DE19937707C2 - Werkzeug-Oberflächen mit definierter Mikrostruktur zur Abweisung von Ablagerungen - Google Patents

Abstract

Die Oberflächen von Werkzeugen, Maschinen und Arbeitsgerätschaften werden mit einer definierten Mikrostruktur versehen, die aus einer Vielzahl von mikroskopisch kleinen Vertiefungen bzw. Vorsprüngen besteht. Mit Hilfe dieser Mikrostruktur wird erreicht, daß ein diese Oberfläche beaufschlagendes Material nur mit einem geringen Anteil der Oberfläche in Berührungskontakt gelangt, während der restliche Teil der Oberfläche einer Berührung durch das beaufschlagende Medium entzogen ist. Durch eine derartige Verminderung der Kontaktflächen wird eine entsprechende Verminderung der Adhäsionsneigung erreicht, so daß im Ergebnis keine oder nur ganz geringe Materialablagerungen auf den erfindungsgemäß gestalteten Werkzeugoberflächen auftreten .

Description

Die Erfindung betrifft Werkzeugoberflächen von Maschinen oder Arbeitsgeräten zum Verarbeiten bzw. Bearbeiten von Materialien.

Bei der Verarbeitung und Produktion unterschiedlicher Materialien werden Maschinen, Vorrichtungen und Werkzeuge eingesetzt, die diese Materialien z. B. fördern, mahlen, mischen, kneten, plastifizieren, formen, walzen, prägen, pressen, spritzgießen etc.

Bei diesen Arbeitsvorgängen können die zu verarbeitenden Materialien oder Bestandteile daraus auf der beaufschlagten Geräteoberfläche zu Ablagerungen und Verkrustungen führen, die den Verarbeitungsablauf einschränken oder verhindern.

Ein industrielles Beispiel für Beeinträchtigungen, verursacht durch Ablagerungen, ist z. B. das plate-out-Phänomen, das bei der Verarbeitung von Kunststoffen in Extrudern (z. B. auf der Schnecke und/oder auf dem Zylinder), auf Werkzeugen, Kalibern, Kalanderwal­ zen und in Spritzgußformen beobachtet werden kann.

Durch dieses plate-out, in der Regel Ablagerungen von anorganischen Füll- oder Pig­ mentiermitteln wie Kreide, Titandioxid etc. oder Gleitmitteln, können die Qualität der O­ berfläche des hergestellten Produktes sowie die Maßhaltigkeit des Produktes negativ beeinflußt werden. So können Ablagerungen im Kaliber, z. B. bei der Profilextrusion, sichtbare Riefen erzeugen oder den Oberflächenglanz drastisch reduzieren.

Geräte-Oberflächen, die in Kontakt mit zu verarbeitendem Polymerwerkstoff stehen, sind üblicherweise poliert. Zwischen der polierten Oberfläche des Werkzeuges und dem zu verarbeitenden Material wirken häufig Adhäsionskräfte, welche bei fließenden Medien den Materialfluß, bis hin zu Anbackungen, negativ beeinflussen können.

Aus der DE 198 03 787 A1 ist es bekannt, zum Zwecke der Minimierung der Ober­ flächenenergie eine Oberflächenstruktur mit einem bestimmten Aspektverhältnis von 0,5 bis 20 vorzusehen. Durch diese Oberflächenstruktur werden große Rand­ winkel mit Wasser erreicht, wenn diese Oberfläche mit einer hydrophoben Be­ schichtung versehen ist. Oberflächen mit hydrophoben Eigenschaften werden vorzugsweise für Behälter, transparente Körper etc. verwendet.

Aus "Maschinenmarkt" Würzburg 99 (1993) 51/52 S. 40-43 ist bekannt, in die Oberflächen von Folien und Substraten mit Hilfe mikrometergroßer Spanwerkzeuge Oberflächenstrukturen einzuarbeiten. So lässt sich mit Hilfe eines keilförmigen Diamantwerkzeuges in zwei zueinander senkrechten Bearbeitungsrichtungen eine vierseitige Pyramiden­ struktur erzielen. Verwendung finden solche Mikrooberflächenstrukturen zur Auf­ nahme von Röntgenleuchtstoff in Röntgenverstärkerfolien sowie als Formeinsätze für verschiedene Abformverfahren.

