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Nachhaltiges Denken und Handeln ist ein stetiger Innovationstreiber in der polyurethanverarbeitenden Industrie und setzt bei Entwicklungund Umsetzung zukunftsweisender Material- und Prozesstechnologien an. Verständlicherweise können sich neue Technologien nur danndurchsetzen, wenn sie keinen Rückschritt in Bezug auf Robustheit, Flexibilität und Wirtschaftlichkeit darstellen. In einem IGF-Kooperationsprojektdes Instituts für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen (IKV), Aachen, und des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik undAngewandte Materialforschung IFAM, Bremen, wurde jetzt die Technikumsreife einer permanenten Trennbeschichtung auf einem Stahlwerkzeugnachgewiesen, indem mehr als 1.200 PU-Bauteile bei konstant anwendungsrelevant niedrigen Kräften entformt wurden.

An investigation into strongly organosilicon plasma‐polymeric coatings has been performed with the goal of developing a deeper understanding of the relationship between the physical properties and the chemical structure. The overall elemental composition has been analyzed using X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS) and micro elemental analysis. Additional XPS peak fitting and Fourier‐transform infrared spectroscopy analysis have been undertaken and physical properties such as Young's modulus and mass density have been determined. The chemical structure of the coatings is discussed taking into account conventional Si-O crosslinking and also an independent second bridge‐building mechanism. Based on this suggestion, a least‐squares algorithm has been used to calculate the network structure including a new index for the degree of crosslinking. This enables very similar plasma‐polymeric coatings to be distinguished.

A plasma probe and measuring method were developed to simultaneously determine both the electron density, ne, and floating potential in plasma‐enhanced chemical vapor deposition (PECVD) coating processes within low‐pressure plasmas. The functionality of the probe with a high deposition rate is demonstrated on the basis of examples using hexamethyldisiloxane as a precursor gas. The results show that the developed probe can determine both the ne (∼1015 m−3) and the time‐varying floating potential. The results also indicate that the probe is effective for monitoring the changes in the plasma condition caused by the pressure and the gas flow rate during the coating process. This method can contribute to confirm the process and chamber conditions in PECVD processes.

In an IGF cooperation project at the Institute for Plastics Processing (IKV), Aachen, and the Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials (IFAM), Bremen, a permanent release coating was investigated as an alternative to conventional release agents in polyurethane (PU) processing. Central aspects are the influence of catalysis in the PU formulations on the demoulding behaviour and the transfer of the technology to industrial standards. Casting experiments and near-surface analysis were used to determine a catalyst class compatible with the release coating. New requirements for process control and mould design were defined for the industrial application of the technology and implemented in an innovative mould concept.

In der Feingussindustrie werden Positivmodelle aus Wachs benötigt. Diese Wachsmodelle werden mittels Spritzgießen hergestellt und sind Ausgangspunkt für die Fertigung von filigranen, hochkomplexen Gussteilen. Zur Unterstützung des Entformungsprozesses werden aktuell silikonbasierte Trennmittel verwendet, obwohl diese erhebliche Nachteile in den Folgeprozessen verursachen. Ohne die Nutzung von Trennmitteln ist eine vollständige und zerstörungsfreie Entformung der Wachsmodelle aus dem Formwerkzeug nach dem Stand der Technik nicht möglich. Grund genug für Wissenschaftler des Fraunhofer Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM), diese Thematik in dem AiF-geförderten Projekt 18915N zu erforschen und eine innovative Alternative zu entwickeln. Ergebnis des Forschungsprojektes ist die Bereitstellung einer plasmapolymeren Antihaftbeschichtung, die nachweislich den verzicht auf Trennmittel möglich macht.

