Lubomír Zeman: Spritzgießen und Oberflächenqualität, Teil 3

Oberflächenbehandlungen – Polieren, spanlose Verfahren, Narben

Nach spanenden technologischen Prozessen verbleiben auf der Oberfläche des Formeinsatzes üblicherweise Spuren des Bearbeitungswerkzeugs oder -prozesses. Diese Spuren werden beim Formgebungsprozess als negative Form auf die Oberfläche des Spritzgießteils übertragen, was bei der Entformung des Teils und oft auch aus Designgründen störend wirkt. Daher werden die Formeinsätze entsprechend den Kundenanforderungen an die Oberflächen angepasst: ohne zusätzliche Bearbeitung, auf polierte Oberflächen und auf genarbte Oberflächen – durch Erzeugung von Strukturen auf der Oberfläche der Formeinsätze.    

Narben, glänzende oder matte Oberflächen auf Spritzgießteilen aus Thermoplasten entstehen üblicherweise durch Kopieren der Oberflächenstruktur der Spritzgießwerkzeug-Formeinsätze. Zur Erzeugung einer genarbten Oberflächenstruktur des Werkzeugs können je nach spezifischer Anforderung eine Reihe von Technologien genutzt werden – Polieren, Funkenerodieren, fotochemisches Ätzen, Lasertexturierung, Sandstrahlen, Gravieren usw.

An die Art und Tiefe der Narbung müssen die Entformungsschrägen der Teilwände angepasst werden, wobei zur Entformungsschräge für den Auswerfer die Schräge für die Entformung der Narbung hinzuzurechnen ist. Dabei gilt die Empfehlung, die Auswerferschräge um 1° pro 0,015 mm bis 0,020 mm Narbentiefe zu vergrößern. Die Narbung stellt eine Tiefe dar, mit der normierte Maßtoleranzen und geometrische Abweichungen nicht rechnen, wobei die Tiefe der Narbungen, beispielsweise bei lasererzeugten Narben, in der Größenordnung von Zehntelmillimetern oder mehr liegen kann. 

Polieren

Polieren ist üblicherweise der letzte Arbeitsgang nach der Bearbeitung und dem Einpassen der Formeinsätze der Spritzgießwerkzeuge, wodurch kleine Unebenheiten entfernt und die gewünschte Oberflächengüte erreicht wird – technischer oder Hochglanz, Qualität der bearbeiteten Oberfläche (bis Ra < 0,1 μm). Im Gegensatz zum Schleifen handelt es sich um einen geringen Materialabtrag, bei dem lediglich die Spitzen der Unebenheiten aus der vorherigen Bearbeitung entfernt werden. Wir unterscheiden drei grundlegende Poliermethoden:

• mechanisches Polieren – wird bei der Werkzeugherstellung am häufigsten eingesetzt, erfolgt manuell oder maschinell; das Prinzip ist der Materialabtrag des polierten Teils auf mechanischem Weg durch Einwirkung von Körnern harter Schleifmittel, die fest am Polierwerkzeug haften oder frei zwischen Werkzeug und dem zu bearbeitenden, polierten Teil aufgetragen sind 
• chemisches Polieren – die Methode basiert auf dem Materialabtrag durch chemische Einwirkung einer geeigneten Lösung, die auf die Oberfläche des Teils wirkt; es kommt zu einer chemischen Reaktion, bei der Material an den Spitzen der Oberflächenunebenheiten entfernt wird 
• elektrochemisches Polieren – der Materialabtrag erfolgt durch elektrochemisches Auflösen der Spitzen der Oberflächenunebenheiten; das polierte Bauteil ist die Anode, die in ein geeignetes Elektrolytbad zwischen Kathoden eingetaucht wird, die in Bezug auf die Werkstückform geeignet positioniert sind 

Technisches Polieren erfolgt beispielsweise als Oberflächenvorbereitung für eine fotochemische Narbung, für lasererzeugte Narben, vor dem Lackieren, vor dem Beschichten oder als Endbearbeitung der Oberfläche für eine gute Entformung des Teils aus der Formkavität. Das Polieren erhält die Maß- und Formgenauigkeit des Teils. Poliert werden sowohl metallische Werkstoffe als auch Aluminiumlegierungen, Gusseisen, Kupfer- oder Graphitelektroden.