Aus der EP 0 785 279 B1 ist ein Werkzeug bekannt, mit dessen Hilfe eine schup­ penförmige Mikrostruktur bei einer spanenden Arbeit erzeugt werden kann. Diese Mikrostruktur ist an der Schneidkante eines meißelartigen Werkzeuges vorgese­ hen, damit diese beim Spanen das abzutrennende Spangut in einer durch die Mik­ rostrukturierung vorgegebenen Orientierung ablösen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Werkzeugoberflächen von Maschinen oder Arbeitsgeräten zum Verarbeiten bzw. Bearbeiten von Materialien so auszugestalten, dass unerwünschte Belagbildungen auf den genannten Oberflächen bei der Verarbeitung unterschiedlicher Materialien verhindert wird.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare Vorteil ergibt sich in erster Linie daraus, daß dank einer 10 bis 90%-igen Verringerung der vom zu bearbeitenden Material tatsächlich be­ aufschlagten Werkzeugoberfläche eine entsprechend große Verminderung der Adhäsi­ onsneigung erreicht wird, was zu einer entsprechenden Verminderung von Materialabla­ gerungen an der Werkzeugoberfläche führt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Zum Verständnis sei unterstrichen, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter "tatsächlicher Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Material" diejenige Oberflächen­ fraktion verstanden wird, die tatsächlich mit dem Material in Kontakt steht. Weist die er­ findungsgemäße Makrooberfläche eine Vielzahl von mikroskopischen Vertiefungen auf, so befinden sich tatsächliche Kontaktflächen im Sinne der Erfindung zwischen den jewei­ ligen Vertiefungen. Weist andererseits die erfindungsgemäße Mikrooberfläche eine Viel­ zahl von Vorsprüngen auf, so befinden sich die "tatsächlichen Kontaktflächen" allein auf den Vorsprüngen, da die Bereiche zwischen den Vorsprüngen nicht vom Material berührt werden.

Die erfindungsgemäße Verringerung der Kontaktfläche kann dadurch erreicht werden, daß Erhebungen oder Vertiefungen in die Werkzeugoberfläche eingearbeitet werden, deren Abstand voneinander so gewählt wird, daß das Material, welches im Kontakt zur Werkzeugoberfläche steht, nur mit den Erhebungen in Berührung kommt und nicht in die Vertiefungen eindringen kann.

Je nach Verhältnis zwischen Vertiefungsbreite und Kontaktfläche (Erhebungsbreite) kann die tatsächliche Kontaktfläche, auf der die Adhäsionskräfte wirken, bis zu 90% reduziert werden. Wird die Vertiefung zu breit gewählt, wird das Gegenteil bewirkt, nämlich eine Vergrößerung der beaufschlagten Werkzeug- oder Geräteoberfläche. Die Ablagerungen bildenden Partikel können die Täler oder Vertiefungen ausfüllen, und damit wird die tat­ sächliche Kontaktfläche vergrößert, was zu einer verstärkten Ablagerung führt.

Die jeweils geeignete Gestaltung der Mikrostruktur, welche die Kontaktfläche Werk­ zeug/Material minimiert, hängt von dem zu verarbeitenden Material ab.

Bei den zu verarbeitenden Materialien kann es sich um alle fließenden Materialien, Pul­ ver, Granulate, plastische und viskose flüssige Massen handeln. Von diesen Materialien muß die in der Praxis auftretende makroskopisch resultierende Partikelgröße bzw. die Fließkraft ermittelt oder abgeschätzt werden, um bei Kenntnis dieser Parameter eine geeignete Oberfläche zu schaffen, die es ermöglicht, durch Herabsetzung der tatächli­ chen Kontaktfläche die Adhäsionskraft zu minimieren, ohne daß es zu "Verfüllungen" der Vertiefungen kommt.

