, Erodieren, Beschichten, Lasern oder mit
dem Ligaverfahren erzeugt werden.
Die erfindungsgemäße Oberflächen-Mikrostruktur läßt sich auf Stahlwerkstoffen, Metal
len, Metalllegierungen, Keramiken, Glas, Emaille, Polymerwerkstoffen usw. ausbilden.
Bei Bedarf können diese Werkstoffe nach oder vor dem Einarbeiten der Mikrostruktur
durch Oberflächenveredelungsmaßnahmen bearbeitet werden, wie durch Aufbringen
eines Korrosionsschutzes, durch Einstellen der Oberflächenenergie oder durch Här
tungs- bzw. Passivierungsmaßnahmen.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ergibt sich ferner daraus, daß nicht nur fabrikneue
Maschinen oder Arbeitsgerätschaften mit der erfindungsgemäßen definierten Mikrostruk
tur versehen sein können, sondern daß auch bereits im Gebrauch befindliche Vorrich
tungen sich nachträglich mit einer solchen definierten Mikrostruktur versehen lassen.
Ein Hohlkammerkaliber eines Extruders wurde mit unterschiedlich oberflächenbehandel
ten Stahlblechen mit den Maßen L 200 mm × B 30 mm × H 1 mm ausgelegt. Anschlie
ßend wurden Profile mit einer Profilrezeptur, die eine große Tendenz zur plate-out-
Bildung hat, extrudiert. Nach 8 Stunden wurde das eingelegte Stahlblech ausgebaut und
die Belagsbildung bewertet.
Der Einsatz von oberflächenbehandelten Stahlblechen ermöglicht kostengünstige Aus
testungen von unterschiedlichen Anordnungen und Gemometrien. Getestet wurden fol
gende Stahlbleche:
- - 1. Stahlblech (Vergleichsversuch) : Poliert, mittlere Rauhtiefe in Längsrichtung 0,3 µm Mittlere Rauhtiefe in Querrichtung 0,6 µm
- - 2. Stahlblech (Erfindung) : Fotolithographisch erzeugte parallele Rillen (in Längsrichtung des Bleches) im Abstand von 10 µm und einer Rillenbreite von 10 µm und einer Rillentiefe von 10 µm.
- - 3. Stahlblech (Erfindung) : Fotolithographisch erzeugte parallele Rillen (in Querrichtung des Bleches) im Abstand von 10 µm und ei ner Rillenbreite von 10 µm und einer Rillentiefe von 10 µm.
Das mit dem polierten Stahlblech versehene Hohlkammerkaliber produzierte bereits nach
160 Minuten Profile mit Riefen, verursacht durch plate-out im Kaliber, welches nach dem
Ausbau des Kalibers eindeutig visuell bestimmt werden konnte.
Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Stahlbleche 2. und 3. im Hohlkammerkali
ber konnten weder Riefen auf dem Profil, noch plate-out-Beläge nach 8 Stunden beob
achtet werden.
Claims (6)
1. Werkzeugoberflächen von Maschinen oder Arbeitsgeräten zum Verarbeiten
bzw. Bearbeiten von Material, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Material
beaufschlagte Werkzeugoberfläche eine aus vielen mikroskopisch kleinen Vertiefun
gen/Vorsprüngen gebildetete definierte Mikrostruktur aufweist, mit deren Hilfe die tat
sächliche Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Material auf 10 bis 90% der beauf
schlagten Werkstoffoberfläche herabgesetzt ist.
2. Werkzeugoberflächen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Oberfläche aus einem Stahlwerkstoff, einem Metall, einer Metalllegierung, einer Ke
ramik, einem Glas, aus Emaille oder aus einem Polymerwerkstoff besteht.
3. Werkzeugoberflächen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Oberflächen einen Überzug aufweisen, oder zwecks Passivierung oder Härtung bear
beitet sind.
4. Werkzeugoberflächen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Mikrostruktur aus einem geometrischen Muster oder aus statistisch
ungeordneten Geometrien besteht.
5. Werkzeugoberflächen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Abstand zwischen zwei benachbarten Vertiefungen bzw. Vorsprün
gen der Mikrooberfläche 0,01 bis 500 µm beträgt, und daß die Tiefe bzw. Höhe der
Vertiefungen bzw. Vorsprünge 1 bis 200 µm beträgt.
6. Verwendung der Werkstoffoberfläche nach einem der vorhergehenden Patent
ansprüche auf Extruder-Düsen, -Schnecken und -Zylindern, auf Werkzeugen, Kali
bern, Kalanderwalzen sowie in Spritzgußformen.
Priority Applications (1)
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