PFAS-freie Beschichtungen: Fraunhofer ILT entwickelt laserbasierte Prozesse für industrielle Funktionsschichten

fTeilen

Das Fraunhofer ILT entwickelt laserbasierte Verfahren für die Herstellung
PFAS-freier Funktionsschichten auf Metallbauteilen, Gleitlagerkomponenten
und Elastomerwalzen. Die Projekte RePEEK, EPOS, LEMBAS und pureWaterSeal
zeigen: Der Ausstieg aus den Ewigkeitschemikalien gelingt nicht allein
durch geeignete Ersatzmaterialien. Ebenso entscheidend sind
Fertigungsprozesse.

Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen, kurz PFAS, sind funktional kaum
zu übertreffen: Sie sind chemisch und thermisch extrem stabil und genau
deshalb regulatorisch unter Druck. Doch die etablierten Stoffe lassen sich
nicht einfach austauschen: Sie senken Reibung, schützen vor Verschleiß und
Korrosion, verhindern Anhaftungen und sichern Notlaufeigenschaften, wenn
Schmierfilme versagen. Wer sie ersetzen will, braucht nicht nur ein
anderes Material, sondern auch ein Verfahren, das dieses Material
zuverlässig auf sehr unterschiedliche Bauteile bringt.

In den Projekten RePEEK, EPOS, LEMBAS und pureWaterSeal entwickelt das
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT laserbasierte Verfahren für PFAS-
freie Hochleistungsbeschichtungen auf großen Metallbauteilen, Gleitlagern,
Dichtungen und empfindlichen Elastomerwalzen. Je nach Anwendung trägt der
Laser Schichten auf, schmilzt Werkstoffe lokal auf oder strukturiert
Oberflächen gezielt. Dabei bringt er die Energie präzise, räumlich
begrenzt und nur für kurze Zeit in das Bauteil ein. So lassen sich PFAS-
freie Ersatzwerkstoffe verarbeiten, die klassische Ofenprozesse nur mit
hohem Energieaufwand aufbringen oder bei denen die notwendige Wärme das
darunterliegende Bauteil schädigen.

Das Material allein löst das Problem nicht

»Der Wunsch nach PFAS-freien Alternativen klingt zunächst einfach: Ein
kritischer Stoff soll verschwinden, ein anderer soll seine Aufgabe
übernehmen«, sagt Dr. Samuel Moritz Fink, Gruppenleiter
Dünnschichtverfahren am Fraunhofer ILT. »In der Praxis ist dieser
Austausch jedoch deutlich komplexer. PFAS-haltige Materialien sitzen oft
genau dort, wo Bauteile am stärksten belastet werden.«

Ersatzstoffe müssen auf Metall, Kunststoff oder Gummi haften, hohe
Temperaturen aushalten, sich bei Belastung nicht lösen und auch bei großen
Bauteilen wirtschaftlich aufgebracht werden können. »Ein Material wie
Polyetheretherketon, kurz PEEK, ist chemisch und mechanisch sehr
interessant, erreicht aber nicht automatisch alle Eigenschaften von
beispielsweise PTFE«, erklärt Fink. PTFE steht für Polytetrafluorethylen.
»PEEK ist steifer, teurer und je nach Anwendung schwieriger zu
verarbeiten. Für viele industrielle Bauteile reicht es daher nicht, ein
anderes Pulver, eine andere Folie oder einen anderen Kunststoff
auszuwählen.«

Entscheidend ist das Verfahren. Wie kommt das Ersatzmaterial auf die
Oberfläche? Wie verbindet es sich mit dem Bauteil? Wie lässt sich
verhindern, dass ein temperaturempfindlicher Werkstoff darunter beschädigt
wird?

»Wir betrachten PFAS-Alternativen nicht als reine Materialfrage«,
erläutert Dr. Christian Vedder, Abteilungsleiter Oberflächentechnik und
Formabtrag am Fraunhofer ILT. »Unsere Forschung konzentriert sich auf
laserbasierte Verfahren, mit denen sich innovative Schichtsysteme gezielt
aufbauen lassen.« Laserprozesse setzen genau dort an, wo ein
Ersatzmaterial die geforderten Eigenschaften nicht vollständig erreicht.
Sie strukturieren Oberflächen, verbessern die Verbindung zum Bauteil oder
verändern Schichten lokal, ohne das gesamte Bauteil stark zu erwärmen.

RePEEK: PEEK-Beschichtungen im Hybridverfahren

Im Projekt RePEEK untersuchen die Oberflächenexperten, wie sich PEEK-
basierte Beschichtungen auf metallische Bauteile aufbringen lassen, die in
bewegten und stark belasteten Systemen arbeiten. Im Fokus stehen
Anwendungen aus dem Maschinenbau: große Gleitlager, Dichtungen, Kolben und
Magnetventile.

