SKZ/Fraunhofer IST: Weniger Verschleiß an Werkzeugoberflächen in Extrudern

22.03.2022

Schneckenelemente mit Verschleißerscheinungen. (Foto: SKZ)

Schneckenelemente mit Verschleißerscheinungen. (Foto: SKZ)

Das Projekt „Oberflächenmodifikation zur Verschleißreduzierung hochbelasteter Werkzeugoberflächen in Extrudern der Kunststoffverarbeitung“ ist gemeinsam am Kunststoff-Zentrum SKZ, Würzburg, und am Fraunhofer Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig, gestartet. Das Projekt untersucht die Verschleißreduzierung in wesentlichen Produktionseinheiten der Kunststoffindustrie.

Steigende Ansprüche an die Gebrauchseigenschaften von Kunststoffen führen zu 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

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.

Darüber hinaus wird ein weiteres Verfahren, das Bor durch eine thermochemische Randschichtbehandlung in die Randzone des Werkzeuges eindiffundieren lässt, untersucht. 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 soll zum Nachweis der Anwendbarkeit eine Evaluierung unter industriellen Bedingungen erfolgen.

Das Forschungsprojekt ist im Dezember 2021 gestartet. Die Untersuchungen zur Oberflächenmodifikationen auf Basis von PA-CVD-Beschichtungen und Bor-Diffusionsbehandlungen sollen einen wichtigen Beitrag für KMUs wie Compoundeure, Oberflächenveredler sowie Anlagenhersteller leisten. Interessierte Unternehmen sind eingeladen, im projektbegleitenden Ausschuss des Forschungsprojekts mitzuwirken.

www.skz.de
www.ist.fraunhofer.de

© Kunststoff-Profi Verlag GmbH & Co. KG, Bad Homburg

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