El Fraunhofer ILT desarrolla métodos basados en láser para la producción de capas funcionales libres de PFAS en componentes metálicos, componentes de rodamientos y rodillos de elastómero. Los proyectos RePEEK, EPOS, LEMBAS y pureWaterSeal demuestran: La salida de los productos químicos eternos no se logra solo con materiales de reemplazo adecuados. Los procesos de fabricación también son decisivos.
Las sustancias perfluoradas y polifluoradas, abreviadas como PFAS, son funcionalmente difíciles de superar: son químicamente y térmicamente extremadamente estables y, precisamente por eso, están bajo presión regulatoria. Sin embargo, los materiales establecidos no se pueden reemplazar fácilmente: reducen la fricción, protegen contra el desgaste y la corrosión, evitan adherencias y aseguran propiedades de funcionamiento en caso de que las películas de lubricante fallen. Quien quiera reemplazarlos necesita no solo un material diferente, sino también un proceso que lleve este material de manera confiable a componentes muy diversos.
En los proyectos RePEEK, EPOS, LEMBAS y pureWaterSeal, el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Láser ILT desarrolla métodos basados en láser para recubrimientos de alto rendimiento libres de PFAS en grandes componentes metálicos, rodamientos, sellos y rodillos de elastómero sensibles. Dependiendo de la aplicación, el láser aplica capas, funde materiales localmente o estructura superficies de manera específica. Aporta energía de manera precisa, espacialmente limitada y solo por un corto tiempo al componente. Así se pueden procesar materiales de reemplazo libres de PFAS que los procesos de horno clásicos solo pueden aplicar con un alto consumo de energía o donde el calor necesario dañaría el componente subyacente.
El material por sí solo no resuelve el problema
»El deseo de alternativas libres de PFAS suena inicialmente simple: una sustancia crítica debe desaparecer, otra debe asumir su función«, dice el Dr. Samuel Moritz Fink, líder del grupo de procesos de capas delgadas en el Fraunhofer ILT. »En la práctica, sin embargo, este intercambio es significativamente más complejo. Los materiales que contienen PFAS a menudo se encuentran exactamente donde los componentes están más sometidos a carga.«
Los materiales de reemplazo deben adherirse a metal, plástico o goma, soportar altas temperaturas, no despegarse bajo carga y también poder aplicarse económicamente en grandes componentes. »Un material como el polieteretercetona, abreviado PEEK, es químicamente y mecánicamente muy interesante, pero no alcanza automáticamente todas las propiedades de, por ejemplo, PTFE«, explica Fink. PTFE significa politetrafluoroetileno. »PEEK es más rígido, más caro y, dependiendo de la aplicación, más difícil de procesar. Por lo tanto, para muchos componentes industriales, no es suficiente elegir un polvo diferente, una película diferente o un plástico diferente.«
Lo decisivo es el proceso. ¿Cómo se aplica el material de reemplazo a la superficie? ¿Cómo se une al componente? ¿Cómo se puede evitar que un material sensible a la temperatura se dañe por debajo?
»No consideramos las alternativas a PFAS como una cuestión puramente de material«, explica el Dr. Christian Vedder, jefe del departamento de tecnología de superficies y eliminación de formas en el Fraunhofer ILT. »Nuestra investigación se centra en métodos basados en láser que permiten construir sistemas de capas innovadores de manera específica.« Los procesos láser abordan precisamente donde un material de reemplazo no alcanza completamente las propiedades requeridas. Estructuran superficies, mejoran la conexión con el componente o alteran capas localmente, sin calentar en gran medida todo el componente.
RePEEK: Recubrimientos de PEEK en proceso híbrido
En el proyecto RePEEK, los expertos en superficies investigan cómo se pueden aplicar recubrimientos basados en PEEK a componentes metálicos que operan en sistemas en movimiento y altamente cargados. Se centran en aplicaciones de la ingeniería mecánica: grandes rodamientos, sellos, pistones y válvulas magnéticas.
La tarea se vuelve especialmente ilustrativa en grandes rodamientos, como los que se encuentran en turbinas eólicas: un eje gira en un casquillo de rodamiento recubierto, hasta ahora generalmente con sistemas de capas que contienen PTFE. Como su nombre indica, RePEEK también se basa en PEEK.
»Hoy en día, PEEK se aplica a menudo como una película en grandes componentes o se procesa como un polvo y luego se une térmicamente«, dice Samuel Fink. »En componentes pequeños, esto puede funcionar. Sin embargo, en componentes metálicos que pesan toneladas, se vuelve complicado: todo el componente debe ser llevado a un horno, calentado a alta temperatura y luego enfriado lentamente. El consumo de energía es alto, el proceso dura mucho tiempo y al final se calienta mucho más material del que realmente se necesita para el recubrimiento.
Los investigadores primero generan una capa metálica con un método de aplicación basado en láser. Esta superficie es intencionadamente rugosa y proporciona agarre al plástico. Luego, aplican polvo de PEEK en el mismo entorno de proceso y lo funden localmente. El plástico se ancla en la superficie metálica rugosa; así se crea un compuesto de capa funcional metálica y capa de recubrimiento basada en PEEK.
El equipo ha desarrollado una técnica de boquilla especial para el polvo de PEEK y ya ha solicitado una patente para el proceso. Una boquilla de ciclón desacelera fuertemente el flujo de gas, de modo que el polvo impacta a baja velocidad en lugar de rebotar. Esto permite que el proceso utilice más material, sea más controlable y opere de manera más eficiente.
Los grandes rodamientos en turbinas eólicas han estado utilizando a menudo sistemas de capas que contienen PTFE. En los proyectos RePEEK y EPOS, el Fraunhofer ILT desarrolla métodos basados en láser para recubrimientos robustos de PEEK como alternativa libre de PFAS.
EPOS: Capas de PEEK multicapa para grandes rodamientos
Ya se están llevando a cabo más trabajos en RePEEK. En el proyecto EPOS, Delil Idris Demir investiga en el Fraunhofer ILT cómo se pueden construir capas basadas en PEEK en componentes de rodamientos de gran formato de manera segura en el proceso y en varias capas. La aplicación gradual debe permitir mayores espesores de capa, sin necesidad de calentar completamente componentes que pesan toneladas en un horno. ACS Coating Systems aporta su amplia experiencia en recubrimientos de PEEK, especialmente para tales recubrimientos de deslizamiento. La empresa ha estado desarrollando estos sistemas de capas desde mediados de la década de 1990 y actualmente fabrica recubrimientos con espesores de unos pocos micrómetros hasta un milímetro. El director general, Dr. Christoph Stecher, acompaña el proyecto con un enfoque en la construcción de capas, la aplicación industrial y la posterior producción en serie.
La Polymer Service GmbH Merseburg, abreviada PSM, examina y evalúa las capas resultantes bajo la dirección de la Prof. Dr. Katrin Reincke. Se centran, entre otras cosas, en la cristalinidad, la estructura del material y el estado térmico del PEEK, así como en las propiedades mecánicas y termomecánicas. Estos datos deben ayudar a coordinar el proceso láser y la construcción de capas multicapa de tal manera que el recubrimiento se adhiera de manera uniforme y resista permanentemente las cargas en el rodamiento. EPOS conecta así el desarrollo de procesos basados en láser del Fraunhofer ILT, la experiencia en recubrimiento industrial de ACS y la experiencia en materiales de PSM.
LEMBAS: Capas antiadherentes para rodillos de elastómero sensibles
El proyecto LEMBAS se centra en rodillos y cilindros de elastómero, como los que se utilizan en la producción de películas, la industria del embalaje, la producción de papel y la tecnología médica. Las partículas de la superficie del rodillo pueden convertirse rápidamente en un problema allí.
»Hasta ahora, las empresas suelen utilizar recubrimientos de silicona para estas aplicaciones«, explica Adam El-Sarout, también del grupo de procesos de capas del Fraunhofer ILT. »Aunque ofrecen las propiedades antiadherentes necesarias, no siempre logran la resistencia que exigen los procesos modernos de alta velocidad.« En LEMBAS, el equipo desarrolla junto con el especialista en recubrimientos Rhenotherm procesos basados en láser, en los que se utilizan polímeros de alto rendimiento como PEEK, poliamida o polipropileno. Estos materiales son más resistentes al desgaste, químicamente más estables y duraderos que la silicona y no contienen PFAS en absoluto.
