PVD-Schichtsysteme für die additive Fertigung von Kunststoffen

Die additive Fertigung von Kunststoffen, vor allem das Fused Layer Modeling (FLM), gewinnt im industriellen sowie privaten Gebrauch zunehmend an Bedeutung. Allerdings beschränkt sich der industrielle Einsatz weitestgehend auf den Prototypenbau aufgrund der geringen Qualität sowie Festigkeit der gedruckten Bauteile, welche durch prozessbedingte und nicht-steuerbare Temperatur- und Druckschwankungen im HotEnd-Kanal verursacht werden. In Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Maschinenelemente werden im AiF gefördertem Projekt „Dünnschichtsensoren und -aktoren zur Inline-Steuerung von schmelzeführenden Kanälen“ PVD-Dünnschichten entwickelt, um Temperatur- und Druckmessungen im FLM-Verfahren zu ermöglichen und den Einfluss dieser Prozessschwankungen entgegenzuwirken.

Neben der Funktionalität der Sensorschichten muss ein zusätzlicher Schutz gegen diversen Kunststoffschmelzen und Kurzschlüsse gewährleistet sein, der durch die Bestromung für die Messung bedingt ist. AlCrON Dünnschichten zeigen sich in ersten Untersuchungen als besonders geeignet, aufgrund ihrer hohen thermischen Stabilität, chemischen Inertheit sowie Verschleißbeständigkeit, welche vom Al- und O-Gehalt abhängen sowie letzterer zudem die Benetzbarkeit der Schichten gegenüber der Kunststoffschmelze beeiflusst.

So wurde jetzt der Einfluss des O-Gehalts durch die Variation der O₂ Gasflussrate während der Magnetron-Kathodenzerstäubung auf die tribo-mechanischen Eigenschaften gegenüber Polypropylen (PP) und Polyamid (PA), aber auch auf die elektrischen Eigenschaften von AlCrON untersucht. Mit steigender O₂-Zufuhr verändert sich die Schicht infolge der Chemie von einer nitridischen zu einer oxynitridischen und schließlich zu einer rein oxidischen Struktur.

Die oxynitridische Schicht mit 22,2 At.-% O (q_O2 = 15 sccm) zeichnet sich durch die höchste Härte aus, die auf die Bildung von harten AlCrN- und Cr₂N-Phasen zurückzuführen ist. Diese Schicht weist gleichzeitig eine geringere Benetzbarkeit auf, was zu einer unterschiedlich starken Verringerung des Reibkoeffizienten je nach eingesetztem Kunststoff beiträgt. Bereits bei geringem O-Gehalt konnte eine Erhöhung der elektrischen Durchschlagfestigkeit nachgewiesen werden, wobei die oxidischen Schichten die höchste und beständigste elektrische Isolationsfähigkeit aufweisen. Insgesamt wird die Schicht mit 22,2 At.-% O als besonders vielversprechend für den Einsatz als Verschleißschutzschicht auf Sensoren in FLM-Prozessen bewertet.

Die aus der Studie bestimmte AlCrON Deckschicht wird dann als Decklage auf den Schichtverbund für die Dünnschichtsensoren in den HotEnds appliziert. Diese setzt sich zusammen aus einer Al₂O₃-Schicht, die die Sensorschicht (Cu für die Heizwendel, NiCr-Ni für den Temperatursensor Typ K) gegen den HotEnd-Stahl elektrisch isolieren soll. Anschließend wird das gesamte Schichtsystem unter Realbedingungen mit verschiedenen Kunststoffen, einschließlich solcher mit abrasiven Füllstoffen, auf ihre Beständigkeit und Funktionalität getestet.

Die vollständigen Ergebnisse zur Einflussuntersuchung des O-Gehalts auf AlCrON Dünnschichten wurden in der Special Issue „50th International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films (ICMCTF 2024)” des Journals „Surface and Coatings Technology” veröffentlicht und steht unter folgendem Link zur verfügung: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.131649

                                                                                                                                   Verfasst von Julia Urbanczyk, 08.01.2025