Ein gewisses Problem entsteht bei der verbalen Ausdrucksweise der Glanzqualität – technischer Glanz, Hochglanz und Hochglanz (Spiegelglanz):

• technischer Glanz – Entfernung von Bearbeitungsspuren – spanend, elektroerosiv – wird vor allem zum Polieren von Formoberflächen in Entformungsrichtung der Teile verwendet, Ra-Wert ca. 0,8 μm
• Hochglanz – Sichtteile der Spritzgießteile, gegebenenfalls aus Sicht der Entformung problematische Rippen, Ra ca. 0,4 μm
• Spiegelglanz – bei Anforderungen an hochwertige Sichtflächen und optische Teile, Ra ca. 0,04 μm

Manchmal wird die Polierqualität als Körnung des Schleifmittels angegeben, zum Beispiel:

• Polieren für die anschließende Narbung der Teiloberflächen – Körnung 220 bis 400, Ra 0,51 μm bis 0,32 μm
• Polieren für die anschließende Lackierung der Teiloberflächen – Körnung 400, Ra 0,32 μm
• Polieren für die anschließende Verchromung der Teiloberflächen – Körnung 800, Ra 0,14 μm

Das Polieren von Formeinsätzen erfolgt meist manuell unter Verwendung verschiedener Poliermaterialien und Handpoliermaschinen. Vor dem Polieren ist immer der Glanztyp anzugeben – aus einem technisch polierten Teil kann durch weiteres Vorgehen ein Teil mit Hochglanz hergestellt werden, aber beim Polieren auf Spiegelglanz muss eine dem gewünschten Glanz entsprechende Poliertechnologie verwendet werden. Falls das Teil bereits technisch poliert ist, muss die Oberfläche aufgeraut werden und erst dann kann mit dem Polieren auf Spiegelglanz begonnen werden, was üblicherweise Mitarbeiter spezialisierter Polierfirmen durchführen.

Schleifpapiere

Schleifpapier, Schmirgelpapier, Sandpapier – verschiedene Bezeichnungen für denselben Helfer, der aufgrund seiner Eigenschaften und Ausführung in der Lage ist, Material oder Verunreinigungen bzw. Oberflächenschichten effektiv zu entfernen, Oberflächen für die weitere Verarbeitung vorzubereiten oder hochwertige Oberflächen zu erzeugen.

Die Frage, was Schleifpapier ist, lässt sich recht einfach beantworten: Auf einem Träger, bei dem es sich meist um dünnen Karton oder ein synthetisches (synthetisch – durch industrielle Synthese hergestellt, Gegensatz zu Stoffen, die in lebenden Organismen natürlich durch Biosynthese entstehen; vom Menschen erschaffen, im Gegensatz zum natürlichen Ursprung) Vlies oder Baumwollgewebe handelt, sind mittels eines Bindemittels – verschiedene Arten von Kunstharzen – Schleifkörner aufgeklebt, die mit einer antistatischen Schicht gegen das Anhaften von Staubpartikeln überzogen sind.    

Das Material der Schleifkörner bestimmt die Eignung des Schmirgelpapiers für die jeweilige Art der Arbeit und das zu bearbeitende Material. Am häufigsten bestehen die Schleifkörner aus:

• Korund (Aluminiumoxid Al2O3), das zum Schleifen von Holz, Kunststoffen, Metallen und anderen Materialien geeignet ist
• Siliziumkarbid (SiC, Karborundum), das für die Bearbeitung harter Materialien wie Metalle, Keramik oder Glas geeignet ist
• Siliziumkarbid (Quarz), geeignet zum Schleifen von Holz, Kunststoffen und Metallen
• Almandin (Granat), bestimmt zum Schleifen von Metallen, Holz oder Kunststoffen
• Keramik zum Schleifen von Metallen (hinterlassen eine rauere Oberfläche)
• Diamant zum Schleifen der härtesten Materialien
• kubischem Bornitrid (CBN) zum Schleifen von gehärteten Materialien oder Werkzeugstahl 