Besonders anschaulich wird die Aufgabe bei großen Gleitlagern, wie sie in
Windkraftanlagen vorkommen: Eine Welle läuft in einer beschichteten
Lagerschale, bislang meist mit PTFE-haltigen Schichtsystemen. Wie der Name
schon ahnen lässt, setzt RePEEK ebenfalls auf PEEK.

»PEEK wird heute bei großen Bauteilen oft als Folie aufgebracht oder als
Pulver verarbeitet und anschließend thermisch gefügt«, sagt Samuel Fink.
»Bei kleinen Bauteilen kann das funktionieren. Bei tonnenschweren
Metallkomponenten wird es dagegen aufwendig: Das gesamte Bauteil muss in
einen Ofen, auf hohe Temperatur gebracht und danach wieder langsam
abgekühlt werden.« Der Energieaufwand ist hoch, der Prozess dauert lange,
und erhitzt wird am Ende viel mehr Material, als für die eigentliche
Beschichtung nötig wäre.

Die Forschenden erzeugen zunächst mit einem laserbasierten
Auftragsverfahren eine metallische Schicht. Diese Oberfläche ist gezielt
rau und gibt dem Kunststoff Halt. Anschließend bringen sie PEEK-Pulver im
selben Prozessumfeld auf und schmelzen es lokal auf. Der Kunststoff
verankert sich in der rauen Metalloberfläche; so entsteht ein Verbund aus
metallischer Funktionsschicht und PEEK-basierter Deckschicht.

Das Team hat für das PEEK-Pulver eine spezielle Düsentechnik entwickelt
und das Verfahren bereits zum Patent angemeldet. Eine Zyklondüse bremst
den Gasstrom stark ab, sodass das Pulver mit geringer Geschwindigkeit
auftrifft, statt abzuprallen. Dadurch nutzt der Prozess mehr Material,
lässt sich besser steuern und arbeitet effizienter.

EPOS: Mehrlagige PEEK-Schichten für große Gleitlager

An RePEEK schließen bereits weitere Arbeiten an. Im Projekt EPOS
untersucht Delil Idris Demir am Fraunhofer ILT, wie sich PEEK-basierte
Schichten auf großformatigen Gleitlagerkomponenten prozesssicher und in
mehreren Lagen aufbauen lassen. Der schrittweise Auftrag soll größere
Schichtdicken ermöglichen, ohne tonnenschwere Bauteile vollständig in
einem Ofen zu erwärmen. ACS Coating Systems bringt dafür seine langjährige
Erfahrung mit PEEK-Beschichtungen ein, insbesondere auch für ebensolche
Gleitbeschichtungen. Das Unternehmen entwickelt solche Schichtsysteme seit
Mitte der 1990er-Jahre und fertigt heute Beschichtungen mit Dicken von
wenigen Mikrometern bis zu einem Millimeter. Geschäftsführer Dr. Christoph
Stecher begleitet das Projekt mit Blick auf den Schichtaufbau, die
industrielle Applikation und die spätere Serienfertigung.

Die Polymer Service GmbH Merseburg, kurz PSM, prüft und bewertet die
entstehenden Schichten unter der Leitung von Prof. Dr. Katrin Reincke. Im
Fokus stehen unter anderem die Kristallinität, die Gefügestruktur und der
thermische Zustand des PEEK sowie die mechanischen und thermomechanischen
Eigenschaften. Diese Daten sollen dabei helfen, den Laserprozess und den
mehrlagigen Schichtaufbau so aufeinander abzustimmen, dass die
Beschichtung gleichmäßig haftet und den Belastungen im Gleitlager
dauerhaft standhält. EPOS verbindet damit die laserbasierte
Prozessentwicklung des Fraunhofer ILT, die industrielle
Beschichtungserfahrung von ACS und die werkstofftechnische Expertise von
PSM.

LEMBAS: Anti-Haft-Schichten für empfindliche Elastomerwalzen

Das Projekt LEMBAS setzt bei elastomeren Walzen und Rollen an, wie sie in
der Folienherstellung, Verpackungsindustrie, Papierproduktion und
Medizintechnik laufen. Partikel aus der Walzenoberfläche können dort
schnell zum Problem werden.

»Bisher nutzen Unternehmen für solche Anwendungen häufig
Silikonbeschichtungen«, erklärt Adam El-Sarout, ebenfalls aus der Gruppe
Dünnschichtverfahren am Fraunhofer ILT. »Sie bieten zwar die nötigen Anti-
Haft-Eigenschaften, erreichen aber nicht immer die Beständigkeit, die
moderne Hochgeschwindigkeitsprozesse verlangen.« Bei LEMBAS entwickelt das
Team gemeinsam mit dem Beschichtungsspezialisten Rhenotherm laserbasierte
Verfahren, bei denen Hochleistungspolymere wie PEEK, Polyamid oder
Polypropylen zum Einsatz kommen. Diese Materialien sind abriebfester,
chemisch beständiger und langlebiger als Silikon und kommen vollständig
ohne PFAS aus.

