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外文翻译
通过微结构的PVD涂层注塑模具注塑具有功能表面的产品
Kirsten Bobzin•Nazlim Bagcivan•Arnold Gillner•Claudia Hartmann•Jens Holtkamp•Walter Michaeli•Fritz Klaiber•Maximilian Scho¨ngart•SebastianTheiß
收到:2011年2月11日/接受:2011年4月29日/在线发布:2011年5月15日德国生产工程学会(WGP)2011
摘要通过注塑成型微结构导致模具的特殊要求。关于模制部件的耐磨性和低释放力。同时不允许影响复制精度。物理气相沉积(PVD)是应用具有如硬度,低粗糙度,低杨氏模量和较低的聚合物熔体粘附性等适用性能的涂料之一。物理气相沉积技术允许在微结构上沉积薄膜。因此,必须研究这些PVD层对复制微结构轮廓精度的影响。为此目的,注射模具插件是激光结构的,具有不同尺寸的微结构,然后涂覆有两个不同的涂层,其通过磁控溅射离子镀PVD技术沉积。沉积后,通过关于硬度,杨氏模量和形态的技术分析涂层。通过扫描电子显微镜在涂层前后分析微结构的几何形状。之后,将涂覆的模具插入物用于注塑实验。在注射成型过程中,使用常规和变温的模具温度控制。通过激光显微镜分析模制件的粗糙度,结构高度和结构宽度。
关键词:微结构 PVD 激光结构注塑成型变温 CrAlN
1介绍
高薪和低工资国家制造业公司之间的竞争通常发生在生产型经济和规划型经济两个层面。低工资国家的生产重点是规模经济,而高工资国家则试图结合规模和地域。在第二维度- 规划导向型经济体- 高工资国家的公司通过复杂的投资密集型规划系统和生产系统来优化流程,而低工资国家的公司措施简单,坚定的以价值流为导向的流程链。。这两个二分法产生了生产的多重性。
生产的多样性只能通过综合的研究方法来解决。解决规模和地域之间的二分法的一种方法是混合生产。这包括将不同物理机制或生产步骤组合成一个机器和混合产品的混合生产过程。具有功能表面的宏观塑料产品由于通过使用微结构模具而在单步骤过程中产生的表面上的微观结构。为了大量生产这些功能性产品,塑料工业需要结构化,高度耐用的模具,聚合物熔体的粘合性低,并且对于小型结构容易喷射。为了形成这样一个模具,需要在一侧进行精确的结构化方法,另一侧需要进行适当的表面修改。激光消融是构建挑战的有力解决方案。
今天,对于精确的激光烧蚀,使用重复率通常为100 kHz的纳秒脉冲。 mm3 min-1之间的消融速率可达到1-2 lm的深度精度。在纳秒范围内,激光照射的热影响导致几微米的典型熔化深度以及由熔体固化和熔体表面张力控制和定义的表面质量。使用ps激光器的研究显示出更高的精度,这是由于完全不同的激光相互作用机制,具有显着不同的热影响和产生的质量[1-4]。通常,光子和物质的相互作用是基于材料的自由和结合电子上的电磁能的吸收。电子被加热并且在特征时间之后将其能量转移到材料的晶格上。考虑到激光材料相互作用通常发生在具有过热电子气的光子和电子之间的激光材料相互作用,并且通过特定耦合系数的材料将能量转移到晶格。,因此温度升高和热行为被描述为双温度模型。
在纳秒激光处理中,能量转移发生在激光脉冲的持续时间内,而在皮秒激光处理中,能量转移发生在一定的相互作用时间之后。对于金属来说,该转移时间通常在一些皮秒的范围内,这意味着材料在激光脉冲结束后被加热。因此,光子与熔体和蒸发材料没有相互作用。结果是更准确的消融,因为消融主要是由材料的蒸发而不是熔体排出引起的。
在近净形状工艺中纳米和微结构的模制需要减少模制部件的释放力。为了满足这些要求,必须减少注射速度和保压压力等重要工艺参数,以便在不损坏的情况下进行脱模。这导致纳米和微结构的不完全复制和表面官能度的降低。成功的关键是将注塑成型工艺的常规温度管理系统改变为面向未来的变温过程,并通过使用现代表面工程改造模具表面。薄膜工艺技术物理气相沉积(PVD)有助于保护塑料加工模具的良好性能。由于模具工作期间的高机械负荷,建议提高涂层的高耐磨性。对于光学产品的生产,需要化学惰性和耐磨模具表面以减少生产的光学产品的污染[5,6]。含铬(Cr)涂层具有了高度的保护涂层潜力。第一种氮化铬薄膜在20世纪80年代被保藏[7]。虽然不能达到氮化钛(TiN)的硬度[8],但在许多介质中观察到耐腐蚀性提高。此外,添加铝(Al)导致硬度的增加并且影响薄膜微结构[9,10],也观察到作为耐磨保护涂层的高电位[10-12]。这是获得用于注塑的纳米或微结构和涂层模具有两种方法。对于小结构尺寸,涂层可以直接结构化,对于较大的结构,薄膜沉积在结构化模具表面上。
本文涉及先前激光结构的模具插件的涂层和随后的注塑实验。工艺链如