Fraunhofer ILT vyvíjí laserové metody pro výrobu funkčních vrstev bez PFAS na kovových dílech, součástech kluzných ložisek a elastomerových válcích. Projekty RePEEK, EPOS, LEMBAS a pureWaterSeal ukazují: Vystoupení z věčných chemikálií není možné pouze pomocí vhodných náhradních materiálů. Stejně rozhodující jsou výrobní procesy.
Per- a polyfluorované alkylové látky, zkráceně PFAS, jsou funkčně téměř nepřekonatelné: Jsou chemicky a termicky extrémně stabilní a právě proto jsou pod regulatorním tlakem. Avšak zavedené látky nelze jednoduše nahradit: Snižují tření, chrání před opotřebením a korozí, zabraňují přilnavosti a zajišťují nouzové vlastnosti, když mazací filmy selžou. Kdo je chce nahradit, potřebuje nejen jiný materiál, ale také proces, který tento materiál spolehlivě aplikuje na velmi různé součásti.
V projektech RePEEK, EPOS, LEMBAS a pureWaterSeal vyvíjí Fraunhoferův institut pro laserovou techniku ILT laserové postupy pro PFAS-free vysoce výkonné povlaky na velkých kovových dílech, kluzných ložiskách, těsněních a citlivých elastomerových válcích. V závislosti na aplikaci laser nanáší vrstvy, místně taví materiály nebo cíleně strukturuje povrchy. Přitom přivádí energii přesně, prostorově omezeně a pouze na krátkou dobu do dílu. Tímto způsobem je možné zpracovávat PFAS-free náhradní materiály, které klasické pecní procesy realizují pouze s vysokou energetickou náročností nebo u kterých potřebné teplo může poškodit podkladový díl.
Materiál sám o sobě problém nevyřeší.
„Touha po alternativách bez PFAS zní na první pohled jednoduše: Kritická látka by měla zmizet a jiná by měla převzít její úkol,“ říká Dr. Samuel Moritz Fink, vedoucí skupiny tenkovrstvých procesů na Fraunhofer ILT. „V praxi je však tato výměna výrazně složitější. Materiály obsahující PFAS se často nacházejí přesně tam, kde jsou součásti nejvíce namáhány.“
Náhradní materiály musí být schopny přilnout k kovu, plastu nebo gumě, odolávat vysokým teplotám, při zatížení se neuvolňovat a také být ekonomicky nanášeny na velké součásti. „Materiál jako je polyetheretherketon, zkráceně PEEK, je chemicky a mechanicky velmi zajímavý, ale automaticky nedosahuje všech vlastností například PTFE,“ vysvětluje Fink. PTFE znamená polytetrafluorethylen. „PEEK je tužší, dražší a v závislosti na aplikaci obtížněji zpracovatelný. Pro mnoho průmyslových součástí tedy nestačí pouze vybrat jiný prášek, jinou fólii nebo jiný plast.“
Rozhodující je proces. Jak se náhradní materiál dostane na povrch? Jak se spojuje s dílem? Jak lze zabránit poškození teplotně citlivého materiálu pod ním?
„Alternativy k PFAS nepovažujeme pouze za otázku materiálu,“ vysvětluje Dr. Christian Vedder, vedoucí oddělení povrchových technologií a tvarového odstraňování na Fraunhofer ILT. „Naše výzkumy se zaměřují na laserové procesy, pomocí kterých lze cíleně vytvářet inovativní vrstvené systémy.“ Laserové procesy se zaměřují přesně tam, kde náhradní materiál nedosahuje požadovaných vlastností. Strukturují povrchy, zlepšují spojení s komponentem nebo lokálně mění vrstvy, aniž by došlo k výraznému zahřátí celého dílu.
RePEEK: PEEK povlaky v hybridním procesu
V projektu RePEEK zkoumají odborníci na povrchy, jak lze nanášet PEEK-based povlaky na kovové součásti, které pracují v pohyblivých a silně zatížených systémech. Zaměřují se na aplikace v strojírenství: velké kluzné ložiska, těsnění, písty a magnetické ventily.
Zvlášť názorně se úkol ukazuje u velkých kluzných ložisek, jaké se vyskytují ve větrných turbínách: Hřídel běží v potažené ložiskové misce, dosud většinou s vrstvami obsahujícími PTFE. Jak název napovídá, RePEEK také spoléhá na PEEK.