Ein entscheidender Parameter für das Erreichen der gewünschten Ergebnisse ist die Körnung (Grit), die Abstufung des Schleifpapiers (Körnung ist ein bei allen Schleifmitteln verwendeter Begriff). Gemäß der Federation of European Producers of Abrasives – ISO / FEPA – ist die Körnung des Schleifmittels eine Zahl, die die Anzahl der Siebmaschen pro Zoll (1“ = 25,4 mm) angibt, durch die das Schleifmittel beim Sieben fällt. Zu der genannten Zahlenbezeichnung wird üblicherweise der Buchstabe P und der Begriff „GRIT“ hinzugefügt. Es gilt: Je höher die Körnungsbezeichnung, desto feiner ist der Schliff, und umgekehrt: Je niedriger die Körnungszahl, desto gröber ist das jeweilige Schleifpapier:

• P12 – P100 – diese Papiere haben große Körner und werden zum Entfernen starker Materialschichten und zum Formen abgenutzter Oberflächen verwendet 
• P100 – P180 – sie sind ideal zum Entfernen verschiedener Verunreinigungen und zur Bearbeitung bereits geformter Oberflächen
• P200 – P800 – die mittlere Körnung des Papiers eignet sich zum Glätten von Oberflächen, Mattieren und zur Lackkorrektur oder Materialvorbereitung vor dem Lackieren
• P1000 – P2500 – sie werden ausschließlich zum Polierschleifen, für kosmetische Änderungen oder Retuschen genutzt 

Die Körnung von Schmirgelpapier wird nach FEPA sprachlich wie folgt bezeichnet:

• grob (Körnung 7, 8, 10, 12, 14, 16, 20, 22, 24, 30) – Beispiel Grit P 12 = durchschnittliche Korngröße beträgt 1 815 µm = 1,815 mm
• mittel (Körnung 36, 40, 46, 54, 60)
• fein (Körnung 70, 80, 90, 100, 120)
• sehr fein (Körnung 150, 180, 220, 240)
• besonders fein (Körnung 280, 320, 400, 500, 600)
• extra fein (800, 1000, 1200, 2500) - Beispiel Grit P 2500 = durchschnittliche Korngröße beträgt 8,4 µm = 0,0084 mm

Weitere verwendete Normen zur Angabe der Körnung sind die amerikanische ANSI – American National Standards Institute – mit einer Zahlenbezeichnung von 12 bis 1000 und die japanische JIS – Japanese Industrial Standards Committee. Die FEPA-Kennzeichnung ist identisch mit der Norm ISO 6344-1,2,3:1998 – Teil 1 Korngrößenverteilungsprüfung; Teil 2 Schleifmittel – Korngrößenanalyse – Bestimmung der Korngrößenverteilung von Makrokörnern P12 bis P220 – Teil 3 Schleifmittel – Korngrößenanalyse – Bestimmung der Korngrößenverteilung von Makrokörnern P240 bis P2500.
Eine wichtige Rolle spielt neben der Körnung auch die Streudichte des Schleifmittels, also wie dicht die Schleifkörner auf dem Papier aufgetragen sind:

• ist das Papier über die gesamte Fläche mit Körnern besetzt, handelt es sich um eine Vollstreuung, die für die Metallbearbeitung geeignet ist
• wenn das Papier zu 70 – 80 % mit Schleifkörnern besetzt ist, handelt es sich um eine halb-offene Streuung, die zum Schleifen von Hartholz geeignet ist
• bei einer Besetzung von nur 50 % sprechen wir von einer offenen Streuung, und ein solches Schleifpapier eignet sich zum Schleifen harzreicher Weichhölzer oder zum Entfernen alter Anstriche

Eine wichtige Rolle spielt auch, ob wir das Schleifpapier trocken oder nass verwenden. Beim Nassschliff ist es ratsam, eine etwas gröbere Körnung als beim Trockenschliff zu wählen, wobei man bedenken sollte, dass das Schleifpapier vor dem Nassschleifen einige Minuten in Wasser eingeweicht werden muss. Und vergessen wir nicht, dass für den Nassschliff vorgesehene Schleifpapiere nicht für den Trockenschliff geeignet sind. 

