Entwicklung von trockenen, permanent trennwirksamen Beschichtungen für metallische Formen zur Herstellung von Kunststoffteilen

Bei der Herstellung von Kunststoffteilen werden Formen mit Trennmitteln versehen, um eine einwandfreie Entformung der Teile zu erzielen. Nur durch den Einsatz von Trennmitteln ist diese Entformung durchführbar und ein reibungsloser Produktionsablauf erst möglich. Konventionelle Trennmittelsysteme bestehen aus trennaktiven Wirkstoffen in einem Trägermedium, i.d.R. organischen Lösungsmitteln oder Wasser. Lösungsmittel belasten natürlich auch die Umwelt. Um diese Belastung zukünftig zu minimieren, wurden von ACMOS trockene Beschichtungen mit einer permanenten Trennwirkung entwickelt. Zurzeit laufen bereits Versuche, mit dem Ziel eine Formenbeschichtung in einen zukünftigen Automotiv-Produktionsprozess der BMW AG zu integrieren. ACMOS ist an diesem Entwicklungsvorhaben maßgeblich beteiligt, wobei angestrebt wird, die ökologischen Anforderungen zu übertreffen und um den Treibhauseffekt, der auch durch emittierte Lösungsmittel hervorgerufen wird, zu vermindern bzw. zu vermeiden. Das Projekt wird von der DBU gefördert und in Verbindung mit namhaften Unternehmen der deutschen Industrie zur Einsatzfähigkeit gebracht.

Ein beschichtetes Instrumententafel-Versuchsgalvano des 5er BMW, erkennbar an den Regenborgenfarben. Ablauf einer Entformung: A. Trennmittelauftrag, B. Lack-Auftrag, C. Polyurethanauftrag, D. Entformung I-Tafel der BMW AG

Gegenstand und Ziele des Projektes DBU-AZ 22635:

Entwicklung von trockenen, permanent trennwirksamen Beschichtungen für Formen zur Herstellung von Kunststoffteilen

Bei der Formgebung von Kunststoffteilen werden in der Großserienfertigung i.d.R. metallische Formen eingesetzt, die zur einwandfreien Entformung der Teile mit Trennmitteln versehen werden müssen. Nur mit dem Einsatz solcher Trennmittelsysteme können die gewünschten Oberflächeneigenschaften eingestellt und reibungslose Produktionszyklen bei guten Werkzeugstandzeiten gewährleistet werden. Trennmittelsysteme werden in Form von Lösungen oder Dispersionen üblicherweise auf die Oberfläche der Formteilwerkzeuge aufgesprüht. Diese Trennmittelsysteme bestehen aus trennaktiven Wirkstoffen und einem Trägermedium, i.d.R. organischen Lösemitteln oder Wasser. Nach dem Entformungsvorgang verbleibt meistens Trennmittel auf dem Fertigteil, so dass Reinigungsprozesse angeschlossen werden müssen, um Schwierigkeiten in nachgeschalteten Fertigungsschritten zu vermeiden, z.B. beim Kleben, Lackieren, Kaschieren oder Metallisieren. Die nach dem Stand der Technik eingesetzten Trennmittelsysteme beeinträchtigen die Gleichmäßigkeit der Entformungsergebnisse und der Oberflächenqualität. Weiter emittieren Lösungsmittel-haltige Trennmittelsysteme erhebliche Mengen an Lösemitteln in die Umwelt. Diese Probleme waren der Anlaß, mit dem vorliegenden Forschungsvorhaben in wichtigen Marktbereichen, eine Problemlösung entwickeln zu wollen.

Die von IFAM und ACMOS gemeinsam im Patent PCT/DE0102112 dokumentierten plasmapolymeren Trennschichten für die einfache und zerstörungsfreie Entformung von Kunststoffen führten in Langzeitversuchen bei Entformungsprozessen im Laufe von mehreren hundert Entformungen ohne den Einsatz von sonstigen Trennhilfen (Trennmitteln) zu einer irreversiblen Verringerung der Trennwirkung bis hin zur Zerstörung des Formteils während des Entformungsprozesses. Diese unzureichende Stabilität der Trennschicht verhindert bislang die industrielle Einführung dieser umweltfreundlichen und Ressourcen schonenden Innovation.

