Fraunhofer ILT opracowuje oparte na laserze metody produkcji funkcjonalnych warstw wolnych od PFAS na metalowych elementach, komponentach łożysk ślizgowych i wałkach elastomerowych. Projekty RePEEK, EPOS, LEMBAS i pureWaterSeal pokazują: wyjście z chemikaliów wiecznych nie jest możliwe tylko dzięki odpowiednim materiałom zastępczym. Równie decydujące są procesy produkcyjne.
Per- i polifluorowane substancje alkilowe, w skrócie PFAS, są funkcjonalnie trudne do przeskoczenia: są chemicznie i termicznie niezwykle stabilne i właśnie dlatego podlegają regulacjom. Jednak ustalone substancje nie mogą być po prostu wymienione: zmniejszają tarcie, chronią przed zużyciem i korozją, zapobiegają przyleganiu i zapewniają właściwości awaryjne, gdy filmy smarne zawodzą. Kto chce je zastąpić, potrzebuje nie tylko innego materiału, ale także procesu, który niezawodnie przyniesie ten materiał na bardzo różne elementy.
W projektach RePEEK, EPOS, LEMBAS i pureWaterSeal Instytut Fraunhofera ds. Techniki Laserowej ILT opracowuje oparte na laserach metody dla wysokowydajnych powłok wolnych od PFAS na dużych elementach metalowych, łożyskach ślizgowych, uszczelkach i wrażliwych rolkach elastomerowych. W zależności od zastosowania laser nakłada warstwy, lokalnie topi materiały lub celowo strukturyzuje powierzchnie. W tym procesie energia jest wprowadzana precyzyjnie, w ograniczonym obszarze i tylko na krótki czas do elementu. Dzięki temu można przetwarzać materiały zastępcze wolne od PFAS, które w klasycznych procesach piecowych wymagają dużego zużycia energii lub w przypadku których niezbędne ciepło mogłoby uszkodzić leżący poniżej element.
Materiał sam w sobie nie rozwiązuje problemu.
„Pragnienie poszukiwania alternatyw wolnych od PFAS na pierwszy rzut oka wydaje się proste: krytyczna substancja ma zniknąć, a inna ma przejąć jej zadanie“, mówi dr Samuel Moritz Fink, kierownik grupy procesów cienkowarstwowych w Fraunhofer ILT. „W praktyce jednak ta wymiana jest znacznie bardziej skomplikowana. Materiały zawierające PFAS często znajdują się dokładnie tam, gdzie elementy są najbardziej obciążone.“
Materiały zastępcze muszą przylegać do metalu, plastiku lub gumy, wytrzymywać wysokie temperatury, nie odrywać się pod obciążeniem i być ekonomicznie stosowane nawet w przypadku dużych elementów. „Materiał taki jak polieteroketon, w skrócie PEEK, jest chemicznie i mechanicznie bardzo interesujący, ale nie automatycznie osiąga wszystkich właściwości, na przykład PTFE”, wyjaśnia Fink. PTFE oznacza politetrafluoroetylen. „PEEK jest sztywniejszy, droższy i w zależności od zastosowania trudniejszy do przetworzenia. Dlatego dla wielu elementów przemysłowych nie wystarczy po prostu wybrać innego proszku, innej folii lub innego plastiku.”
Decydujące jest to, jakim sposobem. Jak materiał zastępczy trafia na powierzchnię? Jak łączy się z elementem? Jak można zapobiec uszkodzeniu wrażliwego na temperaturę materiału znajdującego się poniżej?
„Nie traktujemy alternatyw dla PFAS jako czysto kwestii materiałowej“, wyjaśnia dr Christian Vedder, kierownik działu technologii powierzchni i formowania w Fraunhofer ILT. „Nasze badania koncentrują się na procesach opartych na laserze, które pozwalają na precyzyjne budowanie innowacyjnych systemów powłokowych.“ Procesy laserowe działają dokładnie tam, gdzie materiał zastępczy nie osiąga w pełni wymaganych właściwości. Strukturyzują powierzchnie, poprawiają połączenie z elementem lub lokalnie zmieniają warstwy, nie nagrzewając mocno całego elementu.
RePEEK: Powłoki PEEK w procesie hybrydowym
W projekcie RePEEK eksperci ds. powierzchni badają, jak można nanosić powłoki na bazie PEEK na metalowe elementy, które pracują w ruchomych i mocno obciążonych systemach. W centrum uwagi znajdują się zastosowania z branży inżynieryjnej: duże łożyska ślizgowe, uszczelki, tłoki i zawory elektromagnetyczne.
Szczególnie obrazowo zadanie przedstawia się w przypadku dużych łożysk ślizgowych, jakie występują w turbinach wiatrowych: Wał obraca się w pokrytej misce łożyskowej, dotychczas najczęściej z systemami powłokowymi zawierającymi PTFE. Jak sama nazwa sugeruje, RePEEK również opiera się na PEEK.