„PEEK se dnes často nanáší na velké součásti jako fólie nebo se zpracovává jako prášek a poté se tepelně spojuje,“ říká Samuel Fink. „U malých součástí to může fungovat. U tunových kovových komponentů je to však složité: Celá součást musí být vložena do pece, zahřátá na vysokou teplotu a poté pomalu ochlazena.“ Energetická náročnost je vysoká, proces trvá dlouho a na konci se zahřívá mnohem více materiálu, než by bylo potřeba pro samotné pokrytí.
Vědci nejprve pomocí laserového nanášecího procesu vytvářejí kovovou vrstvu. Tento povrch je cíleně drsný a poskytuje plastu oporu. Následně aplikují PEEK prášek ve stejném procesním prostředí a lokálně ho taví. Plast se zakotví v drsné kovové vrstvě; tak vzniká kompozit z kovové funkční vrstvy a PEEKové povrchové vrstvy.
Tým vyvinul speciální tryskovou technologii pro PEEK prášek a již podal žádost o patent. Cyklonová tryska výrazně zpomaluje proudění plynu, takže prášek dopadá s nízkou rychlostí, místo aby se odrazil. Tímto způsobem proces využívá více materiálu, lépe se řídí a pracuje efektivněji.
Velké kluzné ložiska ve větrných turbínách dosud často pracují s vrstvami obsahujícími PTFE. V projektech RePEEK a EPOS vyvíjí Fraunhofer ILT laserové metody pro robustní PEEK povlaky jako alternativu bez PFAS.
EPOS: Vícevrstvé PEEK vrstvy pro velké kluzné ložiska
Na RePEEK již probíhají další práce. V projektu EPOS zkoumá Delil Idris Demir na Fraunhofer ILT, jak lze vrstvy na bázi PEEK bezpečně a v několika vrstvách nanášet na velkoformátové kluzné ložiskové komponenty. Postupné nanášení by mělo umožnit větší tloušťky vrstev, aniž by bylo nutné zahřívat těžké součásti v peci. ACS Coating Systems přináší své dlouholeté zkušenosti s PEEK povlaky, zejména pro takové kluzné povlaky. Společnost vyvíjí takové vrstvené systémy od poloviny 90. let a dnes vyrábí povlaky o tloušťkách od několika mikrometrů až po jeden milimetr. Ředitel Dr. Christoph Stecher doprovází projekt se zaměřením na strukturu vrstev, průmyslovou aplikaci a pozdější sériovou výrobu.
Společnost Polymer Service GmbH Merseburg, zkráceně PSM, zkoumá a hodnotí vznikající vrstvy pod vedením prof. Dr. Katrin Reincke. V centru pozornosti jsou mimo jiné krystalinitá, struktura materiálu a tepelný stav PEEK, stejně jako mechanické a termomechanické vlastnosti. Tato data by měla pomoci sladit laserový proces a vícestupňovou stavbu vrstev tak, aby povlak rovnoměrně přilnul a trvale odolával zatížení v kluzném ložisku. EPOS tím spojuje laserově založený vývoj procesů Fraunhofer ILT, průmyslové zkušenosti s povlakováním od ACS a materiálově technickou odbornost PSM.
LEMBAS: Antiadhezivní vrstvy pro citlivé elastomerové válce
Projekt LEMBAS se zaměřuje na elastomerové válce a role, které se používají ve výrobě fólií, obalovém průmyslu, výrobě papíru a medicínské technice. Částice z povrchu válců mohou rychle způsobit problémy.
»Dosud firmy pro takové aplikace často využívají silikonové povlaky«, vysvětluje Adam El-Sarout, také ze skupiny tenkovrstvých procesů na Fraunhofer ILT. »I když nabízejí potřebné antistatické vlastnosti, ne vždy dosahují odolnosti, kterou moderní vysokorychlostní procesy vyžadují.« V rámci LEMBAS vyvíjí tým společně se specialistou na povlaky Rhenotherm laserové procesy, při nichž se používají vysoce výkonné polymery jako PEEK, polyamid nebo polypropylen. Tyto materiály jsou odolnější proti opotřebení, chemicky odolnější a trvanlivější než silikon a zcela neobsahují PFAS.