»Die technische Hürde liegt im Temperaturfenster«, verrät El-Sarout.
»Hochleistungspolymere brauchen beim Aufschmelzen hohe Temperaturen.
Elastomere wie EPDM vertragen diese Wärme aber nur begrenzt. Würde man
eine Gummiwalze vollständig in einem Ofen erhitzen, würde das Substrat
Schaden nehmen.« Der Laser löst genau dieses Problem: Er erzeugt die hohe
Temperatur nur lokal und nur für kurze Zeit im Beschichtungsmaterial. So
schmilzt die Funktionsschicht auf, während das elastomere Bauteil darunter
thermisch geschont bleibt.

Damit die Schicht dauerhaft hält, entwickeln die Forschenden neben dem
Anti-Haft-Material auch eine Zwischenschicht, die das Elastomer schützt
und die Verbindung zur Deckschicht stärkt. Außerdem passen sie die
optischen und rheologischen Eigenschaften der Materialien an den
Laserprozess an und untersuchen geeignete Verfahren für Auftrag und
Laservorbehandlung.

»Ein Ersatzstoff muss nicht nur die gewünschte Funktion erfüllen, sondern
auch zum Bauteil, zur Temperaturgrenze des Substrats und zum
Produktionsprozess passen«, sagt Vedder. Gelingt dieser Schritt, verbindet
das Verfahren mehrere Vorteile: weniger Abrieb, weniger
Produktverunreinigungen, weniger Reinigungs- und Lösungsmittel sowie
deutlich weniger Energieaufwand als bei klassischen Ofenprozessen.

pureWaterSeal: PFAS-freie Dichtungen für wasserbasierte Schmiermittel

Im Projekt pureWaterSeal entwickeln Forschende der Fraunhofer-Institute
für Lasertechnik ILT und für Werkstoffmechanik IWM nachhaltige Dichtungen,
die ohne PFAS auskommen und sich mit wasserbasierten Schmiermitteln
betreiben lassen. Damit setzt das Team zugleich bei zwei Umweltproblemen
an: PFAS reichern sich dauerhaft in der Umwelt an, während ölhaltige
Schmierstoffe Böden und Gewässer belasten.

Matthias Laermann, Leiter des Teams Oberflächenstrukturierung am
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT betont: »Allein in Deutschland
werden jährlich rund eine Million Tonnen ölhaltiger Schmierstoffe
verbraucht. Ein einziger Liter kann bis zu einer Million Liter Grundwasser
verseuchen. Die Folgen sind verölte Böden, verseuchte Nahrungsmittel und
zerstörte Ökosysteme. Wir finden Lösungen, die diese Herausforderungen
zusammen adressieren.«

Expertinnen und Experten des Fraunhofer IMW entwickelten hierfür
diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtungen (Diamond-like carbon, DLC), die
für PFAS-freie Kunststoffkomponenten ausgelegt sind. Das Fraunhofer ILT
Team strukturierte die Beschichtung anschließend mit dem Laser und baute
dadurch innere Spannungen und mechanische Belastungen lokal ab, ohne die
Stabilität der gesamten Schicht zu beeinträchtigen. Gleichzeitig senkt die
Kombination aus Beschichtung und Laserstrukturierung die Reibung, erhöht
die Verschleißfestigkeit und verlängert die Lebensdauer der Dichtungen.

Erste Prototypen arbeiten bereits in Pumpen von Geothermiekraftwerken.
Gemeinsam mit Industriepartnern passen die Forschenden die Dichtungen nun
an weitere Einsatzfelder an, darunter Anwendungen in Pkw,
Schiffsschrauben, Windrädern und Erntemaschinen. Parallel bereitet das
Team die Übertragung auf größere Anlagen und industrielle Stückzahlen vor.

Der Laser macht den Materialwechsel erst praktikabel

Die unterschiedlichen Projekte am Fraunhofer ILT zeigen, dass der PFAS-
Ausstieg kein reiner Materialwechsel ist, sondern auch passende
Fertigungs- und Oberflächenprozesse erfordert. Der Laser spielt dabei eine
Schlüsselrolle: Er trägt Materialien lokal auf, schmilzt sie gezielt auf
oder strukturiert Funktionsschichten, ohne das darunterliegende Bauteil
unnötig zu belasten.

Für Unternehmen entsteht dadurch ein neuer Spielraum. Sie müssen nicht auf
eine einzige Ersatzlösung warten, die alle PFAS-Anwendungen abdeckt. Das
Fraunhofer ILT entwickelt gemeinsam mit Industriepartnern angepasste
Schichtsysteme für unterschiedliche Bauteile und Anforderungen:
reibungsarme Oberflächen für Gleitlager, abriebfeste Anti-Haft-Schichten
für Walzen sowie PFAS-freie Dichtungssysteme für wasserbasierte
Schmiermittel.