Mehr-Komponenten-Spritzgießen zur Applikation dünnwandiger tribologischer Funktionsschichten auf Maschinenelemente
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel mehr-komponentige Maschinenelemente mit sehr dünnwandigen Funktionsschichten zu fertigen wurde im Rahmen dieses Forschungsprojektes mit einem neuartigen Werkzeugkonzept realisiert. Den aus der filigranen Geometrie der zweiten Komponente resultierenden hohen Anforderungen an die Positioniergenauigkeit des Vorspritzlings, wie auch die, aufgrund hoher Kontakttemperaturen beim Überspritzen, kurze Zwischenkühlzeit konnte erfolgreich begegnet werden. Am Demonstrator eines 2K-Zahnrades konnte eine ca. 210 μm dünne tribologisch modifizierte Funktionsschicht erfolgreich auf eine hochfeste faserverstärkte Kernkomponente betriebsfest appliziert werden. Es wurden relevante Wirkmechanismen zur betriebsfesten Applikation von dünnwandigen Funktionsschichten auf hochfesten Basiskomponenten mittels Mehr-Komponenten-Spritzgießen untersucht. Für Modell- und Bauteilprobekörper wurde gezeigt, dass für eine betriebsfeste Applikation (gute Anbindung) der Teilkomponenten sowohl eine Haftungsausbildung als auch die verarbeitungsbedingte Schwindung bzw. der zusätzlich geomtriebedingte Verzug berücksichtigt werden müssen. So kann es beispielsweise zunächst zu einer Haftungsausprägung kommen, diese jedoch durch zu große schwindungsbedingte Relativbewegungen der Teilkomponenten bis zur Delamination belastet werden. Trotz gleicher Fertigungseinstellungen treten geometriebedingt durch Schererwärmung lokal unterschiedliche Schmelzetemperaturen auf, die aus genannten Gründen zu einer lokal unterschiedlichen Anbindung führen. Die erarbeiteten Erkenntnisse können auf verschiedene andere mehrkomponentige Maschinenelemente bzgl. deren Werkzeug und Bauteilauslegung sowie der Prozessführung übertragen werden. Durch umfassende Bauteiluntersuchungen konnte das Leistungsspektrum hinsichtlich der zulässigen Verformung, des maximalen Verschleißes und der ertragbaren Lastwechselzahlen für das funktionalisierte 2K-Zahnrad und ein unmodifiziertes 1K-Zahnrad gegenübergestellt werden. Aufgrund der faserverstärkten Innenkomponente können höhere Lasten übertragen und durch die verschleißarme Funktionsschicht deutlich längere Laufzeiten realisiert werden. Vor allem bei höheren Temperaturen ist mit einem deutlichen Leistungsvorteil der 2K-Lösung zu rechnen. Die verbesserte Formstabilität der faserverstärkten Innenkomponente sowie die geringere Reibungserwärmung, aufgrund des niedrigeren Reibungskoeffizienten der Außenkomponente, führen dazu, dass das 2K-Zahnrad bei höheren Umgebungstemperaturen eingesetzt werden kann, bei denen ein unmodifiziertes 1K-Zahnrad bereits thermisch versagt. Das Leistungsspektrum von Kunststoffzahnrädern kann somit mittels einer funktionsangepassten Zwei-Komponenten-Lösung deutlich erweitert werden. Für zukünftige Arbeiten wird eine weiterführende Untersuchung der relevanten Wirkmechanismen zur betriebsfesten Applikation von dünnwandigen Funktionsschichten auf hochfesten Basiskomponenten mittels Mehr-Komponenten-Spritzgießen angestrebt. Auf Grundlage der erzielten Erkenntnisse ist es möglich, im Rahmen weiterer Aktivitäten die Effekte von Haftungsausbildung und somit anbindungskonstruktiven Faktoren von den schwindungs- bzw. verzugsbedingten Relativbewegungen der Teilkomponenten, den anbindungsdestruktiven Faktoren, zu trennen. Hierzu könnten beispielsweise an einem 2K-Plattenprobekörper oder einer 2K-Rolle gezielt die Schichtdicke, Fließweglänge sowie die angussbedingten Fixierungsbedingungen des Bauteils variiert und deren Einfluss auf die Anbindung untersucht werden. Weiterhin ist es durch Einbringung verschiedener Füllstoffe (Art, Form, Füllgrad) möglich den Einfluss der Schwindung dezidiert zu untersuchen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Hochleistungszahnräder aus Kunststoff mittels Montagespritzgießen. In: Tagungsband Tribologie-Fachtagung, Göttingen, 2008
Krippner, S.; Kobes, M.O.; Feulner, R.; Hülder, G.; Osswald, T.A.
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Läuft wie geschmiert. 2K-Hochleistungszahnräder. Kunststoffe, 05 (2009), S. 38 - 42
Krippner, S.; Feulner, R.; Drummer, D.
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Running Smoothly. Two-component High-performance Gear Wheels. Kunststoffe international, 05 (2009), S. 25 - 28
Krippner, S.; Feulner, R.; Drummer, D.
