Dünne Heizschichten

Zum thermischen Fügen von Kunststofffolien, insbesondere beim Verschließen flexibler Verpackungen, wird überwiegend das Wärmekontaktverfahren eingesetzt. Eine nachhaltige Produktion sowie die Produktsicherheit stellen dabei höchste Anforderungen an die Qualität der Fügenähte, besonders deren Dichtheit und Verschmutzungsfreiheit. Da keine fehlerhaften Produkte zum Verbraucher gelangen sollen, bedarf es intelligenter, adaptiver Prozesse.
Im IGF-Vorhaben »HePhaiStOs« (BG18470) konnte bereits der Funktionsnachweis für neuartige, im Werkzeug integrierte Temperatursensoren mit sehr kurzer Ansprechzeit und hoher Empfindlichkeit erbracht werden. Sie sind in der Lage, jede Fügenaht inline zu prüfen und Abweichungen im Wärmefluss ortsaufgelöst zu identifizieren. Hierauf aufbauend soll eine gezielte partielle Nachheizung betroffener Bereiche die Produktion von Ausschuss vermeiden und ein weiterer Schritt zum adaptiven Siegelwerkzeug erfolgen.
Fügenahtbereiche differenziert lokal zu erwärmen bzw. lokale Temperatursenken, z.B. aufgrund von Falten oder Kontaminationen, auszugleichen, ist mit einem massivem Siegelwerkzeug nach Stand der Technik nicht realisierbar. Vielmehr scheint es sinnvoll, das Werkzeug auf einer definierten Temperatur zu halten und zusätzliche lokale Temperaturanpassungen vorzunehmen. Hierfür kommen Dünnschichtheizer in Betracht, die, ähnlich wie die Temperatursensoren in vorgenanntem IGF-Projekt, aufgesputtert werden und perspektivisch mit diesen kombiniert werden können.
Im IVLV-Projekt sollen ein beispielhafter Schichtaufbau auf einer Metallsiegelschiene realisiert und erreichbare Temperaturen untersucht werden. Inwieweit die Temperatur in der Verbundfolie damit beeinflusst werden kann, wird mithilfe von Dünnschichtthermoelementen in der gegenüberliegenden Siegelschiene überprüft. Die Machbarkeitsstudie beinhaltet:

• Technischer Entwurf, Auswahl und Beschaffung geeigneter Target- bzw. Precursormaterialien, Erarbeitung der Abscheideprozesse und Maskierung
• Iterative Versuche zur Abscheidung einer Schicht mit ausreichender Leistungsdichte
• Aufbau eines Demonstrators
  o Elektrische Isolation gegenüber dem metallischen Träger
  o Realisierung zweier unabhängigen Heizzonen (Schiene 1)
  o Realisierung der Thermoelement- sowie Schutzbeschichtung (Schiene 2)
  o Steuerung für die Dünnschichtheizer
• Evaluierung der Dünnschichtheizer in Siegelversuchen

Die beschriebene Technologieentwicklung bereitet den Weg für eine künftige Integration von Temperaturüberwachung, Ermittlung des Einsinkweges bzw. der Schmelzeverdrängung und lokaler Beheizung unmittelbar auf der Siegelkontaktfläche des Werkzeugs.
Sie adressiert maßgeblich die Prozessstabilität und Produktsicherheit beim Wärmekontaktsiegeln. Mit einer dedizierten Temperierung lassen sich aber auch Temperaturprofile in Folien oder Preforms einprägen, um die Wanddickenverteilung zu beeinflussen. Die Technologie ist zudem geeignet, beim Spritzgießen oder Heißprägen Oberflächenstrukturen und -funktionen von Kunststoffkomponenten ohne Nachbearbeitung herzustellen.