ReleasePLAS®-Trennschichten für den Wachsspritzguss

Der Feinguss verwendet das Wachsausschmelzverfahren zur Herstellung von kleinen und kleinsten Gussteilen. Die aus Wachs hergestellten Positivmodelle sind der Ausgangspunkt des eigentlichen Feingussverfahrens. Wachsmodelle werden die in großen Stückzahlen im Spritzgussverfahren hergestellt. Allerdings müssen zur Unterstützung des Entformungsprozesses Trennmittel eingesetzt werden. Ohne den Einsatz von Trennmitteln ist eine vollständige und zerstörungsfreie Entformung des Wachsmodells nicht möglich. Bei Verwendung von Trennmitteln kommt es jedoch beim Entformungsvorgang zum Übertrag von Trennmittel auf die Oberfläche des Wachsmodells, als auch zur Bildung des sogenannten Formenaufbaus, einem Belag aus Trennmittel und Wachs, auf der Formoberfläche.

Trennmitteln verursachen erhebliche Nachteile:

  • die Freisetzung von Silikon-Aerosolen und somit die Verunreinig der Arbeitsumgebung
  • turnusmäßige Reinigungskosten für die Spritzgusswerkzeuge
  • Kosten für das Abwaschen der Silikonanhaftungen von den Wachslingen
  • Qualitätsmängel in der Oberfläche der keramischen Schalen

ReleasePLAS® – Trennschicht

Zur Überwindung der oben genannten technischen und wirtschaftlichen Nachteile wurde in dem von der AiF geförderten Projekt 18915N die ersatzlose Eliminierung der Trennmittel durch eine vom Fraunhofer IFAM entwickelte plasmapolymere Trennschicht - ReleasePLAS® – betrieben. Diese Trennschicht zeichnet sich durch ihre exzellente Haftung zur metallischen Form und insbesondere durch ihre hohe Kohäsionsfestigkeit und ihre niedrige Oberflächenenergie aus. Die Beschichtung hat keinerlei Einfluss auf die Maßhaltigkeit der Spritzformen, weil die Schichtdicke lediglich ≤2µm beträgt. Dies ermöglicht die ReleasePLAS® – Trennschicht auf neue als auch bestehende Spritzwerkzeuge aus der Produktion aufzutragen.

Zur Lösung der Aufgabenstellung war es notwendig sich eingehend mit dem Erstarrungs- und den Grenzflächenverhalten von Modellwachsen auseinander zu setzen. Dabei ist heraus­gefunden worden, dass der sogenannte Adhäsionspunkt unbedingt zu unterschreiten ist. Der Wachs - Adhäsionspunkt ist die Temperatur, ab der das Wachs anfängt an der Oberfläche anzuhaften. Es entsteht ein sichtbarer Rückstand, die Ablösekraft steigt spürbar an. Der Adhäsionspunkt ist nicht mit dem Schmelzpunkt oder Tropfpunkt zu verwechseln. Der Schmelzpunkt/Tropfpunkt ist die Temperatur ab der das Wachs verflüssigt und liegt in der Regel deutlich über dem Adhäsionspunkt.

Für einen dauerhaft erfolgreichen Trennvorgang ist es zudem notwendig, dass die Grenzfläche zwischen Plasmabeschichtung und der Wachse (die Interphase) möglichst stabil ist. Jedes Material verändert seine Zusammensetzung oder sein Vernetzungsverhalten, wenn es im Kontakt mit einer Oberfläche erstarrt. Dieser beeinflusste Bereich wird als Interphase bezeichnet und kann unterschiedliche Schichtdicken von wenigen Nanometern bis hin zu Mikrometern.

Daher untersuchen die Wissenschaftler am Fraunhofer IFAM u.a. die mechanischen Eigenschaften dieser Interphase. Dazu wird das Verfahren der Nanoindentation eingesetzt. Durch die systematische Anpassung der Prüfkörper an die Messaufgabe gelingt es das E-Modul grenzflächennah (innerhalb der oberen 50 nm) zu bestimmen und die Wachse voneinander zu unterscheiden. Tendenziell sind Wachse mit kleinem Oberflächen-E-Modul weniger gut für das trockene Trennen geeignet, da die Interphase eine geringere mechanische Festigkeit aufweist.

Somit werden dem Anwender mit dem Adhäsionspunkt und dem Oberflächen-E-Modul zwei neue Kriterien an die Hand gegeben, um das Wachsspritzgussverfahren trenngerecht zu führen und Modellwachse zu differenzieren.

Aufgrund der oben beschriebenen Hinweise zur Verfahrensführung und der Eigenschaften der ReleasePLAS® – Beschichtung ist es gelungen eine praxisgerechte Permanentbeschichtung für den Wachsspritzguss bereit zu stellen. Innerhalb des AIF geförderten Projektes wurden Beschichtungen unter industriellen Bedingungen bei Feingießern erfolgreich an mehreren Spritzformen getestet. Die Bandbreite der genutzten Spritzwerkzeuge (Handformen und Automatenwerkzeuge) reichte dabei von einfachen bis hin zu hoch komplexen Geometrien mit Losteilen und hydraulischen Schiebern mit unterschiedlichstem Bedarf an Trennmittel.