Nu kan man endelig sætte mål på slipeffekten af forskellige overfladestrukturer og forskellige typer af overfladebehandlinger på sprøjtestøbeværktøjer, som fx CrN-SS (Super-Slip) fra Tribologicentret.
Artiklen har været bragt i Plast Panorama nr. 5, 2016 og kan læses uden illustrationer herunder.
Af centerchef Lars Pleth Nielsen og civilingeniør Henrik Horup Reitz, Tribologicentret, TI
Teknologisk Instituts Tribologicenter har i et konsortium sammen med danske Winther Mould Technology A/S og Novo Nordisk A/S samt tre udenlandske partnere i henholdsvis Schweiz (Département de physique Ecole d’ingénieurs et d’architectes) og Spanien (IK4-Tekniker og sprøjtestøbefirmaet Proinyec) testet, valideret og udviklet nye overfladebelægninger med det formål at sikre forbedrede slipegenskaber i sprøjtestøbeværktøjer.
Slipmekanismerne i en sprøjtestøbeproces er en rigtig kompliceret størrelse og afhænger ikke kun af plasttypen, geometrien og støbeparametrene, men også af blandt andet overfladens beskaffenhed, fx om den er gnistet, mikroblæst eller poleret, om processen involverer krymp omkring en kerne eller om overfladerne er blevet overfladebehandlet.
– I forskningsprojektet Super-Slip under Eurostars-programmet er vi kommet rigtig langt med at designe, udvikle og validere en testmetode til at kvantificere slipegenskaber i relevante geometrier, siger centerchef Lars Pleth Nielsen og civilingeniør Henrik Horup Reitz fra Teknologisk Instituts Tribologicenter.
– Alene det at måle afformningskræfterne reproducerbart har været noget af en opgave. Dette er nu lykkedes med så stor succes, at vi har indset, at alle testemner/kerner er nødt til at være deres egen reference. Dvs. målemetoden er nu så nøjagtig og reproducerbarheden så god, at vi begynder at kunne se forskel på de enkelte kerner, selv om de nominelt set er ens fremstillet, siger Lars Pleth Nielsen og Henrik Horup Reitz.
Sprøjtestøbeformen og måleprincippet med indbygget kraftmåler er udviklet af Winther Mould Technology A/S. Teknologisk Instituts Tribologicenter har udviklet de forskellige overfladebelægninger, der bliver testet. Den praktiske udførelse af støbetestene foregår hos Département de physique Ecole d’ingénieurs et d’architectes i Schweiz, mens modeltest og pilottest i sprøjtestøbning på virkelige emner foregår hos henholdsvis IK4-Tekniker og Proinyec i Spanien. De anvendte parametre under sprøjtestøbningen er valgt i samarbejde med Novo Nordisk A/S.
Der er tale om en meget omfangsrig testprotokol, der involverer fire forskellige plasttyper (PP, POM, ABS og TPU), flere forskellige typer af overfladefinish (laserteksturerede overflader, mikroblæste overflader, gnistede overflader, m.fl.) og en lang række forskellige overfladebelægninger.
– Det har været et langt forløb. Det har blandt andet været nødvendigt at ændre kernen, således at emnet har fået fire langsgående ribber (figur 1C). Dette er gjort for at stive emnet af, så det ikke løfter sig fra kernens overflade, når emnet bliver presset af kernen, fortæller Lars Pleth Nielsen og Henrik Horup Reitz.
– Uden disse fire langsgående finner var vi faktisk ikke i stand til at se effekten af overfladebehandlingen, idet den påførte afformningskraft blot ville få emner til at deformere væk fra overfladen, hvorfor selve vekselvirkningen mellem plast og den underliggende overflade bliver ubetydelig, siger de to.
– Efter alle disse knæbøjninger bliver man selvfølgelig rigtig glad, når det bliver muligt at måle en helt enorm og reproducerbar forskel i afformningskraften mellem fx et TPU-emne og en kerne hhv. med og uden Tribologicentrets CrN-SS-belægning (Super-Slip) som i tilfældet vist i figur 3.
Der ligger stadigvæk meget eksperimentelt arbejde samt et stort analysearbejde forude.
– Ikke desto mindre har vi i konsortiet udviklet en helt ny og innovativ in-situ metode til at evaluere effekten af overfladebehandlinger – måske endda som de første i verden ser vi nu overensstemmelse mellem det, vi ved virker i praksis, og det der rent faktisk nu også kan måles direkte i en sprøjtestøbeform. De første resultater er meget lovende (figur 4) og bekræfter vores erfaring fra dialog med vores mange kunder over hele verden. Vores kunder bekræfter, at det bliver tiltagende nemmere at afforme, når man går fra en ubehandlet ståloverflade til CrN Super-Dense (CrN-SD) eller tager skridtet fuldt ud med en CrN Super-Slip belægning (CrN-SS), siger Lars Pleth Nielsen og Henrik Horup Reitz.
Empiri er godt, men det er nu altid bedre at få reproducerbare tal på slipeffekten.
– Det er noget, vi i de kommende år kommer til at arbejde rigtig tæt med vores samarbejdspartner i Schweiz om. Det er jo en absolut nødvendighed at have tal på afformningskraften, hvis man skal gøre sig håb om at kunne udvikle nye og forbedrede overfladebelægninger. Blandt andet arbejder vi i øjeblikket intenst på at lancere en ny HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering) kromnitrid, CrN-HiPIMS, der er ca. 20 procent hårdere end en traditionel CrN, samtidig med at den er både tættere, mere defektfri og mere glat, siger Lars Pleth Nielsen og Henrik Horup Reitz fra Tribologicentret.
Det er i denne forbindelse værd at bemærke, at en kromnitridbelægning (CrN) ikke bare er en kromnitridbelægning (se figur 5). Alle PVD-belægninger vil variere fra udbyder til udbyder. Derfor vil fx CrN, DLC og TiAlN være meget forskellige. Egenskaberne af belægningerne vil afhænge meget af den benyttede procesteknologi og de anvendte procesparametre.
– Det er her Tribologicentrets mangeårige erfaring kommer til nytte, og vi har i flere år brugt meget energi på at optimere vores forskellige belægningsfamilier, udtaler Lars Pleth Nielsen.
– I Tribologicentret har vi valgt udelukkende at satse på den såkaldte magnetron sputterteknologi, da den giver nogle af de bedste forudsætninger for at lave belægninger med få defekter og generelt gode egenskaber, siger Lars Pleth Nielsen og Henrik Horup Reitz. Det er også en meget fleksibel teknik, selv om den måske ikke er lige så hurtig som fx den såkaldte arc-teknologi. Som et eksempel ses det, at en CrN-belægnings krystalstruktur og søjlevækst kan ændres signifikant ved at variere blandt andet mængden af kvælstof (N2) under belægningsprocessen. Det er klart, at sådanne ændringer vil have en enorm indvirkning på belægningens mekaniske og kemiske/fysiske egenskaber ikke mindst dens performance med hensyn til afformning i en sprøjtestøbeproces.
3-årigt Eurostars projekt
Projektpartnere:
● Teknologisk Institut, Tribologicentret (DK)
● Winther Mould Technology A/S (DK)
● Novo Nordisk A/S (DK)
● Département de physique Ecole d’ingénieurs et d’architectes (Ch)
● IK4-Tekniker (Es)
● Proinyec (Es)