Für die Kennzeichnung von Diamantschleifmitteln wird in Europa die Körnung gemäß der Norm 
ISO 6106:2013 Abrasive products — Checking the grain size of superabrasives; Schleifmittel – Prüfung der Korngröße von Superabrasiven verwendet. Die Norm gibt den mittleren Durchmesser des Diamantkristalls in Mikrometern an, wobei vor der Zahlenbezeichnung der Buchstabe D steht – ein Beispiel ist in Tabelle 5 zu finden. Wie aus der Tabelle ersichtlich, ist die Kennzeichnung bei Diamantschleifmitteln umgekehrt zu Schleifpapieren – je höher die Zahl in der Bezeichnung, desto gröber ist das Korn.

Tabelle 5: Diamantschleifmittel – Bezeichnung und mittlere Korngröße des Diamantkristalls

Fotochemisches Narben 

Die Grundlage der fotochemischen Bearbeitung, der Erzeugung von genarbten Oberflächen, besteht im kontrollierten Abätzen von Material des Formeinsatzes bis zu einer Tiefe in der Größenordnung von einigen Hundertstelmillimetern bis zu einigen Zehntelmillimetern (bis ca. 0,2 mm). Das Prinzip ist eine chemische Reaktion zwischen dem Werkstückmaterial und der reaktiven Umgebung des Bades, in das das Werkstück eingetaucht wird. Auf die Stellen, die während des Ätzprozesses nicht angegriffen werden sollen, werden spezielle Beschichtungen – Masken – aufgetragen, die das Werkstückmaterial vor der Wirkung der reaktiven Umgebung des Ätzbades schützen; so entstehen Erhöhungen und Vertiefungen auf der Oberfläche des Formeinsatzes – die Narbung.

Beim fotochemischen Narben wird das folgende Verfahren durchgeführt:

• Definition der Narbung oder deren Erstellung, Generierung (Erstellung nach bestimmten Regeln) – spezialisierte Unternehmen, die auftragsbezogenes fotochemisches Narben durchführen, verfügen über Narbenmusterkataloge; einzelne Automobilhersteller, die diese Narbungen am häufigsten für ihre Kunststoff-Interieurteile verwenden, haben ihre genehmigten Narbentypen; in Zusammenarbeit mit Narbungsunternehmen werden neue Typen erstellt
• Aus der Definition der Narbung wird ein Fotonegativ im Maßstab 1 : 1 erstellt 
• Das zu narbende Teil wird perfekt gereinigt, die zu narbende Fläche wurde technisch poliert, und es wird eine lichtempfindliche Substanz aufgetragen – Fotolack – eine Schutzmaske, eine gegenüber der Umgebung des Ätzbades beständige Schicht, die lichtempfindlich ist 
• Das erstellte Fotonegativ mit der Definition der Narbung wird auf den Fotolack gelegt und mit ultravioletter Strahlung belichtet, wodurch die Maske an den gewünschten Stellen ausgehärtet wird und die nicht ausgehärtete Beschichtung von der Fläche entfernt wird 
• Im Reaktionsbad werden die ungeschützten Stellen mit einer Geschwindigkeit von ca. 0,01 mm/min bis 0,05 mm/min abgeätzt
• Nach dem kontrollierten Abätzen wird das Teil von der Maske befreit, gereinigt und eine Kontrolle der Narbung durchgeführt
• Aufgrund der Narbung sehr vieler unterschiedlicher und verschiedenartiger Formen handelt es sich in größtem Maße um Handarbeit, die eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt         

Aus dem beschriebenen technologischen Ablauf des fotochemischen Narbens ergibt sich auch eine gewisse Einschränkung dieser Narbungstechnologie – sehr schwierig bzw. ohne Garantie lassen sich Rippen von Spritzgussteilen fotochemisch narben, die sich auf deren Sichtflächen befinden. Bei einer solchen Lösung der Sichtfläche ist immer die Möglichkeit des Narbens mit der entsprechenden Narbungsabteilung zu konsultieren. 

Eine Auswahl aus dem Musterkatalog fotochemischer Narbungen der Firma Mold-Tech Standex Bohemia, Liberec ist in Abbildung 21 zu sehen. Abbildung 22 zeigt den Ablauf eines ähnlichen technologischen Prozesses der Struktur- bzw. Narbenerzeugung – chemisches Ätzen. Bei beiden Verfahren wird der gewünschte Glanz durch Sandstrahlen erreicht. 

