Fraunhofer ILT razvija laserske metode za proizvodnju PFAS-slobodnih funkcionalnih slojeva na metalnim dijelovima, komponentama ležajeva i elastičnim valjcima. Projekti RePEEK, EPOS, LEMBAS i pureWaterSeal pokazuju: Izlazak iz vječnih kemikalija ne može se postići samo odgovarajućim zamjenskim materijalima. Jednako su odlučujući i proizvodni procesi.
Per- i polifluorirani alkilni spojevi, skraćeno PFAS, funkcionalno su teško nadmašivi: kemijski i termički su izuzetno stabilni i upravo zbog toga su pod regulatornim pritiskom. No, uspostavljene tvari nije lako zamijeniti: smanjuju trenje, štite od trošenja i korozije, sprječavaju prianjanje i osiguravaju svojstva nužnog rada kada filmovi za podmazivanje ne uspiju. Tko ih želi zamijeniti, treba ne samo drugi materijal, već i postupak koji taj materijal pouzdano dovodi na vrlo različite komponente.
U projektima RePEEK, EPOS, LEMBAS i pureWaterSeal, Fraunhofer Institut za lasersku tehnologiju ILT razvija laserske procese za visokoučinkovite premaze bez PFAS-a na velikim metalnim dijelovima, ležajevima, brtvama i osjetljivim elastomer valjcima. Ovisno o primjeni, laser nanosi slojeve, lokalno topi materijale ili ciljano strukturira površine. Pri tome unosi energiju precizno, prostorno ograničeno i samo na kratak vremenski period u komponentu. Tako se mogu obrađivati zamjenski materijali bez PFAS-a koji klasični pećnički procesi zahtijevaju samo uz visoke energetske troškove ili kod kojih potrebna toplina može oštetiti donji dio komponente.
Samo materijal ne rješava problem.
»Želja za alternativama bez PFAS-a na prvi se pogled čini jednostavnom: Kritična tvar treba nestati, a druga preuzeti njezinu ulogu«, kaže dr. Samuel Moritz Fink, voditelj grupe za tankoslojne procese na Fraunhofer ILT-u. »U praksi je međutim ova zamjena znatno složenija. Materijali koji sadrže PFAS često se nalaze upravo na mjestima gdje su dijelovi najviše opterećeni.«
Zamjenske tvari moraju se vezati za metal, plastiku ili gumu, izdržati visoke temperature, ne smiju se odvojiti pod opterećenjem i također se moraju ekonomično primjenjivati na velikim dijelovima. "Materijal poput polietereterketona, skraćeno PEEK, kemijski i mehanički je vrlo zanimljiv, ali ne postiže automatski sve osobine, na primjer, PTFE-a", objašnjava Fink. PTFE označava politetrafluoretilen. "PEEK je krutiji, skuplji i ovisno o primjeni teže ga je obraditi. Stoga za mnoge industrijske dijelove nije dovoljno samo odabrati drugi prah, drugu foliju ili drugu plastiku."
Određujuća je metoda. Kako dolazi zamjenski materijal na površinu? Kako se povezuje s komponentom? Kako se može spriječiti da se ispod ošteti materijal osjetljiv na temperaturu?
»Alternativama za PFAS ne pristupamo samo kao pitanju materijala«, objašnjava dr. Christian Vedder, voditelj odjela za tehnologiju površina i oblikovno uklanjanje na Fraunhofer ILT. »Naša istraživanja fokusiraju se na laserske procese koji omogućuju ciljano stvaranje inovativnih slojnih sustava.« Laserski procesi djeluju upravo tamo gdje zamjenski materijal ne postiže potpuno tražene karakteristike. Oni strukturiraju površine, poboljšavaju vezu s komponentom ili lokalno mijenjaju slojeve, a da pritom ne zagrijavaju cijelu komponentu previše.
RePEEK: PEEK premazivanje u hibridnom postupku
U projektu RePEEK stručnjaci za površine istražuju kako se PEEK-bazni premazi mogu nanijeti na metalne dijelove koji rade u pokretnim i jako opterećenim sustavima. U fokusu su primjene iz strojarstva: veliki klizni ležajevi, brtve, klipovi i magnetski ventili.