Zielsetzung des durch die DBU geförderten Vorhabens ist die Entwicklung trockener Beschichtungen an Formwerkzeugen in der Kunststoffindustrie mit permanenter Trennwirksamkeit bei hohen Werkzeugstandzeiten. Grundsätzlich soll das Projekt einen wichtigen Beitrag zum produktionsintegrierten Umweltschutz in einem bedeutenden Marktsegment der Kunststoffindustrie leisten. Die Umweltrelevanz des Forschungsvorhabens wird an der primär ins Auge gefassten Zielgruppe der Hersteller von Polyurethan-Formteilen für die Automobilindustrie deutlich, wo weltweit jährlich ca. 10 Mio. Tonnen verarbeitet werden. Hiervon werden ca. 20 % in der Automobilindustrie verarbeitet, wobei der Formschaumanteil bei über 95 % liegt. Bei angenommen 50 g Trennmittel pro kg Schaum ergibt sich ein weltweiter Trennmittelverbrauch von ca. 100.000 t. In Europa liegt der Anteil des Weltverbrauchs bei 30 %, der Trennmittelverbrauch also bei ca. 30.000 t. Die lösemittelhaltigen Trennmittel haben einen Anteil von ca. 80 %, der Wirkstoffanteil liegt bei 10 %. Allein in der europäischen PUR-Industrie, welche die Automobilindustrie beliefert, liegt die Emission organischer Lösemittel mithin bei 20.000 t Kohlenwasserstoffen pro Jahr. Das schrittweise mit der Trockenbeschichtung zu reduzierende Volumen erhöht sich insgesamt noch um die anderen PUR verarbeitenden Industriezweige, soweit Formteile hergestellt werden.

Neben den Entformungen von Polyurethan-Schäumen kann es bei einer Vielzahl anderer Kunststoffsysteme durch den Einsatz der ACMOS Trennschicht zur Vermeidung von Lösemittelemissionen kommen.
Erfolgreiche Beispiele sind die Entformung von gegossenen Polyester-Lacken nach UV-Härtung sowie für die trennmittelfreie Entformung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK).
Neben der Vermeidung von Lösemittel-Emissionen durch Trennmittel zeichnet sich die neuartige Trennschicht durch weitere positive Effekte auf die Ökobilanz der Fertigung von Kunststoffteilen aus. Beispielsweise ergeben sich dadurch, dass weder die Formbauteile noch die Formen von Trennmittelresten bzw. –rückständen gereinigt werden müssen, je nach System folgende Einsparungen:

• Weitere Vermeidung von Lösemittel-Emissionen
• Vermeidung hochätzender gesundheitsschädlicher Beizen
• Vermeidung von Staub- und Lärmemissionen durch mechanische Reinigungsverfahren

Neben der oben ausgeführten Mengenbetrachtung im Hinblick auf die Ökobilanzierung spricht für die Entwicklung alternativer Trennverfahren die zukünftige Gesetzeslage. Im Jahr 2007 müssen die VOC-Richtlinie und die TA-Luft umgesetzt werden. Die VOC-Richtlinie wird den Lösemittelverbrauch ab einer Höchstgrenze von 5 t Lösemittel/Jahr mit so hohen Auflagen versehen, dass dies praktisch einem Verwendungsverbot gleichkommt. Nach der TA-Luft werden zukünftig die organischen Lösemittel ohne Gefahrenpotential von 150 mg/cbm auf 50 mg/cbm begrenzt.