Abbildung 21: Beispiele für fotochemisch geätzte Narbungen

Abbildung 22: Prinzip der chemischen Erzeugung von Narbungen auf der Oberfläche von Formeinsätzen für Spritzgießwerkzeuge

Elektroerosives Narben

Unter den Begriff elektroerosive Bearbeitung (EDM – Electro Discharge Machining) fallen mehrere konkrete Methoden, deren gemeinsames physikalisches Prinzip der Materialabtrag durch Abschmelzen und Verdampfen mittels sich wiederholender elektrischer oder Lichtbogenentladungen ist. Es entstehen hier keine Späne wie bei der klassischen Zerspanung mit Schneidwerkzeugen, es ist ein Prozess ohne Anwendung von jeglichen Schnittkräften.

Voraussetzung für die Funkenerosion ist, dass das Werkstück aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen muss. Die Bearbeitung basiert auf dem Prinzip zweier Elektroden, von denen eine das Werkstück (Anode) und die andere das Werkzeug (Kathode) bildet. Beide Elektroden sind in eine dielektrische Flüssigkeit (Flüssigkeit mit hohem elektrischen Widerstand wie Maschinen- oder Transformatorenöl, Petroleum, verschiedene Salzlösungen und andere) eingetaucht und durch einen Funkenspalt getrennt. Das Schema der Funkenerosion ist in Abbildung 23 dargestellt.

Abbildung 23: Schema der Funkenerosion, Cu-Elektrodensatz, Funkenerosion

Der Materialabtragsprozess beruht auf Impulsentladungen, die über die gesamte aktive Fläche des Werkzeugs – der Elektrode – verteilt sind. Bei jeder Entladung kommt es zu einer Materialschädigung und zur Bildung eines kleinen Kraters sowohl am Werkstück als auch am Werkzeug. Die Mikropartikel, die während des Prozesses sowohl von der Werkzeugelektrode als auch vom Werkstück abgeschmolzen und verdampft werden, werden durch das strömende Dielektrikum von der Entladungsstelle weggeschwemmt. Bei einigen Verfahren kann die Werkzeugelektrode schwingen, was die Strömung des Dielektrikums und das Wegschwemmen der entstandenen Mikropartikel aus dem Funkenspalt verbessert.

Die Temperatur, bei der die Materialverdampfung erfolgt, unterscheidet sich je nachdem, ob ein Lichtbogen (Temperatur 3 600 °C bis 4 000 °C für eine Dauer von 0,1 ms bis 0,1 s) oder eine Funkenentladung (Temperatur bis 10 000 °C für eine Dauer von 0,01 ms bis 0,1 ms) verwendet wird. Die Abhängigkeit der Rauheit von der Entladungsdauer zeigt Abbildung 24.

Abbildung 24: Abhängigkeit der Oberflächenrauheit von der Entladungsdauer

Das Senkerodieren ist die grundlegende Methode der EDM-Bearbeitung. Beim Senken bewegt sich die Elektrode auf das Werkstück zu, während der gleichbleibende Abstand zwischen der Werkstückoberfläche und der Werkzeugelektrode beibehalten wird; der Funkenspalt bewegt sich im Bereich von 0,01 mm bis 0,50 mm. Die Werkzeugelektrode weist auf ihrer Arbeitsfläche ein Negativ der gewünschten Bauteiloberfläche nach der Bearbeitung auf; durch die Entladung und den Vorschub der Elektrode in das Werkstück wird deren Form auf das Werkstück kopiert.

Das funkenerosive Narben ist ein nach demselben Prinzip und Fertigungsverfahren wie das Senkerodieren durchgeführter Endbearbeitungsvorgang, dessen Aufgabe es ist, auf der bearbeiteten Oberfläche eine Narbung zu erzeugen.

Die elektrischen oder Lichtbogenentladungen zwischen der Werkzeugelektrode und der bearbeiteten Oberfläche erzeugen dort Krater, die bei Verwendung einer entsprechend bearbeiteten Elektrode eine bestimmte Tiefe und Struktur aufweisen können. Auf diesem Weg ist es somit möglich, auf der Oberfläche eines Spritzgussteils eine definierte Rauheit – eine Narbung – zu erzeugen.