»El obstáculo técnico radica en la ventana de temperatura«, revela El-Sarout. »Los polímeros de alto rendimiento requieren altas temperaturas al fundirse. Sin embargo, los elastómeros como el EPDM solo toleran este calor de manera limitada. Si se calentara completamente un rodillo de goma en un horno, el sustrato sufriría daños.« El láser resuelve precisamente este problema: genera la alta temperatura solo localmente y solo por un corto tiempo en el material de recubrimiento. Así, la capa funcional se funde, mientras que el componente elastomérico debajo se mantiene térmicamente protegido.
Para que la capa se mantenga de forma duradera, los investigadores desarrollan además del material antiadherente una capa intermedia que protege el elastómero y refuerza la conexión con la capa superior. Además, ajustan las propiedades ópticas y reológicas de los materiales al proceso láser y examinan los procedimientos adecuados para la aplicación y el pretratamiento láser.
»Un material de reemplazo no solo debe cumplir la función deseada, sino que también debe adaptarse al componente, al límite de temperatura del sustrato y al proceso de producción«, dice Vedder. Si se logra este paso, el proceso combina varias ventajas: menos desgaste, menos contaminación del producto, menos limpieza y disolventes, así como un consumo de energía significativamente menor que en los procesos de horno clásicos.
pureWaterSeal: sellos libres de PFAS para lubricantes a base de agua
En el proyecto pureWaterSeal, investigadores de los institutos Fraunhofer de tecnología láser ILT y de mecánica de materiales IWM desarrollan sellos sostenibles que funcionan sin PFAS y pueden operar con lubricantes a base de agua. De este modo, el equipo aborda simultáneamente dos problemas ambientales: los PFAS se acumulan de forma permanente en el medio ambiente, mientras que los lubricantes a base de aceite contaminan suelos y aguas.
Matthias Laermann, líder del equipo de estructuración de superficies en el Instituto Fraunhofer de tecnología láser ILT, enfatiza: »Solo en Alemania se consumen anualmente alrededor de un millón de toneladas de lubricantes a base de aceite. Un solo litro puede contaminar hasta un millón de litros de agua subterránea. Las consecuencias son suelos contaminados, alimentos contaminados y ecosistemas destruidos. Encontramos soluciones que abordan estos desafíos de manera conjunta.«
Expertos del Fraunhofer IMW desarrollaron para esto recubrimientos de carbono similares al diamante (Diamond-like carbon, DLC), que están diseñados para componentes plásticos libres de PFAS. El equipo de Fraunhofer ILT estructuró posteriormente el recubrimiento con el láser y, de este modo, eliminó tensiones internas y cargas mecánicas localmente, sin comprometer la estabilidad de toda la capa. Al mismo tiempo, la combinación de recubrimiento y estructuración láser reduce la fricción, aumenta la resistencia al desgaste y prolonga la vida útil de los sellos.
Los primeros prototipos ya están funcionando en bombas de centrales geotérmicas. Junto con socios de la industria, los investigadores están adaptando ahora los sellos a otros campos de aplicación, incluidas aplicaciones en automóviles, hélices de barcos, turbinas eólicas y máquinas de cosecha. Paralelamente, el equipo está preparando la transferencia a instalaciones más grandes y a cantidades industriales.
El láser hace que el cambio de material sea práctico
Los diferentes proyectos en el Fraunhofer ILT muestran que la salida de PFAS no es solo un cambio de material, sino que también requiere procesos de fabricación y de superficie adecuados. El láser juega un papel clave: aplica materiales localmente, los funde de manera específica o estructura capas funcionales, sin cargar innecesariamente el componente subyacente.
Esto crea un nuevo margen de maniobra para las empresas. No tienen que esperar a una única solución de reemplazo que cubra todas las aplicaciones de PFAS. El Fraunhofer ILT desarrolla junto con socios de la industria sistemas de capas adaptados para diferentes componentes y requisitos: superficies de bajo rozamiento para rodamientos, capas antiadherentes resistentes al desgaste para rodillos y sistemas de sellado libres de PFAS para lubricantes a base de agua.
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