Osobito je slikovito zadatak kod velikih kliznih ležajeva, kakvi se javljaju u vjetroturbinama: Osovina se kreće u obloženoj ležajnoj školjci, dosad najčešće s PTFE-sadržanim slojnim sustavima. Kao što ime sugerira, RePEEK također koristi PEEK.
»PEEK se danas često nanosi na velike dijelove u obliku folije ili se obrađuje kao prah, a zatim se termički spaja«, kaže Samuel Fink. »To može funkcionirati kod malih dijelova. Međutim, kod metalnih komponenti teških tona to postaje složeno: cijeli dio mora ići u peć, zagrijati se na visoku temperaturu, a zatim se polako ohladiti.« Potrošnja energije je visoka, proces traje dugo, a na kraju se zagrijava mnogo više materijala nego što je potrebno za samu oblogu.
Istraživači prvo stvaraju metalni sloj pomoću laserski potpomognutog postupka nanošenja. Ova površina je ciljano hrapava i pruža plastici potporu. Nakon toga, u istom procesnom okruženju nanose PEEK prah i lokalno ga tope. Plastika se učvršćuje u hrapavoj metalnoj površini; tako nastaje kompozit od metalnog funkcionalnog sloja i PEEK-baznog površinskog sloja.
Tim je razvio posebnu tehnologiju mlaznica za PEEK prah i već je prijavio postupak za patent. Ciklonska mlaznica snažno usporava protok plina, tako da prah udari s malom brzinom umjesto da se odbija. Time proces koristi više materijala, lakše se kontrolira i radi učinkovitije.
Velike klizne ležajeve u vjetroturbinama do sada često rade s PTFE-sadržanim slojnim sustavima. U projektima RePEEK i EPOS, Fraunhofer ILT razvija laserske postupke za robusne PEEK premazne sustave kao PFAS-slobodnu alternativu.
EPOS: Višeslojne PEEK-ploče za velike klizne ležajeve
Na RePEEK-u već se odvijaju daljnji radovi. U projektu EPOS, Delil Idris Demir na Fraunhofer ILT istražuje kako se PEEK-bazni slojevi mogu procesno sigurno i u više slojeva nanositi na velike komponente kliznih ležajeva. Postupno nanošenje treba omogućiti veće debljine slojeva, bez potrebe da se teški dijelovi potpuno zagrijavaju u peći. ACS Coating Systems unosi svoje dugogodišnje iskustvo s PEEK premazima, posebno za takve klizne premaze. Tvrtka razvija takve sustave premaza od sredine 1990-ih i danas proizvodi premaze debljine od nekoliko mikrometara do jednog milimetra. Direktor Dr. Christoph Stecher prati projekt s obzirom na izgradnju slojeva, industrijsku primjenu i kasniju serijsku proizvodnju.
Polymer Service GmbH Merseburg, skraćeno PSM, ispituje i ocjenjuje nastale slojeve pod vodstvom prof. dr. Katrin Reincke. U fokusu su, između ostalog, kristaliničnost, struktura materijala i termičko stanje PEEK-a, kao i mehanička i termomehanička svojstva. Ovi podaci trebaju pomoći u usklađivanju laserskog procesa i višeslojnog sloja tako da premaz ravnomjerno prianja i trajno podnosi opterećenja u kliznom ležaju. EPOS povezuje laserski proces razvoja Fraunhofer ILT-a, industrijsko iskustvo premazivanja ACS-a i materijalnu stručnost PSM-a.
LEMBAS: Antislojni slojevi za osjetljive elastomerne valjke
Projekt LEMBAS fokusira se na elastomerne valjke i role, koji se koriste u proizvodnji folija, pakirnoj industriji, proizvodnji papira i medicinskoj tehnologiji. Čestice s površine valjka mogu brzo postati problem.
»Dosad su tvrtke za takve primjene često koristile silikonske premaze«, objašnjava Adam El-Sarout, također iz grupe za tankoslojne procese na Fraunhofer ILT. »Iako nude potrebna svojstva protiv lijepljenja, ne postižu uvijek trajnost koju moderni procesi visoke brzine zahtijevaju.« U okviru LEMBAS-a tim zajedno s specijalistima za premaze Rhenotherm razvija laserske postupke u kojima se koriste visoko performativni polimeri poput PEEK-a, poliamida ili polipropilena. Ovi materijali su otporniji na habanje, kemijski izdržljiviji i dugotrajniji od silikona te su potpuno bez PFAS-a.