Die Definition der mittels Funkenerosion erzeugten Narbung basiert auf der deutschen Norm VDI 3400 „Electrical Discharge machining: Definitions, Process, Application“ aus dem Jahr 1975 (VDI = Verein Deutscher Ingenieure). Diese Norm definiert 46 Rauheitsgrade von Grad 00 (Ra 0,1 µm) bis Grad 45 (Ra 18 µm).

Um eine universelle Verwendung von erodierten Narbungen zu gewährleisten, wurde eine Referenztabelle erstellt – VDI 3400 Ref. XX – wobei XX die Nummer der spezifischen VDI-Narbung gemäß Tabelle ist. Der Erodier-Narbungsmusterkatalog enthält Narbungen der VDI 3400-Skala, und zwar: 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 42, 45; er umfasst Rauheiten von Ra 0,4 µm bis 18 µm – Tabelle 6 und Abbildung 25.

Tabelle 6: VDI 3400 Ref. xx – Vergleich der Erodier-Narbungsnummer mit dem Oberflächenrauheitswert Ra

Abbildung 25: Erodier-Narbungsmusterkataloge gemäß VDI 3400 Ref. xx

In der Fachliteratur lassen sich Umrechnungstabellen oder Diagramme finden, die die Beziehungen zwischen den einzelnen Rauheitswerten definieren, welche durch verschiedene Methoden ermittelt und berechnet wurden. Verfügbar ist auch eine Tabelle zur Umrechnung der Rauheitswerte gemäß dem Musterkatalog des Schweizer EDM-Maschinenherstellers Charmilles in Ra-Werte – siehe Tabellen und Diagramm in Abbildung 26.

Abbildung 26: Diagramm und Tabellen mit Rauheitsumrechnung: 1 – obere Grenze für Rz; 2 – obere Grenze für Ra

Laser-Narbung

Einer der Vorteile der Lasertechnologien ist generell, dass sie für die Oberflächenbehandlung durch Gravieren (Materialabtrag von der Oberfläche) und Beschriften praktisch für alle Materialien geeignet sind – alle metallischen Werkstoffe, einschließlich oberflächenbehandelter Teile, Nichteisenmetalle, Kunststoffe, Graphit, Glas, Holz, Leder, Keramik, Papier, Gummi, Silikon, Mineralien usw.

Lasertechnologien dienen dazu, auf einer Arbeitsfläche ein unlöschbares grafisches oder sonstiges Motiv zu erzeugen. Das Motiv wird durch die thermische Einwirkung eines Laserstrahls erzeugt, der eine Schicht des Materials in einer bestimmten Dicke von der Werkstückoberfläche abträgt (das Material des Werkstücks verdampft) oder die Oberfläche härtet und dadurch einen visuellen Effekt erzeugt, wobei durch Ändern der Strahlparameter die Qualität der Beschriftung, Textur usw. variiert werden kann. Der Vorteil liegt darin, dass der Prozess kontaktlos abläuft und das übrige Material nicht beeinflusst wird, außer an der Auftreffstelle des fokussierten Laserstrahls. Neben Beschriftungen können auch verschiedene Reliefs und Narbungen erstellt werden, deren Tiefe bis zu mehrere Millimeter betragen kann.

Je nach Komplexität des Narbungsmotivs wird zwischen 2D-Gravieren, bei dem der Boden der Gravur auf dem bearbeiteten Teil eine konstante Tiefe aufweist, und 2,5D-Gravieren, bei dem ein mehrstufiges Motiv erstellt werden kann, unterschieden. Diese Technologie ermöglicht es auch, ein so feines Detail wie die Rauheit des gewünschten Motivs zu beeinflussen. Muster von laserbearbeiteten Oberflächen zeigt Abbildung 27.

Abbildung 27: Beispiele von Oberflächen – mittels Lasertechnologie erzeugte Narbungen

Ein gewisser Nachteil bei der Erzeugung von lasergebrannten Narbungen ist die Notwendigkeit einer computergestützten Definition der Narbung, die zur Steuerung des Bearbeitungslasers dient, sowie der Zeitaufwand für die Erzeugung der Narbung, der von deren Komplexität und Tiefe abhängt – die Narbung entsteht durch punktweises Verdampfen des Formnestmaterials. Da der Laserstrahl, der als Träger der Bearbeitungsenergie dient, für die Verdampfung des Grundmaterials verwendet wird, muss mit Formbeschränkungen gerechnet werden – auf die Oberfläche tiefer oder anderweitig verdeckter Konturen gelangt der Laserstrahl nicht.

