Il Fraunhofer ILT sviluppa procedure basate su laser per la produzione di strati funzionali privi di PFAS su componenti metallici, componenti di cuscinetti a strisciamento e rulli in elastomero. I progetti RePEEK, EPOS, LEMBAS e pureWaterSeal dimostrano: l'uscita dalle sostanze chimiche perenni non può avvenire solo attraverso materiali sostitutivi adeguati. Anche i processi di produzione sono fondamentali.
Sostanze per- e polifluoroalchiliche, abbreviate come PFAS, sono praticamente insuperabili in termini di funzionalità: sono chimicamente e termicamente estremamente stabili e proprio per questo sono sotto pressione normativa. Tuttavia, i materiali consolidati non possono essere semplicemente sostituiti: riducono l'attrito, proteggono dall'usura e dalla corrosione, prevengono l'adesione e garantiscono le proprietà di emergenza quando i film lubrificanti falliscono. Chi desidera sostituirli ha bisogno non solo di un altro materiale, ma anche di un processo che porti questo materiale in modo affidabile su componenti molto diversi.
Nei progetti RePEEK, EPOS, LEMBAS e pureWaterSeal, l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia laser ILT sviluppa processi basati su laser per rivestimenti ad alte prestazioni privi di PFAS su grandi componenti metallici, cuscinetti, guarnizioni e rulli in elastomero sensibili. A seconda dell'applicazione, il laser applica strati, fonde localmente i materiali o struttura le superfici in modo mirato. In questo modo, l'energia viene introdotta nel componente in modo preciso, limitato spazialmente e solo per un breve periodo. Ciò consente di lavorare materiali sostitutivi privi di PFAS, che i tradizionali processi di forno richiederebbero solo con un elevato dispendio energetico o per i quali il calore necessario danneggerebbe il componente sottostante.
Il materiale da solo non risolve il problema.
»Il desiderio di alternative prive di PFAS sembra inizialmente semplice: una sostanza critica deve scomparire, un'altra deve assumere il suo compito«, afferma il Dr. Samuel Moritz Fink, responsabile del gruppo di processi a film sottile presso il Fraunhofer ILT. »Nella pratica, tuttavia, questo scambio è notevolmente più complesso. I materiali contenenti PFAS si trovano spesso proprio dove i componenti sono sottoposti a carichi maggiori.«
I materiali di sostituzione devono aderire a metallo, plastica o gomma, resistere a temperature elevate, non staccarsi sotto carico e poter essere applicati in modo economico anche su grandi componenti. "Un materiale come il polietere eterechetone, abbreviato PEEK, è chimicamente e meccanicamente molto interessante, ma non possiede automaticamente tutte le proprietà del PTFE, ad esempio", spiega Fink. PTFE sta per politetrafluoroetilene. "Il PEEK è più rigido, più costoso e, a seconda dell'applicazione, più difficile da lavorare. Pertanto, per molti componenti industriali non è sufficiente scegliere una polvere diversa, una pellicola diversa o una plastica diversa."
Decisivo è il processo. Come arriva il materiale di sostituzione sulla superficie? Come si unisce al componente? Come si può evitare che un materiale sensibile alla temperatura venga danneggiato sotto di esso?
«Non consideriamo le alternative ai PFAS come una questione puramente materiale», spiega il Dr. Christian Vedder, responsabile della tecnologia delle superfici e della rimozione della forma presso il Fraunhofer ILT. «La nostra ricerca si concentra su processi basati su laser, con i quali è possibile costruire in modo mirato sistemi di rivestimento innovativi.» I processi laser intervengono esattamente dove un materiale sostitutivo non raggiunge completamente le proprietà richieste. Strutturano le superfici, migliorano il collegamento con il componente o modificano localmente gli strati, senza riscaldare eccessivamente l'intero componente.
RePEEK: Rivestimenti PEEK in processo ibrido
Nel progetto RePEEK, gli esperti di superfici stanno esaminando come le rivestimenti a base di PEEK possano essere applicati su componenti metallici che operano in sistemi in movimento e sottoposti a forti sollecitazioni. L'attenzione è rivolta alle applicazioni nel settore della meccanica: grandi cuscinetti a scorrimento, guarnizioni, pistoni e valvole a solenoide.
Particolarmente chiara è l'attività nei grandi cuscinetti a scorrimento, come quelli presenti nelle turbine eoliche: un albero scorre in una coppa di supporto rivestita, fino ad ora per lo più con sistemi di rivestimento contenenti PTFE. Come il nome suggerisce, RePEEK punta anch'esso sul PEEK.
