3d konforme präzisionsbeschichtungen für den ... · © kunststoff-institut lüdenscheid...
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© Kunststoff-Institut Lüdenscheid
Gliederung
► Motivation
► Prozesstechnologie
► Schichtwerkstoffe
► Schichtaufbau
► Eigenschaften§ Entformungsverhalten§ Korrosionsschutzpotential
► Anwendung
► Fazit
218.05.2017Branchentreff Lüdenscheid
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► Die Beschichtungstechnik erlaubt die Modifizierung der Werkzeugoberfläche zur Generierung neuer Eigenschaften, z.B.:§ Härte§ Abriebfestigkeit§ Korrosionsschutz
► Gängige Methoden zur Werkzeugbeschichtung:§ Physikalische Gasphasenabscheidung
– Nachteile: Schlechte Spaltgängigkeit, keine gleich-mäßige Beschichtung komplexer Formen möglich
§ Galvanik– Nachteile: Gewünschte Funktionalität erst ab relativ
hoher Schichtdicke erreichbar, Probleme mit engen Toleranzen im Werkzeugbau
► Aufgabe: Entwicklung einer Methode zur Beschichtung von Formeinsätzen, die eine 3D-Fähige Beschichtung ermöglicht
Motivation
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CVD-Technologie
► Beschichtung von Substraten mit definierten Werkstoffen zur Modifizierung, Funktionalisierung oder zum Schutz der Substrat-oberfläche
► Das Material wird im Reaktor durch eine kontrollierte chemische Reaktion aus der sogenannten Vorstufe (Precursor) gebildet
► Schichteigenschaften (Dicke, Kristallinität, Phase, Dichte) hängen größtenteils von der Parametrierung des Prozesses ab
Schematischer Ablauf eines CVD-Prozesses
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Metallorganische CVD-Technologie
► Thermische CVD mittels Heißwandreaktor§ Nutzung metallorganischer Precursoren
(MOCVD)§ Nutzung von Reaktiv- und Trägergasen§ Prozesstemperatur < 520°C§ Kammergröße: Ø 210 x 600mm
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CVD-Heißwandreaktor
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3D Fähigkeit des Beschichtungsprozesses
Branchentreff Lüdenscheid 6
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1 2 3 4 5 6 7Aspektverhältnis
445°C/ 2mbar
480°C/ 2mbar
480°C/ 5mbarS
chic
htd
icke
/ µ
m
18.5.2017
► Modifizierte Formeinsätze undBeschichtungsvorrichtungen§ Einführung von Probekörpern
in unterschiedlichen Abstän-den zur Kavitätsöffnung
§ Messung der Schichtdickenbei verschiedenen Aspekt-verhältnissen
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� Physikalische Eigenschaften ausgewählter Materialien
� oxidkeramische Materialien für hohe mechanische und chemische Stabilität
� Zirkondioxid mit einer dem Formstahl entsprechenden Wärmedehnung� Mischung unterschiedlichster Metalloxide, Beispiel: Yttrium-stabilisiertes
Zirkoniumdioxid möglich
18.5.2017
Material Thermische Leitfähigkeit [W/(m�K)]
Thermischer Ausdehnungskoeffizient [10-6/K]
Al2O3 28 8SiO2 1.4 0.54TiO2 9 7Al2O3*SiO2(Mullit)
3.2 4
ZrO2 2.5 7-12Kalknatronglas 0.8 9Borosilikatglas 1.2 3.31.2344 25 12
Abscheidung oxidkeramische Schichtmaterialien
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Schichtentwicklung
Single Layer Schichten
► Reine ZrO2- oder YSZ-Schichten§ Geeignet für thermische
Barriere Eigenschaften
► Al2O3, Cr2O3 und SiO2-Schichten§ amorpher Schichtaufbau § Gut geeignet für reaktive
Anwendungen:– Korrosionsschutz– Belagbildung– Mediendichtigkeit Querschnitt einer ZrO2-Schicht mit SiOx-
Schlussschicht
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Multilayer-Systeme
� Mehrschichtsystem durch Nutzung verschiedener Precursoren zur Minimierung von Schichtspannungen und Darstellung maßgeschneiderten Schichteigenschaften§ YSZ à yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (kristallin)§ PDZ à phosphordotiertes Zirkoniumdioxid (amorph)
� Stabil auch bei großen Schichtdicken (>20µm)
Schichtentwicklung
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YSZPDZ
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Entformungsverhalten von Zirkoniumdioxid-Schichten (POM, polierte Oberfläche)
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� Losbrech-, und Gleitmoment günstiger wie bei unbeschichteter Oberfläche� kristalline und amorphe Schicht mit günstigen Entformungsverhalten� Ähnlich für PC, Kunststoffabhängig - weiter Untersuchungen folgen
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Korrosionsschutzverhalten von MultilayerZirkondioxid Schichten
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► Geringe Schichtdicken (~ 1-4 µm)
► Deutlich besseres Korrosionsverhalten gegenüber „Chemisch-Nickel-Schichten“ bei 1/8 der Schichtdicke
► Weiterentwicklung des Schutzpotentials für Schichtdicken von ca. 1µm bei sehr guter 3 D Fähigkeit
Elektrolyt: H2SO4 (10%)Ruhepotentialmessung: 3 minPotential-Scan: 10 mV/s
Stromdichtepotential-Messung an 1.2344 beschichtet mit:
A) chemisch Ni-Schicht (30 µm)
B) oxidkeramische Schicht (4 µm)
Potential [mV]
Log(i) [mA/mm2]
18.5.2017Branchentreff Lüdenscheid
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► Herstellung von Kunststoff-Zahnrädern (POM)§ Korrosion der Formkontur (1.2083)§ Massive Belabildung (CrN-beschichtet)§ Problem: Reinigungsinterval nach 7000 Zyklen
Anwendung von Multilayer Zirkoniumdioxid-Schichten
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� Lösung: Beschichtung der Formeinsätze mit 2-3µm Multilayer
Zahnflanke im Werkzeug mit massivem Belag
Kunststoffzahnrad POM
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► 2,5 Fach verlängertes Reinigungsinterval
► Keine Korrosion im Betrieb feststellbar
Ergebnis Multilayer für POM Verarbeitung
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MOCVD
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Formeinsatz vor und nach dem Beschichten
Minimaler Belag an Werkzeugoberfläche nach 18.000 Zyklen
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Fazit
► Entwicklung einer neuartiger MOCVD Prozesstechnologie für Formwerkzeuge§ 3D-fähig bis zu Aspektverhältnis von
1:60§ Abscheidung keramischer Single- und
Multilayer Schichten auf Stahl (<500°C)§ Dichte Schichten ab einer Schichtdicke
von 1µm
► Entwicklung von oxidkeramische Schichten für die Kunststoffverarbeitung§ Verbesserung der Entformung § Reduzierte Belagbildung§ Hohes Korrosionsschutzpotential durch
amorphen Schichtaufbau
18.5.2017Branchentreff Lüdenscheid
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Kontakt:Dipl.-Ing. Frank MummeKIMW GmbH
Tel: +49 2351 [email protected]