Spanlose Fertigungsverfahren

Spanlose Fertigungsverfahren verlieren derzeit mehr oder weniger an Bedeutung und werden durch andere Arten der Oberflächengestaltung ersetzt.

Spanlose Verfahren beruhen auf einer plastischen Verformung der Oberflächenschicht des Werkstücks und zielen bei der Herstellung von Formteilen für Spritzgießwerkzeuge darauf ab, die Oberflächenqualität der Teile zu verbessern und deren Struktur zu erzeugen – die genarbte Oberfläche. Die plastische Verformung reicht bis in eine Tiefe von wenigen Millimetern. Infolgedessen verbessern sich die Parameter der Oberflächenstruktur und deren Festigkeit sowie Härte nehmen zu. In der Oberflächenschicht entstehen günstige Eigenspannungen, die Dauerfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit steigen.

Das am häufigsten verwendete spanlose Verfahren zur Oberflächenbehandlung ist das Strahlen – das Werfen von Strahlmitteln gegen die Bauteiloberfläche. Zu den spanlosen Verfahren zählen ferner das Kugelstrahlen (Werfen von Metall- oder Keramikkugeln gegen die Oberfläche des Formteils), das Glasperlenstrahlen (Werfen von Glasmikrokugeln). Zur gleichen Gruppe gehört auch das Rollieren (Oberflächenbearbeitung des Werkstücks durch ein rotierendes Formwerkzeug – Kugel, Rolle, Tonne bei rollender Reibung) sowie das Glätten (Oberflächenbearbeitung mit einem festen Diamant-Stichel bei gleitender Reibung).

Strahlen, Kugelstrahlen und Glasperlenstrahlen sind, wie bereits erwähnt, Methoden, die auf dem Prinzip des Werfens aktiver Partikel – Schleifkörner verschiedener Formen, Größen und aus verschiedenen Materialien (organisch und mineralisch), Metall-, Gusseisenkugeln (Durchmesser 0,3 mm bis 3 mm), Glas-, Keramikkugeln (Durchmesser 0,03 mm bis 0,8 mm) – gegen die zu behandelnde Oberfläche des jeweiligen Teils mittels eines Druckluftstroms (am häufigsten) oder Flüssigkeitsstroms basieren. Aktive Partikel aus mineralischen Materialien, Metall oder Gusseisen hinterlassen auf der bearbeiteten Oberfläche Abriebspuren.

Die erreichte Oberflächenrauheit liegt im Bereich von Ra 0,8 μm bis 1,6 μm. Die Strahlpartikel können mit einer Geschwindigkeit von bis zu 150 m.s-1 auf die Oberfläche treffen.

Strahltechnologien werden zum Narben der Oberflächen von Formteilen, zu deren eventueller Reinigung und zur Nachbearbeitung des Glanzes von Oberflächen verwendet, die durch andere Methoden, beispielsweise fotochemisch, genarbt wurden.

Das Strahlen erfolgt üblicherweise manuell in Strahlkabinen; Flächen, die nicht gestrahlt werden sollen, müssen geschützt oder maskiert werden. Der Nachteil des manuellen Strahlens ist die Abhängigkeit der Oberflächenqualität vom menschlichen Faktor.

Reinigung, Entfettung und Korrosionsschutz von Werkzeugoberflächen – Formteile mit bearbeiteten, glänzenden oder genarbten Oberflächen

Ich habe bereits im vorherigen Text erwähnt, dass diese Oberflächen vor den Technologien, die die Oberflächenqualität erzeugen, sauber und in einigen Fällen auch entfettet sein müssen. Nach der Oberflächenbehandlung sind die Oberflächen der Formnester von Spritzgießwerkzeugen poliert, genarbt oder für eine gute Entformung des Spritzgießteils angepasst. Die Oberflächen verschmutzen häufig durch freiwerdende Ausdünstungen der gespritzten Kunststoffe und weitere Verunreinigungen wie Schmiermittelrückstände, Rückstände von abgebautem Material usw. Das Ergebnis dieser Prozesse ist ein fehlerhaftes Spritzgießteil und die Möglichkeit dessen Lieferung an den Kunden beziehungsweise Reklamationen der Spritzgießteile oder der gesamten gelieferten Charge.