«PEEK viene oggi spesso applicato come pellicola o lavorato come polvere e successivamente unito termicamente», afferma Samuel Fink. «Per i piccoli componenti può funzionare. Per i componenti metallici pesanti, invece, diventa complicato: l'intero componente deve essere inserito in un forno, portato a temperature elevate e poi raffreddato lentamente.» Il consumo energetico è elevato, il processo richiede molto tempo e alla fine viene riscaldato molto più materiale di quanto sarebbe necessario per il rivestimento effettivo.
I ricercatori iniziano a creare uno strato metallico utilizzando un processo di deposizione basato su laser. Questa superficie è intenzionalmente ruvida e fornisce supporto alla plastica. Successivamente, applicano polvere di PEEK nello stesso ambiente di processo e la fondono localmente. La plastica si ancorerà alla superficie metallica ruvida; così si forma un composito tra uno strato funzionale metallico e uno strato superficiale a base di PEEK.
Il team ha sviluppato una tecnologia di ugelli speciale per la polvere di PEEK e ha già registrato il procedimento per un brevetto. Un ugello a ciclone rallenta notevolmente il flusso di gas, in modo che la polvere colpisca a bassa velocità, invece di rimbalzare. Questo consente al processo di utilizzare più materiale, di essere meglio controllato e di lavorare in modo più efficiente.
Grandi cuscinetti scorrevoli nelle turbine eoliche lavorano finora spesso con sistemi di rivestimento contenenti PTFE. Nei progetti RePEEK ed EPOS, il Fraunhofer ILT sviluppa processi basati su laser per rivestimenti robusti in PEEK come alternativa priva di PFAS.
EPOS: Strati multilayer in PEEK per grandi cuscinetti a scorrimento
An RePEEK si stanno già svolgendo ulteriori lavori. Nel progetto EPOS, Delil Idris Demir del Fraunhofer ILT sta studiando come le strati basati su PEEK possano essere applicati in modo sicuro e in più strati su componenti di cuscinetti scorrevoli di grande formato. L'applicazione graduale dovrebbe consentire spessori di strato maggiori, senza dover riscaldare completamente componenti pesanti in un forno. ACS Coating Systems porta in questo ambito la sua lunga esperienza con le rivestimenti in PEEK, in particolare per tali rivestimenti scorrevoli. L'azienda sviluppa tali sistemi di rivestimento dalla metà degli anni '90 e oggi produce rivestimenti con spessori che vanno da pochi micrometri fino a un millimetro. Il direttore generale Dr. Christoph Stecher segue il progetto con attenzione alla costruzione dello strato, all'applicazione industriale e alla successiva produzione in serie.
La Polymer Service GmbH Merseburg, abbreviata in PSM, esamina e valuta gli strati che si formano sotto la direzione della Prof.ssa Dr. Katrin Reincke. L'attenzione è rivolta, tra l'altro, alla cristallinità, alla struttura del materiale e allo stato termico del PEEK, nonché alle proprietà meccaniche e termomeccaniche. Questi dati dovrebbero aiutare a coordinare il processo laser e la costruzione a più strati in modo che il rivestimento aderisca uniformemente e resista in modo duraturo alle sollecitazioni nel cuscinetto a scorrimento. EPOS unisce così lo sviluppo del processo basato su laser del Fraunhofer ILT, l'esperienza nella rivestitura industriale di ACS e l'expertise in materiali di PSM.
LEMBAS: Strati antiaderenti per rulli in elastomero sensibili
Il progetto LEMBAS si concentra su rulli e cilindri in elastomero, come quelli utilizzati nella produzione di film, nell'industria dell'imballaggio, nella produzione di carta e nella tecnologia medica. Le particelle dalla superficie del rullo possono rapidamente diventare un problema.
»Fino ad ora, le aziende utilizzano spesso rivestimenti in silicone per tali applicazioni«, spiega Adam El-Sarout, anch'egli del gruppo di processi a film sottile presso il Fraunhofer ILT. »Sebbene offrano le necessarie proprietà antiaderenti, non sempre raggiungono la resistenza richiesta dai moderni processi ad alta velocità.« Nel progetto LEMBAS, il team sviluppa insieme allo specialista di rivestimenti Rhenotherm processi basati su laser, in cui vengono utilizzati polimeri ad alte prestazioni come PEEK, poliammide o polipropilene. Questi materiali sono più resistenti all'usura, chimicamente più stabili e durevoli rispetto al silicone e non contengono affatto PFAS.