Reibungsreduzierung und dadurch Energieeinsparung sind von besonderem Interesse für viele Industrien wie beispielsweise den Automobilbereich, Windenergie und alle anderen Bereiche in denen elastomere Komponentenwie Dichtringe verwendet werden. Mangelschmierung kann unvorhersehbar auftreten und die Dichtung schädigen. Durch das Aufbringen einer plasmapolymeren Beschichtung auf Elastomere kann die Reibung reduziert werden. Vier Elastomertypen (Acrylatkautschuk, Fluorkautschuk sowie zwei Nitril-Butadien-Kautschuke) wurden jeweils mit und ohne plasmapolymere Beschichtung untersucht. Die Experimente wurden mit flachen beschichteten und unbeschichteten Elastomerplatten durchgeführt und die Reibung mit Hilfe eines Universal Material Tester (UMT3) Systems in oszillierender Pin-on-Plate Kontaktgeometrie gemessen. Die Stirnseite eines zylindrischen Radlagers mit einem Durchmesser von 6 mm wurde als Gegenkörperverwendet. Diese Kontaktgeometrie wurde sowohl wegen der Differenzierbarkeit von Schmierstoffen im oszillierenden Test, als auch wegen der 104mal größeren Kontaktfläche im Vergleich zu einer Dichtlippe eines Radialwellendichtrings ausgewählt. Die tribologischen Untersuchungen wurden unter Umgebungsbedingungenmit einer Geschwindigkeit von 200 mm/s und einem Hub von 11 mm durchgeführt. Die verwendete Normalkraft von 10,6 N repräsentiert eine initiale Flächenpressung von 0,5 MPa. Um Mangelschmierung zu erreichen, wurden die Tests mit verschiedenen kleinen Mengen eines voll additivierten Getriebeöles bis hin zur kompletten Vermeidung von Schmierstoffdurchgeführt. Die beschichteten Elastomere zeigten eine reduzierte Reibung im Vergleich zu den unbeschichteten Proben. Bei den beschichteten Proben zeigten die Messungen ohne Schmierung die geringste Reibung. Reibungskoeffizienten bis hinunter zu 0,17 wurden erreicht. Im Vergleich mit 0,48 bei trockenem Lauf unbeschichteter Proben ergibt sich damit eine Reibungsreduzierung um 65 %. Dies demonstriert die Notlaufeigenschaft für plasmapolymer beschichtete Komponenten. Für die geschmierten Messungen ergaben sich Unterschiede für die verschiedenen Schmierstoffmengen. Die plasmapolymere Beschichtung und damit die Reibungsreduzierung sind durch Anwendung der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung(PECVD) zu geringen Kosten verfügbar. Mittels PECVD ist es problemlos möglich komplexe 3D-Geometrien,wie beispielsweise Dichtringe, zu beschichten. Der Prozess wurde bereits für Radialwellendichtringe aufskaliert um eine Serienproduktion zu ermöglichen.

Using plasmapolymeric coatings on flat elastomer plates as well as on dynamic sealing components a significant reduction of friction was determined in the past [1-4]. Quantifying the improvement of wear resistance enhanced lifetime tests were performed as a function of the applied film thickness. The flat elastomer plates were coated with a plasmapolymeric film (SiOxCyHz) in a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) process. The film thickness was varied from 0.7 µm to 4.0 µm approximately. The investigated elastomeric substrate material was acrylic rubber (ACM). The friction of elastomers was investigated using an Universal Material Tester (UMT3) system with oscillating pin-on-plate contact geometry. The counterpart in the tribological tests was a 100Cr6 steel ball with a diameter of 10 mm. The tribological tests were run dry in ambient conditions with a velocity of 200 mm/s with a stroke length of 11 mm. Different normal forces between 2 N and 40 N were used. The oscillating measurement setup was chosen to save test time subjecting premature wear. The tests were performed until the coatings were rubbed through to determine the lifetime. It was found that the set in of the wear depended on the film thickness. The set in of wear was detected at the steep rise of the coefficient of friction. The wear resistance increased with increasing film thickness. A minimum film thickness is required depending on the applied load. The load bearing capacity was increasing with increasing film thickness. The beneficial wear resistance of the plasmapolymeric coating depicts the improved lifetime in combination with reduced friction. The film deposition is available at low costs due to the scalable PECVD process. The coefficient of friction was in the range of 0.15 to 0.25. It revealed that the coefficient of friction was independent of the film thickness. Even in the worst case the determined wear rate was below 0.70 µm/km.