Ist die Partikelgröße bekannt, kann die Oberfläche je nach gewünschter Feinheit, z. B. bei Stählen oder Metallen- bzw. Metalllegierungen, mit den bekannten Techniken wie z. B. Schleifen, Ätzen (z. B. Fotolithographie), Fräsen, Drehen, Strahlen, Gravieren, Prägen, Erodieren, Lasern oder mit dem Ligaverfahren etc. bearbeitet werden. Hierbei können geometrische Vertiefungen, wie z. B. parallele Rillen, netzförmige Strukturen etc. oder statistische, ungeordnete Geometrien erzeugt werden.

Die Anordnung bei geometrischen und nicht geometrischen Formen ist ebenso je nach Einsatz und erwarteter Wirkung variabel. So könnten parallele Rillen quer, längs oder in einem beliebigen Winkel zur Flußrichtung des auf der Werkzeugoberfläche fließenden Materials angeordnet sein, je nachdem, ob die Strömungs- und Reibungskräfte damit gesteuert werden können oder sollen.

Ebenfalls möglich sind, außer den erzeugten Vertiefungen aus einer planen Oberfläche, Erhebungen, die auf den planen Untergrund in beliebiger geometrischer oder ungeordne­ ter Form aufgebracht werden und anschließend in unterschiedlichen Anordnungen auf der Werkzeugoberfläche orientiert werden können.

Die Breite einer Vertiefung auf der Werkzeug- oder Geräteoberfläche kann, abhängig vom zu verarbeitenden Material, zwischen 0,01 µm und 500 µm betragen. Die Form der Vertiefungen, z. B. ob es sich bei Rillen um dreieckige, viereckige oder runde Vertiefun­ gen oder Erhebungen handelt, hängt in der Regel von der Methode der Erzeugung ab. Die Tiefe dieser Vertiefungen oder Erhebungen ist abhängig vom späteren Einsatz der erzeugten modifizierten Oberfläche und von der Herstellungsmethode und deren Ge­ nauigkeit.

Abhängig vom Einsatzgebiet, z. B. bei der späteren Verarbeitung von korrosiven oder abrasiven Medien, ist es möglich, die mikrostrukturierten Oberflächen nachträglich unter Erhalt der erzeugten Oberflächengeometrie zu behandeln.

Verfahrenstechnisch möglich ist auch eine Oberflächenbehandlung, die z. B. Abrasion verhindert, und in deren Oberfläche dann anschließend eine Mikrostruktur erzeugt wird.

Den erwünschten Schutz gegen Abrasion oder Korrosion von Stählen, Metallen und Metalllegierungen kann durch eine Oberflächenmaterialveränderung oder durch eine Oberflächenbeschichtung erlangt werden. Die Wahl der Methode hängt vom Einsatz, den Anforderungen und den Bearbeitungsmöglichkeiten der zu behandelnden Oberfläche ab.

Mögliche gängige Methoden und Techniken zur Härtung oder Korrosionsschutz von Oberflächen sind z. B. die Bildung von Metallboriden, -carbiden und -nitriden, die Be­ schichtung z. B. mittels Spritzen (Detonations-, Flamm-, Lichtbogen-, Plasma- oder La­ serspritzen), das Sputtern, das Ion-Plating-Verfahren, PVD (physical vapor deposition) oder CVD (chemical vapor deposition), oder das Laserstrahllegieren. Mit den genannten sowie weiteren Verfahren gemäß Stand der Technik können verschiedene Reinmetalle, Metallliegierungen oder Verbindungen wie beispielsweise kubisches Bornitrid (c-BN), Kohlenstoffnitrid (β-C₃N₄), TiN, TiCN, CrN, CrCN, WC, MoS₂, WS₂, MoSe, WSe₂, Ke­ ramiken, galvanische Überzüge, polymere Beschichtungen usw. aufgebracht werden.