»Technická překážka spočívá v teplotním okně«, prozrazuje El-Sarout. »Vysoce výkonné polymery potřebují při tavení vysoké teploty. Elastomery jako EPDM však tuto teplotu snášejí jen omezeně. Kdyby se gumový válec úplně zahřál v peci, substrát by byl poškozen.« Laser přesně tento problém řeší: Vytváří vysokou teplotu pouze lokálně a jen na krátkou dobu v povlakovém materiálu. Tak se funkční vrstva roztaví, zatímco elastomerová součást pod ní zůstává termicky chráněna.
Aby vrstva vydržela trvale, vyvíjejí vědci vedle antistatického materiálu také mezivrstvu, která chrání elastomer a posiluje spojení s vrchní vrstvou. Kromě toho přizpůsobují optické a reologické vlastnosti materiálů laserovému procesu a zkoumají vhodné postupy pro nanášení a laserové předúpravy.
»Náhradní materiál musí nejen splnit požadovanou funkci, ale také odpovídat součásti, teplotnímu limitu substrátu a výrobnímu procesu«, říká Vedder. Pokud se tento krok podaří, spojuje proces několik výhod: méně opotřebení, méně kontaminace produktu, méně čisticích a rozpouštědlových prostředků a výrazně méně energetické náročnosti než u klasických pecních procesů.
pureWaterSeal: PFAS-free těsnění pro vodou založené maziva
V projektu pureWaterSeal vyvíjejí vědci Fraunhoferových institutů pro laserovou techniku ILT a pro materiálové inženýrství IWM udržitelné těsnění, která se obejdou bez PFAS a mohou být provozována s vodou založenými mazivy. Tímto způsobem se tým zaměřuje na dvě ekologické problémy: PFAS se trvale hromadí v životním prostředí, zatímco olejová maziva zatěžují půdu a vodní toky.
Matthias Laermann, vedoucí týmu pro strukturování povrchů na Fraunhoferově institutu pro laserovou techniku ILT, zdůrazňuje: »Jen v Německu se ročně spotřebuje přibližně milion tun olejových maziv. Jeden litr může znečistit až milion litrů podzemní vody. Důsledky jsou znečištěné půdy, kontaminované potraviny a zničené ekosystémy. Hledáme řešení, která tyto výzvy adresují společně.«
Odborníci z Fraunhofer IMW vyvinuli pro to diamantovým podobné uhlíkové povlaky (Diamond-like carbon, DLC), které jsou určeny pro PFAS-free plastové komponenty. Tým Fraunhofer ILT následně strukturoval povlak pomocí laseru a tím lokálně uvolnil vnitřní napětí a mechanické zatížení, aniž by to ovlivnilo stabilitu celé vrstvy. Současně kombinace povlaku a laserové strukturování snižuje tření, zvyšuje odolnost proti opotřebení a prodlužuje životnost těsnění.
První prototypy již pracují v čerpadlech geotermálních elektráren. Společně s průmyslovými partnery nyní vědci přizpůsobují těsnění pro další oblasti použití, včetně aplikací v osobních automobilech, lodních šroubech, větrných turbínách a sklízecích strojích. Současně tým připravuje přenos na větší zařízení a průmyslové množství.
Laser činí výměnu materiálu praktickou
Různé projekty na Fraunhofer ILT ukazují, že odchod od PFAS není pouze změnou materiálu, ale také vyžaduje vhodné výrobní a povrchové procesy. Laser hraje klíčovou roli: Lokálně nanáší materiály, cíleně je taví nebo strukturuje funkční vrstvy, aniž by zbytečně zatěžoval podkladovou součást.
Pro firmy tím vzniká nový prostor pro manévrování. Nemusí čekat na jedno jediné náhradní řešení, které pokryje všechny aplikace PFAS. Fraunhofer ILT vyvíjí společně s průmyslovými partnery přizpůsobené vrstvené systémy pro různé součásti a požadavky: nízkozátěžové povrchy pro kluzná ložiska, odolné proti opotřebení antistatické vrstvy pro válce a PFAS-free těsnicí systémy pro vodou založená maziva.
Kontakt:
