Verschleisschutz hochbelasteter Werkzeugoberflächen in Extrudern

Das Projekt „Oberflächenmodifikation zur Verschleißreduzierung hochbelasteter Werkzeugoberflächen in Extrudern der Kunststoffverarbeitung“ wurde gemeinsam am Kunststoff-Zentrum SKZ und am Fraunhofer Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST gestartet. Das Projekt untersucht die Verschleißreduzierung in wesentlichen Anlagen der Kunststoffindustrie zur Ermöglichung kosteneffizienter und nachhaltiger Produktionsprozesse über lange Zeiträume.

Ein gemeinsames Projekt

Stetig steigende Ansprüche an die Gebrauchseigenschaften von Kunststoffen führen zu ebenso steigenden Anteilen von Faserverstärkungen, Füllstoffen und Additiven. Die Oberflächen von Schneckenwellen und Extruderdüsen werden bei der Compoundierung und Verarbeitung von Funktionswerkstoffe sowie durch korrosive Umgebungsbedingungen sehr stark beansprucht. Gleichzeitig verlangt die Produktivität hohe realisierbare Drücke und kurze Durchlaufzeiten. Unter diesen Rahmenbedingungen muss jedoch auch das technologische Ziel optimaler Mischwirkung bei maximalem Durchsatz und minimalem Energieeintrag sichergestellt werden. Die komplexe Geometrie von Düsen und den Schneckenelementen schränkt jedoch aufgrund der schwierigen 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. Ein weiteres Verfahren wird untersucht, das Bor durch eine thermochemische Randschichtbehandlung in die Randzone des Werkzeuges eindiffundieren lässt. Dadurch werden harte und korrosionsbeständige Boridausscheidungen gebildet. Im Rahmen des Projekts werden 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 erfolgt zum Nachweis der Anwendbarkeit eine Evaluierung unter industriellen Bedingungen.

Das Projekt

Das Forschungsprojekt startete im Dezember 2021. Die Untersuchungen zur Oberflächenmodifikationen auf Basis von PA-CVD-Beschichtungen und Bor-Diffusionsbehandlungen sollen einen wichtigen Beitrag und Mehrwert für Unternehmen der gesamten Wertschöpfungskette liefern, insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen wie Compoundeure, Oberflächenveredler sowie Anlagenhersteller. Interessierte Unternehmen sind herzlich eingeladen, im projektbegleitenden Ausschuss des Forschungsprojekts kostenfrei mitzuwirken und sich über die aktuellen Ergebnisse zu informieren. Das Projekt (Förderkennzeichen 22162 N) wird im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) der Forschungsvereinigung Kunststoff-Zentrum (FSKZ e. V.) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. (AiF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.