Die Energieeffizienz und Lebensdauer von Maschinen und Komponenten ist von bedeutendem Interesse. Ein herausragendes Beispiel ist der Kraftfahrzeugantriebsstrang. Zudem werden jedoch auch in anderen Industriebereichen wie Windenergie, hydraulischen und pneumatischen Anwendungen, sowie Pumpenanwendungen ein verbesserter Verschleißschutz und eine reduzierte Reibung benötigt. Es konnte in der Vergangenheit gezeigt werden, dass eine plasmapolymere Beschichtung von dynamischen Elastomerdichtungen signifikante tribologische Verbesserungen erzielt [1,2]. Mit der eingesetzten plasma-unterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) ist die Beschichtung von komplexen 3D-Geometrien möglich. Um die reibungsreduzierende und verschleißmindernde Beschichtung auf Radialwellendichtringen (RWDR) seriengerecht aufzubringen, wurde das Beschichtungsverfahren einem Aufskalierungsprozess unterzogen. Im Allgemeinen sind die Möglichkeiten, die Abscheiderate derartiger Prozesse gravierend zu steigern, ohne die Schichteigenschaften zu verändern, stark eingeschränkt. Das Lösungskonzept basiert daher auf dem Ansatz, gleichzeitig eine hohe Anzahl von RWDR zu beschichten. Hierzu wurde die Warenaufnahme selbst, deren Anordnung im Plasmareaktor, die Gasführung und nicht zuletzt die Schichteigenschaften im gesamten Plasmareaktor betrachtet. Ausgewählt wurden RWDR mit den Baumaßen 35x52x7 mm. Anhand dieser Bauteilgrößen wurden die Dimensionen und Abstände der Warenträger erarbeitet. In der gegenwärtigen Technikumsanlage können nun 3200 Stück RWDRs pro Batch beschichtet werden. Bei gleicher Anlagengröße können unter industriellen Randbedingungen bis zu 22 Mio. Stück pro Jahr produziert werden. Teil des Konzeptes ist der schnelle Austausch der Warenträger [3] zum Entleeren und Befüllen mit neuer Ware. Die Schichteigenschaften wurden mit Hilfe folgender Parameter beschrieben: Schichtdicke, Oberflächenenergie und Elastizitätsmodul. Durch hohe Symmetrie und eine optimierte Gasführung konnte eine gleichmäßige Abscheidung in der Kammer und auf den RWDR realisiert werden. Auf den Dichtkanten der Bauteile im Warenträger konnte eine Abweichung von max. 6 % in der Schichtdicke eingehalten werden. Neben dieser guten Homogenität über mehrere Bauteile konnte eine nur geringe Abweichung in der Wiederholgenauigkeit von max. 5 % über mehrere Prozesse stabil realisiert werden.

For single-layer barrier coatings, the influence of coating defects of thin SiO x coatings on the barrier properties was investigated. Coating defects only originate from the coating process; they seem to form independently from the surface roughness of the substrate. The coatings were deposited in a roll-to-roll process (width 1 m) by using the plasma-enhanced chemical vapour deposition technique. The SiO x coatings, applied in this work, have thicknesses in the range of 30-50 nm with a carbon content of less than 1 at-%. They show an oxygen transmission rate of 1·3 ± 0·4 cm3/(m2 day bar) at best. The focus of this research is to investigate the influence of plasma pressure on the coating defects and therefore to the barrier properties. In order to identify nanosized coating defects inside the coating, the Maxwell-Garnett theory was used. The defect volume was indirectly calculated with the help of ellipsometric measurement data. The Maxwell-Garnett theory is a very fast method to investigate the quality of barrier coatings.

In der vorliegenden Arbeit geht es um die Erstellung eines Modells der Schichtabscheidung für Hexamethyldisiloxan basierte Plasmapolymere. Hierzu wurden umfangreiche Untersuchungen des Plasmaprozesses durchgeführt. Hierzu zählt sowohl eine elektrotechnische Untersuchung der verwendeten Niederdruckplasmakammer, als auch die Messung der Plasmadichte sowie des Plasmapotentials. Weiterhin wurden die abgeschiedenen Beschichtungen hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung sowie einiger physikalischer und technischer Eigenschaften untersucht.