Durch den angestrebten Vermeidungseffekt beim Einsatz von Lösemitteln werden nicht nur künftige Auflagen über VOC-Richtlinie und TA-Luft unterschritten, sondern es werden darüber hinaus in den angestrebten Marktbereichen bei erfolgreicher Projektdurchführung auch künftige Verschärfungen der Umweltauflagen diese Fertigungsbereiche nicht gefährden. Der Einfluss des Projektes auf Stoff- und Energieströme erstreckt sich auf

• die Herstellung lösemittelhaltiger Trennmittelsysteme
• die Verarbeitung lösemittelhaltiger Trennmittelsysteme
• Auftragung, Trocknung
• Entfernen von Resten (Reinigung), Trocknung
• die Herstellung plasmapolymerer Trennschichten
• Materialeinsatz
• Energiebedarf

Der Lösungsansatz zur Realisierung der Projektziele liegt in der Entwicklung eines innovativen Fertigungsprozesses unter Anwendung der Plasmatechnik. Das für dieses stark grundlagenbezogene Forschungsgebiet erforderliche Know-how wird über das Fraunhofer-Institut IFAM eingebracht, welches im Arbeitsgebiet Oberflächen in den vergangenen ca. 15 Jahren in umfangreichen Forschungsvorhaben Plasmaprozesse erforscht und eine Reihe neuer Anwendungstechniken für Prozesse und Anlagen entwickelt hat.

ACMOS und IFAM entwickelten gemeinsam Basisbeschichtungen, die für einige Anwendungen erfolgversprechende Trennwirkungen zeigten. Die bei der wirtschaftlichen Verwertung erforderlichen hohen Standzeiten mit guter Reproduzierbarkeit der Prozessergebnisse konnten jedoch noch nicht erreicht werden.

Mit der Zielsetzung der Realisierung für Reaktionsschäumsysteme, die sehr komplexe Anforderungen stellen, wird ein neuer FuE-Themenbereich definiert, in dem vor der praktischen Umsetzbarkeit noch grundlegende Forschungsarbeiten zu leisten sind.

So sind Strukturmodelle der oberflächennahen Bereiche der Trennschichten aus Ergebnissen der Oberflächenanalytik zu entwickeln, um gezielt reaktive Zentren aufzuspüren und durch geeignete Reaktionen zu beeinflussen. Prinzipiell werden als Lösungswege die Vermeidung von Fehlstellen durch geeignete Plasma-Prozessbedingungen sowie die nachträgliche chemische Absättigung verfolgt. Für die umfangreichen Schäumversuche im Laufe des Vorhabens werden im Zusammenspiel mit den im IFAM vorhandenen Labor- und Technikumseinrichtungen die Oberflächenbehandlung der Werkzeuge und die Versuchsserien in Zusammenarbeit mit produzierenden Unternehmen der Kunststofftechnik durchgeführt.

Mit dieser engen Zusammenarbeit soll gleichzeitig erreicht werden, dass die Ergebnisse vom Labor- über den Technikumsmaßstab einer Bewertung zugeführt werden, welche die anschließende zügige Umsetzung in den Maßstab der wirtschaftlichen Fertigung ermöglicht.

Es wurden von ACMOS und IFAM gemeinsam Basisbeschichtungen entwickelt, die für einige Anwendungen erfolgversprechende Trennwirkungen zeigten. In einem gemeinsamen Vorentwicklungsprojekt mit der BMW AG wird diese Formenbeschichtung für einen zukünftigen Serieneinsatz erprobt. Auch dies zeigt noch einmal das hohe technische und wirtschaftliche Umsetzungs- und Realisierungspotential.

Die BMW-AG wird freundlicherweise ACMOS bei der Präsentation des Projektes durch Bereitstellung von Exponaten in Form von Produktionswerkzeugen und fertigen Kunststoffbauteilen auf der "Woche der Umwelt" unterstützen. Durch die Exponate, Bilder und Schautafeln können dem Besucher der "Woche der Umwelt" zusätzlich zur personellen Betreuung, das Projekt anschaulich und gut verständlich näher gebracht werden.