Eine vom Fraunhofer-Institut entwickelte, neue Methode zur Oberflächenveredelung ist das Auftragen von superharten, amorphen Kohlenstoffschichten (DLC: diamond like car­ bon), in die Metalle wie Wolfram oder Titan eingelagert werden können. Die kohlenstoffbasierenden Schichten können auch mit nicht metallischen Elementen wie Fluor, Silici­ um, Sauerstoff, Stickstoff oder Bor modifiziert werden. Diese Beschichtung zeichnet sich durch eine hohe Mikrohärte 2-30 GPa (Stahl hat 5 GPa, Diamant hat 80-100 GPa) aus, abhängig von der Art der Modifikation, und kann bei niedrigen Temperaturen auf das zu beschichtende Material aufgebracht werden. Durch die dünn aufgetragenen Schichten bleiben die bei der Oberflächenformung gebildeten Formen (z. B. Rillen), erhalten, ohne daß die Tiefen verfüllt werden. Außer den bisherigen genannten Materialien wie Stähle, Metalle und Metalllegierungen können andere Materialien wie Keramiken, Glas, Emaille oder Polymerwerkstoffe eingesetzt und die Oberfläche so behandelt werden, daß sie ein Minimum an Kontaktoberfläche zwischen Werkzeug und dem zu verarbeitenden Material ausbildet. Um die bereits beschriebenen Mikrooberflächenstrukturen zu erhalten, können auch für diese Materialien bekannte und bereits zum Teil beispielhaft aufgeführte Tech­ niken eingesetzt werden.

Soll beispielsweise die tatsächlich vom Material beaufschlagte Werkzeugoberfläche 50% der beaufschlagten (Brutto)-Werkstoffoberfläche betragen, so muß dafür Sorge getragen werden, daß 50% der Bruttofläche aus mikroskopischen Vertiefungen besteht, in welche das Material nicht eindringen kann. Das hat zur Folge, daß lediglich die verbleibenden 50% der Werkstoffoberfläche tatsächlich in Kontakt mit dem Material kommen. Für einen solchen Fall hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, daß eine Mikrostruktur aus paralle­ len Rillen ausgebildet wird, wobei jede Rille eine Breite von 10 µm aufweist, und jeder Rillenzwischenraum gleichfalls eine Breite von 10 µm aufweist.

Soll nach einem weiteren Beispiel die tatsächliche Kontaktfläche nur 10% der ursprüng­ lichen Bruttofläche betragen, so hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, eine Mikrostruk­ tur aus parallelen Rillen vorzusehen, wobei jede Rille eine Breite von 1 µm aufweist, während die Rillenzwischenräume jeweils eine Breite von 0,1 µm aufweisen.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß der mit Hilfe der Erfindung erzielbare Vorteil am größten ist, wenn eine Mikrostruktur vorgesehen wird, welche die kleinste mögliche Kontaktoberfläche aufweist. Hierbei ergeben sich von Material zu Material durchaus nennenswerte Unterschiede. So lassen sich in Halbleitermaterialien sehr viel feinere Mik­ rostrukturen einbringen als in Stahlwerkstoffen.

Der Abstand zwischen zwei Erhebungen bzw. Vertiefungen der Mikrooberfläche kann im Bereich von 0,01 bis 500 µm liegen, und die Tiefe bzw. Höhe der Vertiefungen bzw. Vor­ sprünge in der Mikrostruktur kann im Bereich von 1 bis 200 µm liegen. Die jeweils erziel­ bare Oberflächenmikrostruktur ist abhängig von Material, Feinheit und Geometrie der gewünschten Struktur. Die erfindungsgemäßen Oberflächenmikrostrukturen können durch an sich bekannte Techniken wie Schleifen, Ätzen (z. B. Fotolithographie), Fräsen, Drehen, Strahlen, Gravieren, Prägen, Drucken, Erodieren, Beschichten, Lasern oder mit dem Ligaverfahren erzeugt werden.

Die erfindungsgemäße Oberflächen-Mikrostruktur läßt sich auf Stahlwerkstoffen, Metal­ len, Metalllegierungen, Keramiken, Glas, Emaille, Polymerwerkstoffen usw. ausbilden. Bei Bedarf können diese Werkstoffe nach oder vor dem Einarbeiten der Mikrostruktur durch Oberflächenveredelungsmaßnahmen bearbeitet werden, wie durch Aufbringen eines Korrosionsschutzes, durch Einstellen der Oberflächenenergie oder durch Här­ tungs- bzw. Passivierungsmaßnahmen.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ergibt sich ferner daraus, daß nicht nur fabrikneue Maschinen oder Arbeitsgerätschaften mit der erfindungsgemäßen definierten Mikrostruk­ tur versehen sein können, sondern daß auch bereits im Gebrauch befindliche Vorrich­ tungen sich nachträglich mit einer solchen definierten Mikrostruktur versehen lassen.

