Ziel des gemeinsam von der Hochschule Esslingen und dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM beantragten Vorhabens ist die Erarbeitung industrietauglicher Fertigungsverfahren zur Erzeugung bioinspirierter Nanostrukturen hoher Gebrauchs­bestän­digkeit auf Polymeroberflächen mit richtungsabhängigen, in weiten Bereichen frei einstellbaren, bedarfsgerechtem Reibwert (Reibwert-on-Demand). Mögliche Anwendungen umfassen die Bereiche Medizin- und Mikrosystemtechnik sowie die Lager- und Fördertechnik. Im angestrebten Spritzgießprozess können sowohl kleine als auch große Flächen strukturiert und somit funktionalisiert werden. Um dieses Ziel zu erreichen sollen im Vorhaben Prozesse zur PVD-basierten, großflächigen Abscheidung gerichteter (anisotroper) Nanostrukturen erarbeitet werden. Derartige Strukturen sollen auf Werkzeugen für den Kunststoffspritzguss appliziert und im Spritz­gießprozess in vernetzende Polymere abgeformt werden, sodass Strukturen nach dem Vorbild der California King Snake auf der Polymeroberfläche erzeugt werden können. Deren Haut verfügt über eine spezielle, anisotrope Mikro- und Nanostruktur, die der Schlange eine sichere Fortbewegung selbst auf schwierigsten Untergründen erlaubt. Die Werkzeug­oberfläche kann dabei eben oder leicht gekrümmt sein und auf der Oberfläche bereits eine über konventionelle Bearbeitungsverfahren eingebrachte Mikrostruktur aufweisen. Die Aufbringung anisotroper Nanostrukturen soll durch eine angepasste Prozessführung im Beschichtungs­prozess sowie unter Ausnützung von Selbstorganisations­effekten im Schicht­wachstum erreicht werden. Im Spritzgießprozess soll untersucht werden, wie durch eine gezielte Prozessführung die Strukturen auf den Werk­zeugoberflächen auf die Komponentenoberflächen übertragen und dabei prozesssicher entformt werden können. Für eine erhöhte Gebrauchsbeständigkeit sollen die Nanostrutkuren in Liquid Silicone Rubber (LSR) abgeformt werden, einem Silikon, welches sich zur Verarbeitung im Spritzgießprozess eignet. Zur optimierten Replikation wird mittels variothermer Temperaturführung gearbeitet. Hier wird, im Gegensatz zur Verarbeitung von Thermoplasten, die Werkzeugoberfläche vor dem Einspritzen aktiv gekühlt.

Im Verlauf des Vorhabens sollen derart nanostrukturierte Demonstratorbauteile abgemustert und bezüglich ihrer Reibwerteigenschaften und Beständigkeiten charakterisiert werden. Damit soll der Nachweis der anisotropen, tribologischen Wirkung von Nanostrukturen und damit der gezielten, richtungsabhängigen Reib­wertmodifikation erbracht werden. Perspektivisch können damit z.B. verbesserte Instrumente für die minimalinvasive Chirurgie bereitgestellt werden, die dem Operateur ein gegenüber bestehenden Lösungen wesentlich verbessertes, haptisches Feedback zur Verfügung stellen. Eine weitere Anwendung wird in der Fördertechnik gesehen, bei der richtungsabhängige und verschleißarme Oberflächen z.B. bei Vibrationwendelförderer genutzt werden können.

Laufzeit: Oktober 2018 – Dezember 2021
Projektpartner: Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik IWM
Projektträger: VDI Technologiezentrum, Projektträger der Baden-Württemberg Stiftung
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Matthias Deckert, Dennis Weißer, M.Sc. 

Veröffentlichung im Rahmen des Forschungsprojekts:

•  Calculating the temperature and degree of cross-linking for liquid silicone rubber processing in injection molding (Journal of Advanced Manufacturing and Processing)