10 Sep. Mit Laserprozessen PFAS ersetzen
Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt in mehreren Forschungsprojekten laserbasierte Verfahren für PFAS-freie Funktionsschichten (per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen, FPAS) auf Metallbauteilen, Gleitlagern, Dichtungen und Elastomerwalzen. PFAS-haltige Materialien werden unter anderem eingesetzt, um Reibung zu senken, vor Verschleiß und Korrosion zu schützen oder Anhaftungen zu verhindern. Ersatzmaterialien müssen diese Anforderungen erfüllen und sich zugleich zuverlässig verarbeiten lassen.
Bei den neuen Verfahren des Fraunhofer ILT trägt je nach Anwendung ein Laser Schichten auf, schmilzt Werkstoffe lokal auf oder strukturiert Oberflächen. Durch den räumlich und zeitlich begrenzten Energieeintrag lassen sich so Ersatzwerkstoffe verarbeiten, bei denen klassische Ofenprozesse einen hohen Energieaufwand verursachen oder das Bauteil thermisch belasten würden.
Laser statt Ofenprozess
Im Projekt RePEEK untersucht die Forschenden PEEK-basierte Beschichtungen für große Gleitlager, Dichtungen, Kolben und Magnetventile. Bei großen Bauteilen wird PEEK bislang üblicherweise als Folie oder Pulver aufgebracht und anschließend thermisch gefügt. Dafür muss das gesamte Bauteil erwärmt und wieder abgekühlt werden.
Beim RePEEK-Verfahren erzeugen die Forschenden zunächst laserbasiert eine gezielt raue metallische Schicht. Anschließend bringen sie PEEK-Pulver auf und schmelzen es lokal auf. Der Kunststoff verankert sich in der Metalloberfläche und bildet mit ihr einen Verbund. Im darauf aufbauenden Projekt ‚Epos‘ untersucht das Fraunhofer ILT mit Industrie- und Forschungspartnern, wie sich solche PEEK-Schichten auf großformatigen Gleitlagerkomponenten prozesssicher und mehrlagig aufbauen lassen.
Eine PFAS-freie diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtung wird durch eine laserbasierte Mikrostrukturierung gezielt angepasst. Die strukturierte Variante (rechts) reduziert innere Spannungen und ermöglicht den Einsatz wasserbasierter Schmiermittel. Bild: Fraunhofer ILT
Lokaler Wärmeeintrag schützt das Elastomer
Im Projekt ‚Lembas‘ entwickeln die Fraunhofer-Forschenden gemeinsam mit Rhenotherm PFAS-freie Anti-Haft-Schichten für Elastomerwalzen, wie sie etwa in der Folienherstellung, Verpackungsindustrie, Papierproduktion und Medizintechnik eingesetzt werden. Hochleistungspolymere wie PEEK, Polyamid oder Polypropylen benötigen beim Aufschmelzen hohe Temperaturen, während Elastomere wie EPDM nur begrenzt thermisch belastbar sind. Der Laser bringt hier die erforderliche Energie lokal und kurzzeitig in das Beschichtungsmaterial ein. Dadurch lässt sich die Funktionsschicht aufschmelzen, ohne das darunterliegende Elastomer ebenso stark zu erwärmen. Zusätzlich entwickeln die Forschenden eine Zwischenschicht, die das Elastomer schützen und die Verbindung zur Deckschicht verbessern soll.
Wasserbasiert schmieren
Im Projekt PureWaterSeal entwickeln das Fraunhofer ILT und das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM PFAS-freie Dichtungen für den Betrieb mit wasserbasierten Schmiermitteln. Dafür kommen diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtungen (Diamond-like Carbon, DLC) zum Einsatz, die das ILT anschließend mit dem Laser strukturiert. Dadurch sollen sich innere Spannungen und mechanische Belastungen lokal reduzieren. Nach Angaben der Forschenden sinkt zugleich die Reibung, während Verschleißfestigkeit und Lebensdauer der Dichtungen steigen.
Erste Prototypen werden laut den Forschenden bereits in Pumpen von Geothermiekraftwerken eingesetzt. Gemeinsam mit Industriepartnern passen die Forschenden die Dichtungen derzeit an weitere Anwendungen an und bereiten die Übertragung auf größere Anlagen und industrielle Stückzahlen vor.
Quelle: www.ilt.fraunhofer.de
Bild: Fraunhofer ILT, Aachen / Ralf Baumgarten
Bildunterschrift: Dr. Samuel Moritz Fink, Julius Funke und Rebar Hama-Saleh Abdullah (von rechts) entwickeln ein neuartiges Verfahren, um PEEK laserbasiert auf metallische Bauteile aufzubringen