Nanotechnologie des Spritzgießens Die Natur als Vorbild: Mottenaugen und Lotuseffekt Prof. Dr.-Ing. Thomas Schröder, Fachbereich Maschinenbau und Kunststofftechnik Deskriptoren - Entspiegelung durch Mottenaugeneffekt - Selbstreinigung durch Lotuseffekt - Direktes Abbilden von Nanostrukturen beim Spritzgießen/Spritzprägen - Werkzeugoberflächenstruktur für die Abbildung von Nanostrukturen - Werkzeugtechnologie (Dynamisches Heizen und Kühlen) - Formteil-Oberflächenabtastung mittels REM und UST - On-Line Prozesskontrolle und Prozessregelung - Korrelation zwischen der Oberflächenabbildung und den Prozessparametern Entspiegelte Gläser, selbstreinigende Fliesen oder Schmutz abweisende Gartenmöbel winzige Strukturen machen es möglich. Die Mikrostrukturierung versieht Oberflächen mit erstaunlichen Eigenschaften. Nano, das griechische Wort für Zwerg, ist ein Kürzel für Maße in der Größenordnung von Millionstel-Millimetern. Der schon oft zitierte Lotusblüteneffekt, als Beispiel aus der Natur, weist nur Oberflächenstrukturen in der Größenordnung 5 3000 Mikrometer auf, während das Mottenauge 1000mal feiner strukturiert ist. In dieser Welt der Atome und Moleküle finden die Anwendungen der Nanotechnologie statt. Winzige Prismenstrukturen auf Scheiben vermeiden Reflektionen. Diese Methode (auch unter Mottenaugen-Effekt bekannt) ist eine Erfindung der Natur: bei entsprechender Vergrößerung im Elektronenmikroskop (ca. 100000fach) zeigen sich auf den Facettenaugen einiger nachtaktiver Insekten kleine Erhebungen die dicht gepackt auf der Oberfläche dafür sorgen, dass das wenige nachts zur Verfügung stehende Licht optimal durch die Facette zu den Sinneszellen geleitet wird. Der Vorteil für die Motten liegt klar auf der Hand. 1 / 8
Die Heilige Lotusblume gilt in den asiatischen Religionen als Symbol der Reinheit: Makellos sauber entfalten sich die Blätter aus dem Schlamm der Gewässer. Dieses Phänomen der Selbstreinigung wurde im Detail untersucht und gewährt erstaunliche Einblicke in die Möglichkeiten der Natur, sich gegen den allgegenwärtigen Schmutz, aber auch gegen Mikroorganismen zu wehren. Durch die Übertragung diese Eigenschaft auf technische Oberflächen können fast alle im Freiland befindlichen Materialien durch Regen gereinigt werden. Ein Grundproblem der Pflanzen ist die ständige Verschmutzung der Blätter. Mitte der siebziger Jahre wurde beobachtet, dass die Oberflächen bestimmter Pflanzen kaum verschmutzen und dass dieses Phänomen immer mit einer Mikrostrukturierung der Oberfläche, sowie aufgelagerten, wasserabstoßenden Wachskristallen im Nanometerbereich verbunden ist. Dabei kam die Vermutung auf, dass die wichtigste Funktion dieser Mikrostrukturierung ein Schutz vor dauerhafter Kontamination ist. Bei diesen Arbeiten wurde ein bemerkenswerter Zusammenhang zwischen Chemie, Ultrastruktur, Benetzbarkeit und Verschmutzbarkeit von Oberflächen erkannt und als Selbstreinigung bezeichnet. Die selbstreinigende Eigenschaft von Oberflächen kann nicht nur an der völlig unverschmutzbaren Lotusblume, sondern auch an vielen anderen Blättern (wie Kohl, Schilf, Kapuzienerkresse, Akelei, Tulpe) sowie an Tieren (wie Libellen und Schmetterlingsflügeln) leicht experimentell demonstriert werden. Die stark verminderte Benetzbarkeit von Blättern stellt ein sehr auffälliges Phänomen dar, das schon seit langer Zeit bekannt ist. Die Theorie der Benetzung von Oberflächen wurde weitgehend zu Beginn des letzen Jahrhunderts erarbeitet, ist im Detail aber bis heute Gegenstand intensiver Forschung. Allgemein lässt sich folgendes festhalten: Die Benetzung eines Stoffes mit Wasser und Luft als umgebendem Medium hängt vom Verhältnis der Grenzflächenspannungen Wasser/Luft, Festkörper/Wasser und Festkörper/Luft ab. Das Verhältnis der Spannungen bestimmt den 2 / 8
Kontaktwinkel eines Wassertropfens auf einer Oberfläche. Ein Kontaktwinkel von 0 bedeutet vollständige Benetzung, das heißt, ein Wassertropfen zerläuft zu einem monomolekularen Film. Ein Kontaktwinkel von 180 bedeutet vollkommene Unbenetzbarkeit, der Tropfen berührt die Oberfläche in nur einem Punkt. Stoffe mit einer hohen Grenzflächenspannung werden besser benetzt als solche mit niedriger Grenzflächenspannung zum Beispiel Teflon. Der Grad der Benetzung eines Festkörpers mit Wasser lässt sich mit Hilfe des Kontaktwinkels beschreiben: Dieser wird bestimmt durch die Verhältnisse der Grenzflächenspan-nungen der Phasen und kann über die Young`s Gleichung errechnet werden. Das Verhalten von Wasser auf einer Oberfläche hängt in starkem Maß von der Rauhigkeit der Oberfläche ab. Ist eine glatte Oberfläche relativ gut benetzbar, dann wird die Benetzbarkeit durch Aufrauhung noch weiter verbessert. Ist eine glatte Oberfläche hydrophob und damit schlecht benetzbar, dann führt eine Aufrauhung zu Superhydrophobie, also extremer Wasserabstoßung. Im letzteren Fall wird die Luft zwischen den Mikrostrukturen und dem Wassertropfen eingeschlossen. Bringt man einen einzelnen Tropfen auf ein intaktes bewachstes Blatt auf, dann kugelt er sich ab und verhält sich so wie auf einer heißen Herdplatte. Durch die Rauhigkeit der Oberfläche wird die Kontaktfläche zwischen Blatt und Wassertropfen extrem minimiert, was ein scheinbar reibungsloses Abrollen der Tropfen ermöglicht. Bei den im Laufe der Evolution optimierten Oberflächen (zum Beispiel der Lotusblume) gehen die superhydrophoben Eigenschaften soweit, dass z.b. Honig und selbst Klebstoffe, wenn sie auf Wasserbasis hergestellt werden (wie UHU) nicht haften bleiben, sondern vollständig vom Blatt ablaufen. Bei einer Kontamination der Blätter mit einem hydrophilen ( wasserliebenden") Schmutz wie Lehm, kann beobachtet werden, dass die Partikel in die Wassertopfen aufgenommen werden und nicht wieder aus ihnen herausgelangen können. Deutlich ist eine Laufspur sichtbar, wo die Tropfen die Partikel aufgenommen haben. Wird statt einer hydrophilen eine hydrophobe (wasserabweisenden) Substanz zur Kontamination verwendet, dann ändert sich das Verhalten an der Oberfläche grundlegend. Wider allen Erwartungen entfernt ein aufgesetzter Wassertropfen die Partikel ebenfalls vom Blatt, obwohl die hydrophoben Partikel eher an der hydrophoben Oberfläche haften sollten als am Wassertropfen. Dabei werden die Partikel jedoch nicht ins Innere des Tropfens aufgenommen, sondern bedecken die Oberfläche des Tropfens gleichmäßig. Es ist erstaunlich, dass eine hydrophobe Substanz durch einen Wassertropfen von einer hydrophoben Oberfläche entfernt wird. Bei Betrachtung der Verhältnisse auf der mikroskopischen Ebene wird der Mechanismus jedoch klarer. Die Partikel liegen nur auf den äußersten Spitzen der Wachskristalle auf. Daher ist auch ihre Kontaktfläche mit der Blattoberfläche extrem gering und damit verbunden auch die 3 / 8
Adhäsionskräfte. Diese sind dabei größer zwischen dem Wassertropfen und dem Partikel als zwischen dem Partikel und der Wachsschicht. Die Partikel haften also an der Wasseroberfläche. Die selbstreinigende Eigenschaft der Oberfläche ist kein zufälliges Begleitphänomen, sondern ist von der Pflanze gewollt. Neben den anorganischen Kontaminantien, die mehrere negative Auswirkungen auf das lebende Gewebe haben (zum Beispiel stärkere Erhitzung unter Sonneneinstrahlung, Säurewirkung, Verschluss von Spaltöffnungen), spielen die organischen in Form von Pilsporen, Bakterien oder Algen für die Pflanzen eine viel bedeutendere Rolle. Die wohl eleganteste Möglichkeit sich zu schützen bietet jedoch die Selbstreinigung. Dadurch wird verhindert, dass sich ein Pathogen auf der Oberfläche überhaupt erst festsetzt. Sporen werden bei jedem Regen abgewaschen, und für den Fall, dass es eine Zeitlang nicht regnet, fehlt ihnen das nötige Wasser für die Keimung. Da die selbstreinigende Eigenschaft ausschließlich auf einer physikalisch-chemischen Grundlage beruht und nicht an ein lebendes System gebunden ist, kann eine selbstreinigende Oberfläche technisch hergestellt werden. Die Werkstoffe für derartige neue Beschichtungen stehen zur Verfügung. Bis heute wurde allerdings die scheinbar widersprüchliche Forderung nach einer rauhen Oberfläche als Grundlage einer sauberen Oberfläche übersehen. Dennoch haben in den letzten Jahren Forschung und Industrie intensive Anstrengungen 4 / 8
unternommen, um schmutzabweisende oder selbstreinigende Oberflächen zu entwickeln. Einige Werkstoffe erlauben es zudem auch, Beschichtungen herzustellen, die neben hydrophoben auch oleophobe Eigenschaften haben. Sie werden also weder von Wasser noch Öl benetzt und können somit als ultraphob bezeichnet werden. Erste Anwendungsgebiete liegen vor allem in der Beschichtung von Fassaden, Dächern, Textilien und in dem weiten Feld der Lackindustrie. Nun gilt es, diesen Vorteil in technische Anwendungen umzusetzen. Eine Möglichkeit die mikrostrukturierten Oberflächen schon während der Formteilfertigung herzustellen, besteht in der Wahl des geeigneten Spritzgieß- oder Spritzprägeverfahrens. Somit ist also kein weiterer, zeit- und kostenaufwändiger Prozessschritt notwendig, und es eröffnen sich zahlreiche Anwendungen, für die alternative Verfahren schlichtweg zu teuer sind. Ohne zusätzliche Beschichtungen ist es möglich, Formteile, die im Spritzgießverfahren hergestellt werden, direkt während der Herstellung mit einer Reflex mindernden Oberflächenstruktur zu versehen. Dabei kommt keine matte und gar aufgeraute Oberfläche zum Vorschein, sondern ein nahezu 100% transparentes Produkt, welches sich durch einen besseren Kontrast und eine gesteigerte Farbbrillanz auszeichnet. Dies ist nur möglich, weil die aufgebrachte Struktur kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes ist. Eine derart strukturierte Oberfläche wirkt nicht matt oder opak, zeigt aber praktisch keine Spiegelungen mehr. 5 / 8
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Voraussetzung ist ein geeignetes Werkzeug, dessen Oberflächen so strukturiert sind, dass beim Spritzgießen der flüssigen Kunststoffschmelze eine Oberflächentextur entsteht, die ähnliche Eigenschaften wie die der Mottenaugen zeigt. Des Weiteren spielt die Temperierung des Werkzeuges eine elementare Rolle. Das dynamische Heiz-Kühlverfahren des Werkzeuges ermöglicht eine optimale, d.h. konturgenaue Abformung bei gleichzeitig kurzen Zykluszeiten. Im Rahmen des Projekts soll zunächst ein Werkzeug mit einem, für die Herstellung von nanostrukturierten Oberflächen notwendigen, Heiz-Kühl-Mechanismus (variotherme Werkzeugtemperierung) entwickelt, konstruiert, gefertigt und erprobt werden. Da die exakte Abformung des strukturierten Werkzeuges eine elementare Voraussetzung für den gewünschten Effekt ist, soll in diesem Projekt die Oberflächenqualität des Formteils, d.h. die Nanostruktur mittels geeigneter Messverfahren erfasst (Rasterelektronenmikroskop (REM), Universal Surface Tester (UST) etc.) untersucht, analysiert und beschrieben werden. Im nächsten Schritt des Projektes sollen die Einstellparameter mittels der Methode der Statistischen Versuchsplanung variiert werden. Im Rahmen dieser Versuchsplanung werden die Prozessdaten (Forminnendruck, Werkzeugwandtemperatur etc.) mittels eines Prozessdatener-fassungssystems (PROMON) aufgezeichnet und Kennzahlen gebildet. Die Messergebnisse des UST werden mit den Kennzahlen verglichen und mittels Regressionsanalyse entsteht daraus eine Modellgleichung zur Beschreibung der Formteilqualität in Abhängigkeit von den Einstell- bzw. Prozessparametern. Ziel des Projekts ist eine Vorhersage der Abbildegenauigkeit (Qualität) der Formteiloberfläche in Abhängigkeit von den wesentlichen Einflussgrößen. Durch die Vorhersage der Formteilqualität (Oberflächenabbildung etc.) kann eine anschließende Qualitätskontrolle entfallen. Schlechte oder mangelhafte Formteile lassen sich automatisch von den guten Formteilen separieren. In einem nächsten Schritt könnte der Prozess über das Prozessmodell online geregelt werden. 7 / 8
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