»Tehnička prepreka leži u temperaturnom prozoru«, otkriva El-Sarout. »Visoko performativni polimeri zahtijevaju visoke temperature prilikom topljenja. Elastomeri poput EPDM-a podnose tu toplinu samo ograničeno. Ako bi se gumeni valjak potpuno zagrijao u peći, supstrat bi bio oštećen.« Laser rješava upravo ovaj problem: stvara visoku temperaturu samo lokalno i samo na kratko u materijalu za premazivanje. Tako se funkcionalni sloj topi, dok elastomerni dio ispod ostaje termički zaštićen.
Kako bi sloj trajno držao, istraživači razvijaju pored materijala protiv lijepljenja i međusloj koji štiti elastomer i jača vezu s gornjim slojem. Osim toga, prilagođavaju optička i reološka svojstva materijala laserskom procesu i istražuju prikladne metode za nanošenje i lasersku predobradu.
»Zamjenski materijal ne smije samo ispunjavati željenu funkciju, već se mora uklapati u komponentu, temperaturnu granicu supstrata i proizvodni proces«, kaže Vedder. Ako uspije ovaj korak, postupak spaja više prednosti: manje habanja, manje kontaminacije proizvoda, manje sredstava za čišćenje i otapala, kao i znatno manje potrošnje energije nego kod klasičnih pećnih procesa.
pureWaterSeal: PFAS-besplatna brtvila za vodene mazive
U projektu pureWaterSeal istraživači Fraunhoferovih instituta za lasersku tehnologiju ILT i za mehaniku materijala IWM razvijaju održiva brtvila koja ne sadrže PFAS i mogu se koristiti s vodenim mazivima. Time tim istovremeno rješava dva ekološka problema: PFAS se trajno nakupljaju u okolišu, dok maziva koja sadrže ulje opterećuju tla i vode.
Matthias Laermann, voditelj tima za strukturiranje površina na Fraunhofer institutu za lasersku tehnologiju ILT naglašava: »Samo u Njemačkoj godišnje se potroši oko milijun tona maziva koja sadrže ulje. Jedan jedini litra može kontaminirati do milijun litara podzemne vode. Posljedice su zagađena tla, kontaminirana hrana i uništeni ekosustavi. Pronalaženje rješenja koja zajedno adresiraju ove izazove je naš cilj.«
Stručnjaci Fraunhofer IMW-a razvili su za to dijamantne slične karbonske premaze (Diamond-like carbon, DLC) koji su namijenjeni za PFAS-besplatne plastične komponente. Tim Fraunhofer ILT-a potom je strukturirao premaz laserom i time lokalno smanjio unutarnje napetosti i mehanička opterećenja, bez ugrožavanja stabilnosti cijelog sloja. Istovremeno, kombinacija premaza i laserskog strukturiranja smanjuje trenje, povećava otpornost na habanje i produžava vijek trajanja brtvila.
Prvi prototipovi već rade u pumpama geotermalnih elektrana. Zajedno s industrijskim partnerima, istraživači sada prilagođavaju brtvila za dodatna područja primjene, uključujući primjene u osobnim automobilima, brodskim propelerima, vjetroturbinama i strojevima za žetvu. Paralelno, tim priprema prijenos na veće sustave i industrijske količine.
Laser čini promjenu materijala praktičnom
Različiti projekti na Fraunhofer ILT-u pokazuju da izlazak iz PFAS-a nije samo promjena materijala, već zahtijeva i odgovarajuće proizvodne i površinske procese. Laser igra ključnu ulogu: lokalno nanosi materijale, ciljano ih topi ili strukturira funkcionalne slojeve, bez nepotrebnog opterećenja donjih komponenti.
Za tvrtke se time otvara novi prostor. Ne moraju čekati na jedno jedino rješenje zamjene koje pokriva sve PFAS primjene. Fraunhofer ILT zajedno s industrijskim partnerima razvija prilagođene slojne sustave za različite komponente i zahtjeve: površine s niskim trenjem za klizne ležajeve, slojeve otpornije na habanje za valjke te PFAS-besplatne sustave brtvljenja za vodene mazive.
Kontakt:
