A Fraunhofer ILT lézeralapú eljárásokat fejleszt PFAS-mentes funkcionális rétegek előállítására fém alkatrészeken, csúszócsapágy komponenseken és elasztomer hengereken. A RePEEK, EPOS, LEMBAS és pureWaterSeal projektek azt mutatják: az örök vegyi anyagok elhagyása nem csupán megfelelő helyettesítő anyagokkal érhető el. Ugyanolyan döntő jelentőségűek a gyártási folyamatok.
A per- és polifluorozott alkilanyagok, röviden PFAS, funkcionálisan szinte felülmúlhatatlanok: kémiailag és hőmérsékletileg rendkívül stabilak, és éppen ezért szabályozási nyomás alatt állnak. Azonban a bevett anyagokat nem lehet egyszerűen helyettesíteni: csökkentik a súrlódást, védik a kopást és a korróziót, megakadályozzák a tapadást, és biztosítják a vészüzemeltetési tulajdonságokat, amikor a kenőfilmek megbuknak. Aki helyettesíteni akarja őket, nemcsak más anyagra van szüksége, hanem egy olyan eljárásra is, amely ezt az anyagot megbízhatóan különböző alkatrészekre juttatja el.
A RePEEK, EPOS, LEMBAS és pureWaterSeal projektekben a Fraunhofer Lézertechnikai Intézet (ILT) lézeralapú eljárásokat fejleszt PFAS-mentes nagy teljesítményű bevonatok készítésére nagy fémalkatrészeken, csapágyakon, tömítéseken és érzékeny elasztomer hengereken. Az alkalmazástól függően a lézer rétegeket visz fel, helyileg megolvasztja az anyagokat vagy célzottan struktúrálja a felületeket. Ezzel a lézer pontosan, térben korlátozottan és csak rövid ideig juttatja be az energiát az alkatrészbe. Így PFAS-mentes helyettesítő anyagok dolgozhatók fel, amelyek klasszikus kemencei folyamatok során csak nagy energiaigény mellett alkalmazhatók, vagy ahol a szükséges hőmérséklet károsíthatja az alatta lévő alkatrészt.
A csak az anyag önmagában nem oldja meg a problémát.
»A PFAS-mentes alternatívák iránti vágy elsőre egyszerűnek tűnik: egy kritikus anyagnak el kell tűnnie, egy másiknak pedig át kell vennie a feladatát« - mondja Dr. Samuel Moritz Fink, a Fraunhofer ILT vékonyfilm-technológiák csoportvezetője. »A gyakorlatban azonban ez a csere sokkal bonyolultabb. A PFAS-tartalmú anyagok gyakran pontosan ott találhatók, ahol az alkatrészek a legnagyobb terhelésnek vannak kitéve.«
A helyettesítő anyagoknak fémre, műanyagra vagy gumira kell tapadniuk, magas hőmérsékleteket kell elviselniük, terhelés alatt nem szabad leválniuk, és nagy alkatrészek esetén gazdaságosan kell alkalmazhatóknak lenniük. »Olyan anyag, mint a poliéter-éter-keton, röviden PEEK, kémiailag és mechanikailag nagyon érdekes, de nem automatikusan rendelkezik minden olyan tulajdonsággal, mint például a PTFE«, magyarázza Fink. A PTFE a politetrafluoretilén rövidítése. »A PEEK merevebb, drágább, és az alkalmazástól függően nehezebben feldolgozható. Sok ipari alkatrész esetében ezért nem elegendő egy másik port, egy másik fóliát vagy egy másik műanyagot választani.«
Döntő a folyamat. Hogyan kerül a pótanyag a felületre? Hogyan kapcsolódik a komponenshez? Hogyan lehet megakadályozni, hogy egy hőérzékeny anyag alatta megsérüljön?
„A PFAS-alternatívákat nem csupán anyagkérdésként kezeljük“ – magyarázza Dr. Christian Vedder, a Fraunhofer ILT felülettani és formakivágási osztályának vezetője. „Kutatásunk a lézeralapú eljárásokra összpontosít, amelyekkel innovatív rétegrendszerek célzottan felépíthetők.“ A lézeres folyamatok pontosan ott lépnek működésbe, ahol egy helyettesítő anyag nem éri el a kívánt tulajdonságokat. Strukturálják a felületeket, javítják a kapcsolatot az alkatrésszel, vagy helyben változtatják meg a rétegeket anélkül, hogy az egész alkatrészt erősen felmelegítenék.
RePEEK: PEEK-bevonatok hibrid eljárással
A RePEEK projekt keretében a felület szakértői azt vizsgálják, hogyan lehet PEEK-alapú bevonatokat alkalmazni fém alkatrészeken, amelyek mozgó és erősen igénybevett rendszerekben működnek. A gépgyártásból származó alkalmazások állnak a középpontban: nagy csúszócsapágyak, tömítések, dugattyúk és mágnesszelepek.
Különösen szemléletesen jelenik meg a feladat nagy csúszócsapágyaknál, mint amilyenek a szélerőművekben előfordulnak: Egy tengely egy bevont csapágyházban fut, eddig leginkább PTFE-tartalmú rétegrendszerekkel. Ahogy a neve is sejteti, a RePEEK szintén a PEEK-re épít.
»A PEEK-et ma nagy alkatrészeknél gyakran fóliaként alkalmazzák vagy por formájában dolgozzák fel, majd hővel kapcsolják össze« - mondja Samuel Fink. »Kis alkatrészeknél ez működhet. Tonna súlyú fémkomponenseknél viszont ez bonyolult: az egész alkatrészt be kell tenni egy kemencébe, magas hőmérsékletre kell melegíteni, majd lassan le kell hűteni.« Az energiaigény magas, a folyamat hosszú, és végül sokkal több anyag melegszik fel, mint amennyi a tényleges bevonathoz szükséges.
A kutatók először egy lézeralapú bevonási eljárással fémes réteget hoznak létre. Ez a felület szándékosan durva, és biztosítja a műanyag stabilitását. Ezt követően PEEK-port visznek fel ugyanabban a folyamatkörnyezetben, és helyben megolvasztják. A műanyag a durva fémfelületbe rögzül; így egy fémes funkcionális réteg és PEEK-alapú fedőréteg keveréke jön létre.
A csapat egy speciális fúvókatechnikát fejlesztett ki a PEEK-porhoz, és a folyamatot már szabadalmaztatta. Egy ciklondúzsa erősen lelassítja a gázáramot, így a por alacsony sebességgel ütközik, ahelyett, hogy visszapattanna. Ennek következtében a folyamat több anyagot használ fel, jobban irányítható és hatékonyabban működik.
A nagy csúszócsapágyak szélerőművekben eddig gyakran PTFE-tartalmú rétegrendszerekkel működtek. A RePEEK és EPOS projektekben a Fraunhofer ILT lézeralapú eljárásokat fejleszt ki robusztus PEEK-bevonatokhoz, mint PFAS-mentes alternatívát.
EPOS: Többrétegű PEEK rétegek nagy csapágyakhoz
Az RePEEK-hez már további munkák is kapcsolódnak. Az EPOS projekt keretében Delil Idris Demir a Fraunhofer ILT-nél azt vizsgálja, hogyan lehet PEEK-alapú rétegeket nagy formátumú csúszócsapágy komponenseken folyamatbiztosan és több rétegben kialakítani. A fokozatos bevonás lehetővé teszi a nagyobb rétegvastagságokat anélkül, hogy tonnányi alkatrészeket teljesen fel kellene melegíteni egy kemencében. Az ACS Coating Systems hosszú távú tapasztalatát hozza a PEEK bevonatok terén, különösen az ilyen típusú csúszóbevonatok esetében. A vállalat az 1990-es évek közepe óta fejleszt ilyen rétegrendszereket, és ma már néhány mikrométertől egy milliméterig terjedő vastagságú bevonatokat gyárt. Dr. Christoph Stecher ügyvezető a rétegfelépítés, az ipari alkalmazás és a későbbi sorozatgyártás szempontjából kíséri figyelemmel a projektet.
A Polymer Service GmbH Merseburg, röviden PSM, Prof. Dr. Katrin Reincke vezetésével vizsgálja és értékeli a keletkező rétegeket. A fókuszban többek között a kristályosodás, a szerkezeti felépítés és a PEEK hőállapota, valamint a mechanikai és termomechanikai tulajdonságok állnak. Ezek az adatok segítenek abban, hogy a lézeres folyamatot és a többrétegű rétegezést úgy hangolják össze, hogy a bevonat egyenletesen tapadjon és tartósan ellenálljon a csúszócsapágyak terhelésének. Az EPOS összekapcsolja a Fraunhofer ILT lézeralapú folyamatfejlesztését, az ACS ipari bevonási tapasztalatait és a PSM anyagtudományi szakértelmét.
LEMBAS: Antikapcsoló rétegek érzékeny elasztomer hengerekhez
A LEMBAS projekt az elasztomer hengerekkel és hengerekkel foglalkozik, amelyeket fólia gyártásában, csomagolóiparban, papírgyártásban és orvostechnikában használnak. A hengerek felületéről származó részecskék gyorsan problémát jelenthetnek.
»Eddig a vállalatok gyakran használnak szilikonbevonatokat ilyen alkalmazásokhoz«, magyarázza Adam El-Sarout, aki szintén a Fraunhofer ILT vékonyfilm eljárások csoportjában dolgozik. »Bár biztosítják a szükséges tapadásmentes tulajdonságokat, nem mindig érik el azt a tartósságot, amelyet a modern nagy sebességű folyamatok megkövetelnek.« A LEMBAS keretében a csapat a bevonat szakértőjével, a Rhenothermmel közösen lézeralapú eljárásokat fejleszt, amelyek során nagy teljesítményű polimerek, mint például PEEK, poliamid vagy polipropilén kerülnek felhasználásra. Ezek az anyagok kopásállóbbak, vegyi ellenállóbbak és tartósabbak, mint a szilikon, és teljesen mentesek a PFAS-tól.
»A technikai akadály a hőmérsékleti ablakban rejlik«, árulja el El-Sarout. »A nagy teljesítményű polimerek magas hőmérsékletet igényelnek az olvasztáshoz. Az elasztomerek, mint az EPDM, ezt a hőt csak korlátozottan viselik el. Ha egy gumi hengert teljesen egy kemencébe helyeznénk, a szubsztrát kárt szenvedne.« A lézer pontosan ezt a problémát oldja meg: helyileg és csak rövid ideig generálja a magas hőmérsékletet a bevonat anyagában. Így a funkciós réteg megolvad, míg az alatta lévő elasztomer alkatrész hőmérsékletét megőrzi.
Annak érdekében, hogy a réteg tartósan megmaradjon, a kutatók a tapadásmentes anyag mellett egy közbenső réteget is fejlesztenek, amely védi az elasztomert és erősíti a fedőréteghez való kapcsolódást. Ezen kívül a lézerfolyamathoz igazítják az anyagok optikai és reológiai tulajdonságait, és megfelelő eljárásokat vizsgálnak a felhordásra és a lézeres előkezelésre.
»Egy helyettesítő anyagnak nemcsak a kívánt funkciót kell teljesítenie, hanem illeszkednie kell az alkatrészhez, a szubsztrát hőmérsékleti határához és a gyártási folyamathoz is«, mondja Vedder. Ha ez a lépés sikerül, az eljárás több előnyt egyesít: kevesebb kopást, kevesebb termék szennyeződést, kevesebb tisztítószert és oldószert, valamint lényegesen kevesebb energiafelhasználást, mint a klasszikus kemence folyamatok esetén.
pureWaterSeal: PFAS-mentes tömítések vízalapú kenőanyagokhoz
A pureWaterSeal projekt keretében a Fraunhofer ILT lézertechnikával és a Fraunhofer IWM anyagmechanikával foglalkozó intézetei olyan fenntartható tömítéseket fejlesztenek, amelyek PFAS nélkül működnek és vízalapú kenőanyagokkal üzemeltethetők. Ezzel a csapat két környezeti problémát is megcéloz: a PFAS tartósan felhalmozódik a környezetben, míg az olaj alapú kenőanyagok szennyezik a talajt és a vizeket.
Matthias Laermann, a Fraunhofer ILT lézertechnikai intézet felületstruktúrázási csapatának vezetője hangsúlyozza: »Csak Németországban évente körülbelül egymillió tonna olaj alapú kenőanyagot használnak el. Egyetlen liter akár egymillió liter talajvizet is szennyezhet. A következmények szennyezett talajok, szennyezett élelmiszerek és tönkretett ökoszisztémák. Olyan megoldásokat keresünk, amelyek egyszerre kezelik ezeket a kihívásokat.«
A Fraunhofer IMW szakértői itt gyémántszerű szénbevonatokat (Diamond-like carbon, DLC) fejlesztettek ki, amelyek PFAS-mentes műanyag alkatrészekhez készültek. A Fraunhofer ILT csapata ezt követően lézerrel strukturálta a bevonatot, így helyben csökkentette a belső feszültségeket és mechanikai terheléseket anélkül, hogy a teljes réteg stabilitását befolyásolta volna. Ugyanakkor a bevonat és a lézeres struktúrázás kombinációja csökkenti a súrlódást, növeli a kopásállóságot és meghosszabbítja a tömítések élettartamát.
Az első prototípusok már működnek geotermikus erőművek szivattyúiban. Az ipari partnerekkel együtt a kutatók most a tömítéseket más alkalmazási területekhez is igazítják, beleértve az autók, hajócsavarok, szélturbinák és betakarítógépek alkalmazásait. Párhuzamosan a csapat a nagyobb rendszerekre és ipari darabszámokra való átállást is előkészíti.
A lézer teszi lehetővé az anyagcserét
A Fraunhofer ILT különböző projektjei azt mutatják, hogy a PFAS-mentesség nem csupán anyagváltást jelent, hanem megfelelő gyártási és felületkezelési folyamatokat is megkövetel. A lézer kulcsszerepet játszik: helyben viszi fel az anyagokat, célzottan olvasztja meg őket, vagy struktúrálja a funkciós rétegeket, anélkül, hogy a mögöttes alkatrészt feleslegesen terhelné.
Ezzel a vállalatok számára új lehetőségek nyílnak meg. Nem kell egyetlen helyettesítő megoldásra várniuk, amely minden PFAS alkalmazást lefed. A Fraunhofer ILT ipari partnerekkel közösen különböző alkatrészekhez és követelményekhez igazított rétegrendszereket fejleszt: alacsony súrlódású felületek csapágyakhoz, kopásálló tapadásmentes rétegek hengerekhez, valamint PFAS-mentes tömítőrendszerek vízalapú kenőanyagokhoz.
Kapcsolat:
