Verfahrensentwicklung zur Herstellung gebrauchsbeständiger kleinststrukturierter Kunststoffbauteile
Seiten
2010
Universitätsverlag der TU Berlin
978-3-7983-2270-7 (ISBN)
Universitätsverlag der TU Berlin
978-3-7983-2270-7 (ISBN)
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Die Anforderungen an die „Funktionalität“ von Bauteiloberflächen nehmen stetig zu. Eine Vielzahl von geforderten Oberflächeneigenschaften kann über das für die Fertigung der Oberfläche verwendete Material, sowie die mikro- oder nanoskalige Topographie der Oberfläche beeinflusst werden.
Beispiele von durch Kleinststrukturen erzielbaren Oberflächenfunktionalitäten sind die Möglichkeit Informationen in Form kleinster Oberflächenstrukturen zu speichern (optische Datenträger, Hologramme, etc.), schwer benetzbare Oberflächen nach dem Vorbild der Lotusblüte oder reflektionsarme Oberflächen nach dem Vorbild des Mottenauges.
So unterschiedlich die angestrebten Oberflächenfunktionalisierungen auch sind, weisen diese meist eine Gemeinsamkeit auf. Hierbei handelt es sich um die Forderung der Beständigkeit gegenüber verschiedenen äußeren, meist mechanischen oder chemischen Einflüssen.
Ein stetig wachsender Teil von Bauteiloberflächen für welche die oben genannten Anforderungen gelten, werden in Massenfertigungsverfahren – beispielsweise im Spritzgießprozess – aus polymeren Werkstoffen gefertigt. Im Folgenden wird auf material- und verfahrenstechnische Aspekte eingegangen, welche bei der Herstellung von funktionalisierten Bauteiloberflächen aus polymeren Werkstoffen mit erhöhter mechanischer und chemischer Beständigkeit beachtet werden müssen. Die mechanische Oberflächenbeständigkeit von Bauteilen aus thermoplastisch verarbeitbaren Polymeren reicht für eine Vielzahl von angestrebten Einsatzszenarien kleinststrukturierter Kunststoffkomponenten nicht aus. Diesbezüglich weisen chemisch quervernetzte Polymere wie beispielsweise Mehrkomponenten-Polyurethansysteme signifikante Vorteile auf. Allerdings kann aufgrund weiterer Anforderungen meist nicht das gesamte Bauteil aus einem bezüglich der Oberflächenbeständigkeit geeigneten Polymermaterial gefertigt werden. Daher wird eine Verfahrenstechnik für die konturfolgende Beschichtung von Bauteilen mit chemisch quervernetzenden Polymeren in einem formgebenden Werkzeug entwickelt. In die Beschichtung, welche typischerweise eine Dicke zwischen 20 µm und 300 µm aufweist, werden die meist nur wenige hundert Nanometer tiefen Kleinststrukturen während des Beschichtungsprozesses von einer formgebenden Werkzeugwandoberfläche abgeformt.
Aufgrund der angestrebten geringen Schichtdicken stellt die Materialaufbereitung und Dosierung entsprechend kleiner Mengen (typisch zwischen 1 ml und 20 ml) der im unvernetzten Zustand meist vergleichsweise niedrigviskosen Formmassen (Nullviskosität bei Verarbeitungstemperatur typisch zwischen 10 mPas und 5 Pas) eine bis dato noch nicht gestellte technische Herausforderung dar. Auch bestehen entsprechende Anforderungen an die eingesetzte Werkzeugtechnik bezüglich einer wirksamen Werkzeugentlüftung bei ausreichender Werkzeugabdichtung. Weiterhin müssen aufgrund der extremen Adhäsionsneigung der meisten für eine Beschichtung in Frage kommenden Polymere geeignete Maßnahmen für die Sicherstellung der zerstörungsfreien Entformung des beschichteten Bauteils getroffen werden. Hier wird unter anderem auf die Möglichkeit des Einsatzes sehr dünner im Plasmapolymerisationsprozess abgeschiedener antiadhäsiver fluor- oder siliziumorganischer Schichten, beziehungsweise Schichtsystemen eingegangen. Weiterhin wird die Möglichkeit des Einsatzes antiadhäsiver Formeinsatzmaterialien sowie in das für die Beschichtung verwendete Polymer eingearbeitete interne Trennmittel untersucht.
Anhand der Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen werden die für die Umsetzung der beschriebenen Verfahrenstechnik in für die Massenfertigung geeigneten hochautomatisierten Prozessen zu beachtenden Aspekte diskutiert.
Beispiele von durch Kleinststrukturen erzielbaren Oberflächenfunktionalitäten sind die Möglichkeit Informationen in Form kleinster Oberflächenstrukturen zu speichern (optische Datenträger, Hologramme, etc.), schwer benetzbare Oberflächen nach dem Vorbild der Lotusblüte oder reflektionsarme Oberflächen nach dem Vorbild des Mottenauges.
So unterschiedlich die angestrebten Oberflächenfunktionalisierungen auch sind, weisen diese meist eine Gemeinsamkeit auf. Hierbei handelt es sich um die Forderung der Beständigkeit gegenüber verschiedenen äußeren, meist mechanischen oder chemischen Einflüssen.
Ein stetig wachsender Teil von Bauteiloberflächen für welche die oben genannten Anforderungen gelten, werden in Massenfertigungsverfahren – beispielsweise im Spritzgießprozess – aus polymeren Werkstoffen gefertigt. Im Folgenden wird auf material- und verfahrenstechnische Aspekte eingegangen, welche bei der Herstellung von funktionalisierten Bauteiloberflächen aus polymeren Werkstoffen mit erhöhter mechanischer und chemischer Beständigkeit beachtet werden müssen. Die mechanische Oberflächenbeständigkeit von Bauteilen aus thermoplastisch verarbeitbaren Polymeren reicht für eine Vielzahl von angestrebten Einsatzszenarien kleinststrukturierter Kunststoffkomponenten nicht aus. Diesbezüglich weisen chemisch quervernetzte Polymere wie beispielsweise Mehrkomponenten-Polyurethansysteme signifikante Vorteile auf. Allerdings kann aufgrund weiterer Anforderungen meist nicht das gesamte Bauteil aus einem bezüglich der Oberflächenbeständigkeit geeigneten Polymermaterial gefertigt werden. Daher wird eine Verfahrenstechnik für die konturfolgende Beschichtung von Bauteilen mit chemisch quervernetzenden Polymeren in einem formgebenden Werkzeug entwickelt. In die Beschichtung, welche typischerweise eine Dicke zwischen 20 µm und 300 µm aufweist, werden die meist nur wenige hundert Nanometer tiefen Kleinststrukturen während des Beschichtungsprozesses von einer formgebenden Werkzeugwandoberfläche abgeformt.
Aufgrund der angestrebten geringen Schichtdicken stellt die Materialaufbereitung und Dosierung entsprechend kleiner Mengen (typisch zwischen 1 ml und 20 ml) der im unvernetzten Zustand meist vergleichsweise niedrigviskosen Formmassen (Nullviskosität bei Verarbeitungstemperatur typisch zwischen 10 mPas und 5 Pas) eine bis dato noch nicht gestellte technische Herausforderung dar. Auch bestehen entsprechende Anforderungen an die eingesetzte Werkzeugtechnik bezüglich einer wirksamen Werkzeugentlüftung bei ausreichender Werkzeugabdichtung. Weiterhin müssen aufgrund der extremen Adhäsionsneigung der meisten für eine Beschichtung in Frage kommenden Polymere geeignete Maßnahmen für die Sicherstellung der zerstörungsfreien Entformung des beschichteten Bauteils getroffen werden. Hier wird unter anderem auf die Möglichkeit des Einsatzes sehr dünner im Plasmapolymerisationsprozess abgeschiedener antiadhäsiver fluor- oder siliziumorganischer Schichten, beziehungsweise Schichtsystemen eingegangen. Weiterhin wird die Möglichkeit des Einsatzes antiadhäsiver Formeinsatzmaterialien sowie in das für die Beschichtung verwendete Polymer eingearbeitete interne Trennmittel untersucht.
Anhand der Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen werden die für die Umsetzung der beschriebenen Verfahrenstechnik in für die Massenfertigung geeigneten hochautomatisierten Prozessen zu beachtenden Aspekte diskutiert.
| Erscheint lt. Verlag | 2.12.2010 |
|---|---|
| Reihe/Serie | Schriftenreihe Kunststoff-Forschung ; 71 |
| Zusatzinfo | zahlr. Abb. |
| Verlagsort | Berlin |
| Sprache | deutsch |
| Maße | 148 x 210 mm |
| Gewicht | 211 g |
| Einbandart | Paperback |
| Themenwelt | Naturwissenschaften ► Chemie ► Technische Chemie |
| Technik ► Maschinenbau | |
| Schlagworte | Dünne Schicht • Funktionalisierung (Chemie) • gebrauchsbeständige Kunststoffoberflächen • gemeinsame Verarbeitung thermoplastischer und chemisch vernetzender Polymere • Kunststofftechnik • Mehrkomponentenverarbeitungsverfahren • Mikrosystemtechnik • Mikro- und Nanostrukturabformung • modellfreie Reaktionskinetik • Schutzschicht • Thermoplastformteil • Vernetzung (Chemie) |
| ISBN-10 | 3-7983-2270-8 / 3798322708 |
| ISBN-13 | 978-3-7983-2270-7 / 9783798322707 |
| Zustand | Neuware |
| Informationen gemäß Produktsicherheitsverordnung (GPSR) | |
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