Если вы когда-либо пробовали делать вафли, то наверняка знакомы со следующей проблемой: хорошие вафли получаются только в том случае, если утюг нагревается до нужной температуры. Тот же принцип применяется к производству пластмассовых деталей, таких как дисплеи, облицовки, крышки и приборные панели, с использованием методов литья под давлением. Расплав жидкого пластика вводится в инструмент для формовки стали, который нагревается так же, как вафельница.
Смысл в том, чтобы получить идеальный слепок поверхности инструмента, который может быть гладким, как зеркало, или иметь функциональную структуру. Использование литья под давлением для достижения желаемых структурных и функциональных свойств поверхности пластмассовых деталей задумано как одноэтапный процесс без необходимости каких-либо обширных отделочных работ.
Процесс также должен быть экономичным и энергоэффективным.
Для изготовления пластмассовых деталей с высококачественной поверхностью весь формовочный инструмент нагревается примерно до 110 градусов Цельсия с использованием метода, известного как вариотермический отпуск. Термопластические материалы, такие как поликарбонат, обрабатываются при одинаковых температурах.
Чтобы получить готовую пластиковую деталь, не повредив ее, форму необходимо охладить примерно на 20-30 градусов Цельсия. Это необходимо делать для каждого производственного цикла, прежде чем весь процесс можно будет начать заново, что «съедает значительное количество энергии», — объясняет Александр Фромм из Института механики материалов Фраунгофера IWM во Фрайбурге.
Работая над улучшением ситуации, Фромм и его коллеги объединились с Kunststoff-Zentrum в Лейпциге, чтобы разработать новую технику закалки, которая, в зависимости от продукта, на 90 процентов более энергоэффективна, чем другие методы, используемые на сегодняшний день. Уловка состоит в том, чтобы не нагревать весь инструмент; они могут весить полтонны или даже больше, в зависимости от производимой пластмассовой детали. Все, что сейчас нагревается, — это поверхность инструмента, которая фактически контактирует с расплавом пластика.
Слой толщиной в микрометр
Это возможно благодаря тонкопленочному нагреву. Исследователи наносят покрытие на стенку формовочного инструмента с помощью метода нанесения покрытия на основе вакуума, известного как напыление.
Представьте себе игру в пул, в которой шары представляют собой атомы основного материала — в данном случае из тонкой пленки. Попадание в них богатых энергией ионов заставляет их рикошетить по вакуумной камере.
Распыленный материал наносится на поверхность формовочного инструмента слоями толщиной всего несколько микрометров (1 микрометр равен одной тысячной миллиметра). Для сравнения: человеческий волос имеет толщину примерно 80 микрометров. Это чрезвычайно тонкое покрытие не только может использоваться для нагрева поверхности формовочного инструмента до желаемой температуры, но также способно выдерживать термодинамические напряжения, возникающие во время литья под давлением.
Электрическая изоляция обеспечивается керамическим слоем, который защищает проводящий нагревательный слой от стального инструмента под ним.
Фактически нагревается слой, изготовленный из специально разработанного проводящего твердого материала. В этом случае задача распыления заключается не только в создании идеального изоляционного слоя, чтобы избежать любых коротких замыканий, но и в интеграции датчика в тонкопленочный нагревательный слой. Расположенный здесь датчик может измерять температуру стенки инструмента и использоваться для регулирования производственного процесса.
Чтобы добиться этого, исследователи приступили к интеграции невероятно тонких термопар, сделанных из никеля или никель-хромового сплава, каждая толщиной всего несколько сотен нанометров. Термопары могут быть изготовлены по тонкопленочной технологии и включены в изоляционный слой. Благодаря чрезвычайно малой массе термопары невероятно быстро реагируют на изменения температуры и позволяют напрямую измерять температуру стенки инструмента. Проведя серию лабораторных экспериментов, исследователи смогли продемонстрировать, что нагрев тонкой пленки можно использовать для очень быстрого достижения желаемой температуры стенки инструмента.
В настоящее время исследователи ищут отраслевых партнеров, которые помогут подготовить процесс для использования в серийном производстве.