Eine unvollständige Entfernung von Rückständen und Verunreinigungen ermöglicht zudem die Entstehung von Korrosion, und zwar auch unter dem schützenden Konservierungsfilm. Korrosion kann auch dann entstehen, wenn ein Korrosionsschutzmittel auf eine feuchte Werkzeugoberfläche aufgetragen wird.

Wenn die Entfettung perfekt ist, besteht die Gefahr der Korrosion der Werkzeugoberflächen durch Luftfeuchtigkeit. Daher ist es notwendig, den Korrosionsschutz der Werkzeugoberflächen immer so schnell wie möglich aufzutragen.

Methoden zur Entfernung von Verunreinigungen: mechanisch; lösungsmittelbasiert; Trockeneisstrahlen; Ultraschall; Laser; thermisch.

Zur Entfettung insbesondere glänzender Oberflächen ist es notwendig, Entfettungsmittel zu verwenden, die schnell verdampfen und auf der Oberfläche keine Schlieren (fremde Beimischungen in den Lösungsmitteln) hinterlassen.

Nach der Herstellung von glänzenden, matten, genarbten und anderen Oberflächen verfügen diese Oberflächen über keinen Korrosionsschutz. In der Korrosionsschutzpraxis sind die wichtigsten Anforderungen die Zuverlässigkeit der Konservierung, das Kriechvermögen in feine Spalte und das Nicht-Ablaufen von vertikalen Flächen.

Konservierungsmittel, üblicherweise als Spray, was es sehr einfach macht, die gesamte geschützte Fläche mit einem trockenen und festen Film zu bedecken, werden auf die gereinigten und trockenen Werkzeugflächen aufgetragen. Einige Mittel ermöglichen auch eine visuelle Kontrolle des Auftrags des Konservierungsfilms, da sie eingefärbt sind.

Es ist vorteilhaft, solche Korrosionsschutzmittel zu verwenden, die nach dem Einbau des Spritzgießwerkzeugs in die Spritzgießmaschine nicht entfernt werden müssen. Beim Spritzgießen verhalten sich diese Mittel wie Trennmittel, die sich nach einigen Hüben von selbst von der Oberfläche der Formnester entfernen.

Ausgewählte Fehler und Mängel bei der Verwendung von Reinigungs-, Entfettungs-, Schmier-, Konservierungs- und Trennmitteln:

• nur Mittel verwenden, deren Zweck mit dem Zweck der Wartung des Spritzgießwerkzeugs identisch ist
• beim Schmieren – Sprays, Flüssigkeiten, Pasten, Trockenschmierstoffe – die angegebenen Regeln beachten: gemäß Schmierplan schmieren, dünner Film auf trockenem Untergrund, auf der gesamten Fläche – Anmerkung: Es handelt sich nicht um Brot mit Schmalz
• mechanische Reinigung – sämtliche Reinigungsmittel müssen aus weicheren und nicht abrasiven Materialien bestehen als das Material der gereinigten Werkzeugteile
• Korrosionsschutzmittel dürfen nicht auf nasse Flächen aufgetragen werden
• einige Korrosionsschutzmittel enthalten Wasser und sind daher für die Konservierung von Werkzeugen ungeeignet
• neue Mittel müssen für die jeweilige Anwendung immer getestet werden – beispielsweise können einige schnell verdampfende Mittel auf der Formoberfläche Schlieren hinterlassen
• nach der Entfettung der Oberflächen und Formkonturen kann es durch Luftfeuchtigkeit zur Korrosion der Oberflächen und Konturen kommen
• eine unvollständige Entfernung von Rückständen und Verunreinigungen ermöglicht die Entstehung von Korrosion auch unter dem schützenden Konservierungsfilm
• die verwendeten Mittel müssen immer eine Arbeitstemperatur haben, die höher ist als die Temperatur des Werkzeugs

Ende des dritten Teils. Fortsetzung: 16. 01. 2026

Den ersten Teil finden Sie hier.
Den zweiten Teil finden Sie hier.

Titelbild: R & D MOLD MACHINING s. r. o.