Beispiel 1

Ein Hohlkammerkaliber eines Extruders wurde mit unterschiedlich oberflächenbehandel­ ten Stahlblechen mit den Maßen L 200 mm × B 30 mm × H 1 mm ausgelegt. Anschlie­ ßend wurden Profile mit einer Profilrezeptur, die eine große Tendenz zur plate-out- Bildung hat, extrudiert. Nach 8 Stunden wurde das eingelegte Stahlblech ausgebaut und die Belagsbildung bewertet.

Der Einsatz von oberflächenbehandelten Stahlblechen ermöglicht kostengünstige Aus­ testungen von unterschiedlichen Anordnungen und Gemometrien. Getestet wurden fol­ gende Stahlbleche:

1. Stahlblech: (Vergleichsversuch)

Poliert, mittlere Rauhtiefe in Längsrichtung 0,3 µm Mittlere Rauhtiefe in Querrichtung 0,6 µm

2. Stahlblech: (Erfindung)

Fotolithographisch erzeugte parallele Rillen (in Längsrichtung des Bleches) im Abstand von 10 µm und einer Rillenbreite von 10 µm und einer Rillentiefe von 10 µm.

3. Stahlblech: (Erfindung)

Fotolithographisch erzeugte parallele Rillen (in Querrichtung des Bleches) im Abstand von 10 µm und ei­ ner Rillenbreite von 10 µm und einer Rillentiefe von 10 µm.

Das mit dem polierten Stahlblech versehene Hohlkammerkaliber produzierte bereits nach 160 Minuten Profile mit Riefen, verursacht durch plate-out im Kaliber, welches nach dem Ausbau des Kalibers eindeutig visuell bestimmt werden konnte.

Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Stahlbleche 2. und 3. im Hohlkammerkali­ ber konnten weder Riefen auf dem Profil, noch plate-out-Beläge nach 8 Stunden beob­ achtet werden.

Claims (6)

1. Werkzeugoberflächen von Maschinen oder Arbeitsgeräten zum Verarbeiten bzw. Bearbeiten von Materialien, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugober­ fläche eine aus vielen mikroskopisch kleinen Vertiefungen und Vorsprüngen ge­ bildete, entsprechend der Oberfläche des zu bearbeitenden Materials zuvor defi­ nierte Mikrostruktur aufweist, wobei die Abstände der Vertiefungen und Vorsprün­ ge zueinander so gewählt werden, dass das zu bearbeitende Material lediglich mit den Vorsprüngen der Mikrostruktur in Berührung gelangt, so dass die tatsächlich vom zu bearbeitenden Material berührte Werkzeugoberfläche lediglich 10 bis 90% der beaufschlagten gesamten Werkzeugoberfläche beträgt.

2. Werkzeugoberflächen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugoberflächen aus einem Stahlwerkstoff, einem Metall, einer Metalllegie­ rung, einer Keramik, einem Glas, aus Emaille oder aus einem Polymerwerkstoff bestehen.

3. Werkzeugoberflächen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugoberflächen einen Überzug aufweisen oder zwecks Passivierung oder Härtung bearbeitet sind.

4. Werkzeugoberflächen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Mikrostruktur aus einem geometrischen Muster oder aus sta­ tistisch ungeordneten Geometrien besteht.

5. Werkzeugoberflächen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Vertiefungen bzw. Vor­ sprüngen der Mikrooberfläche 0,01 bis 500 µm und die Tiefe bzw. Höhe der Ver­ tiefungen bzw. Vorsprünge 1 bis 200 µm beträgt.

6. Verwendung der Werkzeugoberfläche nach einem der vorhergehenden Patentan­ sprüche auf Extruder-Düsen, -Schnecken und -Zylindern, auf Werkzeugen, Kali­ bern, Kalanderwalzen sowie in Spritzgussformen.