»L'ostacolo tecnico risiede nella finestra di temperatura«, rivela El-Sarout. »I polimeri ad alte prestazioni richiedono temperature elevate durante la fusione. Gli elastomeri come l'EPDM tollerano però questo calore solo in modo limitato. Se si riscaldasse completamente un rullo di gomma in un forno, il substrato subirebbe danni.« Il laser risolve esattamente questo problema: genera alta temperatura solo localmente e solo per un breve periodo nel materiale di rivestimento. In questo modo, lo strato funzionale si fonde, mentre il componente elastomerico sottostante rimane termicamente protetto.
Affinché lo strato duri nel tempo, i ricercatori sviluppano oltre al materiale antiaderente anche uno strato intermedio che protegge l'elastomero e rafforza il legame con lo strato superficiale. Inoltre, adattano le proprietà ottiche e reologiche dei materiali al processo laser e studiano procedure adeguate per l'applicazione e la pretrattamento laser.
»Un materiale sostitutivo deve non solo soddisfare la funzione desiderata, ma anche adattarsi al componente, al limite di temperatura del substrato e al processo di produzione«, afferma Vedder. Se questo passaggio ha successo, il processo unisce diversi vantaggi: meno usura, meno contaminazioni del prodotto, meno agenti di pulizia e solventi, nonché un notevole risparmio energetico rispetto ai processi tradizionali in forno.
pureWaterSeal: guarnizioni prive di PFAS per lubrificanti a base d'acqua
Nel progetto pureWaterSeal, i ricercatori degli istituti Fraunhofer per la tecnologia laser ILT e per la meccanica dei materiali IWM sviluppano guarnizioni sostenibili che non contengono PFAS e possono essere utilizzate con lubrificanti a base d'acqua. In questo modo, il team affronta contemporaneamente due problemi ambientali: i PFAS si accumulano permanentemente nell'ambiente, mentre i lubrificanti a base di olio inquinano suoli e corsi d'acqua.
Matthias Laermann, responsabile del team di strutturazione delle superfici presso l'istituto Fraunhofer per la tecnologia laser ILT, sottolinea: »Solo in Germania vengono consumate ogni anno circa un milione di tonnellate di lubrificanti a base di olio. Un solo litro può contaminare fino a un milione di litri di acqua sotterranea. Le conseguenze sono suoli inquinati, alimenti contaminati e ecosistemi distrutti. Troviamo soluzioni che affrontano insieme queste sfide.«
Esperti dell'IMW del Fraunhofer hanno sviluppato per questo scopo rivestimenti in carbonio simile al diamante (Diamond-like carbon, DLC), progettati per componenti in plastica privi di PFAS. Il team del Fraunhofer ILT ha successivamente strutturato il rivestimento con il laser, riducendo così tensioni interne e sollecitazioni meccaniche localmente, senza compromettere la stabilità dell'intero strato. Allo stesso tempo, la combinazione di rivestimento e strutturazione laser riduce l'attrito, aumenta la resistenza all'usura e prolunga la vita delle guarnizioni.
I primi prototipi sono già in funzione in pompe di centrali geotermiche. Insieme a partner industriali, i ricercatori stanno ora adattando le guarnizioni ad altri campi di applicazione, tra cui applicazioni in autovetture, eliche navali, pale eoliche e macchine agricole. Parallelamente, il team sta preparando il trasferimento su impianti più grandi e su volumi industriali.
Il laser rende il cambio di materiale praticabile
I diversi progetti presso il Fraunhofer ILT dimostrano che l'uscita dai PFAS non è solo un semplice cambio di materiale, ma richiede anche processi di produzione e di superficie adeguati. Il laser gioca un ruolo chiave: applica i materiali localmente, li fonde in modo mirato o struttura gli strati funzionali, senza sovraccaricare inutilmente il componente sottostante.
Per le aziende, ciò crea un nuovo margine di manovra. Non devono aspettare una sola soluzione sostitutiva che copra tutte le applicazioni PFAS. Il Fraunhofer ILT sviluppa insieme a partner industriali sistemi di rivestimento personalizzati per diversi componenti e requisiti: superfici a bassa attrito per cuscinetti scorrevoli, strati antiaderenti resistenti all'usura per rulli e sistemi di guarnizione privi di PFAS per lubrificanti a base d'acqua.
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