Beitrag zum Einsatz von Permanent-Trennschichten für die Herstellung von Glasfaser verstärkten Phenolharz-Bauteilen

Die Entformung von Glasfaser verstärkten Kunststoffen (GFK) ist ein entscheidender Schritt in der GFK-Fertigung, dessen Gelingen von der Funktion der für die Formwerkzeuge verwendeten Trennmittel abhängt. Die bislang applizierten Flüssig-Trennmittel zeigen dabei folgende Nachteile auf: sie sind lösemittelbasiert und damit umweltbelastend, aufgrund der häufigen und manuellen Applikation zeit- und kostenintensiv sowie unzuverlässig, was einen möglicherweise schädigenden Trennmittel-Übertrag auf die weiter zu bearbeitenden Bauteile betrifft. Im Rahmen dieser Arbeit sollte daher der Einsatz von am Markt verfügbaren Permanent-Trennschichten analysiert werden, mit dem Ziel, die genannten Nachteile im Sinne einer höheren Automatisierung, Kostenreduktion, Umweltverträglichkeit und letztlich Verlässlichkeit des Fertigungsprozesses zu beseitigen. Es werden die Phänomene der Adhäsion bzw. Tribologie betrachtet, die entscheidend für die Funktion eines dauerhaft wirksamen Trennmittels sind. Bei der Betrachtung der Klebe- und Ahäsionsvorgänge werden sowohl die theoretischen Grundlagen aufgezeigt als auch die Adhäsionsneigung von Werkstoffen und deren Ursachen behandelt. In gleicher Weise werden auch die tribologischen Grundlagen behandelt, wobei hier bisher in der Literatur beschriebene Erkenntnisse zu Permanenttrennmitteln einbezogen wurden. Unter Berücksichtigung dieser Grundlagen werden in drei aufeinander aufbauenden Versuchsreihen Entformungsversuche mit unterschiedlich konzipierten Permanent-Trennschichten, aufgetragen auf Aluminium-Formwerkzeuge zur Herstellung von Glasfaser verstärkten Phenolharz-Bauteilen, durchgeführt. Schließlich werden die in der Arbeit erfassten Einflüsse auf das Entformungsverhalten und deren Interaktionen modellhaft dargestellt, um die mechanistischen Vorgänge der Belastung in einer Permanenttrennschicht zu betrachten und hieraus Rückschlüsse auf ein verbessertes Leistungsverhalten derartiger Schichten zu ziehen. Weiterhin werden Empfehlungen für den Aufbau von Permanenttrennschichten und deren Monitoring im Industrie-Einsatz gegeben. In Summe lässt sich Folgendes zusammenfassen: Während die Oberflächenenergie die physikalisch-chemische Adhäsion zweier kontaktierender Werkstoffe steuert, kann es bei rauhen Oberflächen zu mechanischer Verklammerung zwischen den Kontakt-Partnern kommen. In Kombination mit dem Trennschichtaufbau (homogen, inhomogen, heterogen / einschichtig, mehrschichtig) sowie dessen thermisch-mechanischem Verhalten wird letztlich das Reibungs- bzw. Verschleißverhalten der Trennschicht begründet. Um das Entformungsverhalten von Bauteil und beschichtetem Formwerkzeug umfassend analysieren zu können, muss jedoch auch das thermisch-mechanische Verhalten von Werkzeugsubstrat und Bauteil sowie die Chemie des Bauteils berücksichtigt werden. Im Falle einer rauhen Nickel/Silikon-Trennschicht hat sich gezeigt, dass Entformungen nur möglich waren, nachdem das Aluminium-Werkzeug auf Raumtemperatur abgekühlt und es somit zu einer Relativverschiebung zwischen schrumpfendem Formwerkzeug und starrem, duroplastischem Bauteil gekommen war. Gleichzeitig wurde ein deutlicher Verschleiß der Silikon-Decklage festgestellt, welche nicht fest genug in der verschleißfesteren Nickel-Unterschicht verankert war, was das Anhaften von Harz auf der Unterschicht ermöglichte. Der direkte Vergleich zweier relativ glatter, fluorpolymerbasierter (PFA) Trennschichten ließ weiterhin erkennen, dass zwar in beiden Fällen Entformungen im heißen und damit schrumpffreien Zustand von Werkzeug und Bauteil möglich waren, sich aufgrund der unterschiedlichen Konzepte zum Trennschichtaufbau jedoch auch ein unterschiedliches Verschleißverhalten einstellte: während die einschichtige PFA-Trennschicht eher einen vereinzelten, in die Tiefe gehenden Angriff aufwies (kohäsive Energiedissipation / Kraftableitung in die Schicht bis hinab zum Aluminiumsubstrat), stellte sich bei der zweischichtigen Trennschicht, bestehend aus verschleißfester PEEK-Unterschicht und trennaktiver PFA-Decklage, eher ein breitgefächerter Verschleiß entlang der Trennschichtoberfläche ein (adhesive Energiedissipation / Kraftableitung entlang der Grenzschicht PEEK/PFA). Neben dieser verstärkten, flächigen Oberflächen-Aufrauhung führte auch eine damit einhergehende, partielle Freilegung der adhäsiven PEEK-Unterschicht zu einer verstärkten Anhaftung der Harzbauteile. In Konsequenz konnten hier weniger Entformungen als im Fall der einschichtigen PFA-Trennschicht umgesetzt werden. Die bei beiden Trennschichten erfolgte Zugabe von fein verteilten, anti-adhäsiven Glimmerpartikeln ließ keine Verbesserung des Entformungsverhaltens erkennen, wobei einzelne Partikel im Entformungsverlauf wegerodiert wurden. Mit dem Fazit, dass die Leistungsfähigkeit der aktuell am besten funktionierenden, polymerbasierten Permanent-Trennschichten eher als semi-permanent einzustufen ist, wird hinsichtlich einer optimierten Trennschicht-Konzeption Folgendes empfohlen: zunächst sollte auf mehrschichtige Systeme verzichtet und stattdessen die Konzeption einschichtiger Trennschichten bzw. die Implementierung von trennaktiven Partikeln innerhalb einer verschleißfesten / alterungsresistenten Matrix weiter verfolgt werden (z.B. Nickel / PTFE Kombination). Im Weiteren sollten sowohl die Oberflächenrauhigkeit (Verklammerungpotential) als auch die Oberflächenenergie (Benetzungsneigung) der Trennschicht möglichst gering sein. Dabei sollte die klassische Kontaktwinkelmessung zur Bestimmung der Oberflächenenergie (Prüfmedien: Wasser, Diiodomethan und Ethylenglycol) genutzt werden, um die Polarisierung der Trennschichtoberfläche zu bestimmen. Ist die Polarisierung der Trennschichtoberfläche der Polarisierung des benetzenden Mediums möglichst entgegengerichtet, so ist grundsätzlich von einer geringen, chemisch/physikalisch bedingten Interaktion der Kontaktpartner auszugehen. Für die Prognose der tatsächlich eintretenden Trennschicht-Benetzung bei variierender Oberflächenrauhigkeit sollte dann jedoch der Kontaktwinkel zwischen (mehr oder weniger rauher) Trennschichtoberfläche und konkretem Bauteil-Medium (z.B. Harz) untersucht und nach Wenzel bewertet werden. Ist die Trennschicht zudem möglichst starr, kann ein größerer Anteil der Entformungsenergie für das Anlösen der Grenzfläche zwischen Trennschicht und Bauteil verwendet werden (weniger Energiedissipation ins Trennschichtinnere bei deren Verformung). Erste Ansätze dieser Arbeit zur zerstörungsfreien Prozesskontrolle haben gezeigt, dass es durch die berührungslose Untersuchung mittels eines Laser-Scanning Mikroskopes möglich ist, den fortschreitenden Verlauf des Trennschichtzustandes im Sinne einer Fehlstellenzunahme (Kratzer, Aufrauhung, Abrieb) respektive Harzanreicherung auf Mikroskala zu verfolgen. Weitere Analysen, vor allem auf vertikalen Formwerkzeugflächen und unter Auswertung größerer Messfenster, könnten zukünftig genutzt werden, um einen Grenzwert an zulässigen Fehlstellen respektive Harzanreicherung festzulegen, so dass ein gravierendes Versagen der Trennschicht bzw. eine Zerstörung von Werkzeug und Bauteil verhindert werden können. Ebenso könnte ein weiterer Ansatz dieser Arbeit, einen Harztropfen hinsichtlich seines geometrischen Aushärtungsprofils zu analysieren, zur Vorhersage einer nachlassenden Trennaktivität herangezogen werden. Im Fall einer bereits mehrfach genutzten Trennschicht konnte an der Grenzfläche Trennschicht / Harz ein geringerer Benetzungsrückgang als im Fall einer ungenutzten Trennschicht verzeichnet und somit eine Trennschichtdegradation nachgewiesen werden.De-moulding of glass fiber reinforced plastic (GFRP)-parts is a crucial step during GFRP manufacturing and largely dependent on the functionality of the release agent applied on the mould surface. State of the art liquid release agents comprise the following drawbacks: They are solvent based and therefore hazardous to the environment, time- and cost intensive due to frequent respectively manual application as well as unreliable with respect to further processing of the parts (contamination with the release agent should be avoided). Consequently, within the frame work of the present thesis, the capability of permanent release agents to solve the previously mentioned problems by means of a higher degree of process-automation, cost reduction, environmental protection and finally process robustness, is investigated. Adhesion and Tribology, the two essential phenomena with respect to the functionality of release agents, are taken into account. Regarding adherence respectively adhesion aspects, the theoretical background as well as the adhesion tendency of different materials to each are considered. Accordingly, the tribological background is considered, whereas finding in literature on permanent release agents is included. Based on this theoretical background, three test run concerning the demoulding of parts made of glasfiber reinforced phenolic resin (out of moulds coated with permanent release agents) are set on each other. Finally, the effects on demoulding capability found by this work as well as their interaction are exemplary shown. By this the mechanistic process of load applied to permanent release coatings is evaluated, so that conclusions on an enhanced coating performance can be drawn. While surface energy affects the physical-chemical adhesion of two contacting materials, surface roughness might cause a clamping of materials in contact. Combining those aspects with the permanent release agent structure (homogeneous, inhomogeneneous, heterogeneous / single-layered, multiple-layered) respectively their thermic-mechanical behavior, friction and wearout of the release agent is determined. With respect to a comprehensive analysis of the demoulding step, also the thermo-mechanical behavior of the mould-substrate respectively demoulded part as well as the part´s chemistry has to be considered. It became clear, that demoulding in case of a rough Nickel/Silicone based release agent was only possible, when mould and part were cooled down to room temperature. This is related to a relative movement between the shrinking mould and the geometrically stable, duroplastic GFRP part. In parallel, considerable wear of the silicone layer could be observed, which was not properly fixed to the underlying, more robust nickel layer. Furthermore, the comparison of two relative smooth release agents on the basis of flouropolymers respectively PFA revealed, that demoulding was possible in hot condition of mould and part, but differences in the release layer structure caused likewise a different wearout performance: while the single layered PFA-release agent showed rather local attack down to the mould substrate material (cohesive energy dissipation / force distribution into the PFA layer down to aluminium substrate), in case of the double-layerd release agent, consisting of a PFA-toplayer applied onto an underlaying PEEK-layer, a rather plane-like attack along the release agent surface could be observed (adhesive energy dissipation / force distribution along the PEEK/PFA interface). The enhanced plane-like surface roughening and thus partially exposed adhesive PEEK-sublayer resulted in significantly enhanced adhesion between mould and moulded part. Consequently, less demoulding steps could be performed in the latter case. The addition of anti-adhesive mica particles, dispersed in both permanent release coatings, did not show an enhanced demoulding performance, whereas particles were eroded during the demoulding course. With the actual performance of a polymer-based release agent to be rather semi-permanent, the following optimized release agent concept is proposed: a single-layer release agent assisted by release-active particles imbedded in a wear- and aging resistance matrix (nickel/PTFE) should be favored over multilayered systems. In addition, the surface roughness (clamping potential) as well as the surface energy (wettability tendency) of the release agent layer should be minimized. Thereby the classical contact angle measurement for surface energy determination should be used to investigate the polarity of the release agent layer (test liquids: water, ethylenglycol, diiodomethane), which should be the opposite of that for the moulded part material. With respect to actual wettability prediction by altering surface roughness, the contact angle between the release agent and the apparent part material should be evaluated against the principle of Wenzel state. Finally, a stiff release agent layer would support the transfer of the de-moulding energy towards the mould/part interface (instead of energy dissipation into the release agent layer during its deformation). Preliminar results gained by this work revealed that tracking the release agent condition by means of surface topography variation (scratches, roughening, wearout) or resin accumulation on micro scale is possible by use of a Laser Scanning Microscope. This kind of surface characterization method respectively further investigation, especially on vertical mould surfaces and by analizing larger scan windows, could be used to determine a threshold value for release agent surface defects, so that enhanced layer degradation and thereby serious mould/part destruction could be avoided. Another method for predicting the release agent performance could be the monitoring of geometrical solification profiles of resin drops. Placed on a used release layer agent, the contraction of the layer/resin interface was less than on a fresh release agent, indicating a release agent degradation