„PEEK jest dzisiaj często stosowany na dużych elementach jako folia lub przetwarzany jako proszek, a następnie łączony termicznie“, mówi Samuel Fink. „W przypadku małych elementów może to działać. W przypadku tonowych komponentów metalowych staje się to jednak skomplikowane: cały element musi trafić do pieca, być podgrzewany do wysokiej temperatury, a następnie powoli schładzany.“ Wydatki energetyczne są wysokie, proces trwa długo, a na końcu podgrzewane jest znacznie więcej materiału, niż jest to potrzebne do samego pokrycia.
Naukowcy najpierw wytwarzają metaliczną warstwę za pomocą opartej na laserze metody nakładania. Ta powierzchnia jest celowo szorstka i zapewnia tworzywu sztucznemu stabilność. Następnie w tym samym środowisku procesowym nakładają proszek PEEK i lokalnie go topnieją. Tworzywo sztuczne zakotwicza się w szorstkiej metalowej powierzchni; w ten sposób powstaje kompozyt z metalowej warstwy funkcjonalnej i warstwy wierzchniej na bazie PEEK.
Zespół opracował specjalną technologię dysz dla proszku PEEK i już zgłosił ten proces do opatentowania. Dysza cyklonowa znacznie spowalnia strumień gazu, dzięki czemu proszek uderza z niską prędkością, zamiast odbijać się. W rezultacie proces wykorzystuje więcej materiału, jest lepiej kontrolowany i działa wydajniej.
Duże łożyska ślizgowe w turbinach wiatrowych często działają z systemami powłokowymi zawierającymi PTFE. W projektach RePEEK i EPOS instytut Fraunhofer ILT opracowuje oparte na laserze metody dla trwałych powłok PEEK jako alternatywy wolnej od PFAS.
EPOS: Wielowarstwowe warstwy PEEK dla dużych łożysk ślizgowych
W projekcie EPOS Delil Idris Demir z Fraunhofer ILT bada, jak można w sposób procesowo pewny i w wielu warstwach nanosić warstwy na komponenty łożysk ślizgowych wykonane z PEEK w dużych formatach. Stopniowe nanoszenie ma umożliwić uzyskanie większych grubości warstw, bez konieczności całkowitego podgrzewania tonowych komponentów w piecu. ACS Coating Systems wnosi swoje wieloletnie doświadczenie w zakresie powłok PEEK, szczególnie w przypadku takich powłok ślizgowych. Firma rozwija takie systemy powłokowe od połowy lat 90. XX wieku i obecnie produkuje powłoki o grubości od kilku mikrometrów do jednego milimetra. Dyrektor zarządzający Dr. Christoph Stecher towarzyszy projektowi z uwagi na budowę warstwy, zastosowanie przemysłowe i późniejszą produkcję seryjną.
Firma Polymer Service GmbH Merseburg, w skrócie PSM, bada i ocenia powstające warstwy pod kierownictwem prof. dr Katrin Reincke. W centrum uwagi znajdują się między innymi krystaliczność, struktura mikrostrukturalna oraz stan termiczny PEEK, a także właściwości mechaniczne i termomechaniczne. Dane te mają pomóc w dostosowaniu procesu laserowego oraz wielowarstwowej budowy powłok w taki sposób, aby powłoka równomiernie przylegała i trwałe znosiła obciążenia w łożysku ślizgowym. EPOS łączy w ten sposób rozwój procesów opartych na laserze Fraunhofer ILT, doświadczenie w zakresie przemysłowego pokrywania firmy ACS oraz wiedzę materiałową PSM.
LEMBAS: Powłoki antyadhezyjne dla wrażliwych walców elastomerowych
Projekt LEMBAS koncentruje się na elastomerowych wałkach i rolkach, które są stosowane w produkcji folii, przemyśle opakowaniowym, produkcji papieru i technologii medycznej. Cząstki z powierzchni wałków mogą szybko stać się problemem.
»Dotychczas firmy często korzystają z powłok silikonowych w takich zastosowaniach«, wyjaśnia Adam El-Sarout, również z grupy procesów cienkowarstwowych w Fraunhofer ILT. »Oferują one co prawda niezbędne właściwości antyadhezyjne, ale nie zawsze osiągają trwałość, której wymagają nowoczesne procesy wysokowydajne.« W LEMBAS zespół wspólnie z specjalistą od powłok Rhenotherm opracowuje oparte na laserze metody, w których wykorzystuje się wysokowydajne polimery, takie jak PEEK, poliamid czy polipropylen. Materiały te są bardziej odporne na ścieranie, chemicznie trwałe i długowieczne niż silikon i całkowicie wolne od PFAS.
»Techniczna przeszkoda leży w oknie temperaturowym«, zdradza El-Sarout. »Wysokowydajne polimery wymagają wysokich temperatur podczas topnienia. Elastomery, takie jak EPDM, tolerują tę temperaturę tylko w ograniczonym zakresie. Gdyby wałek gumowy został całkowicie podgrzany w piecu, substrat uległby uszkodzeniu.« Laser rozwiązuje dokładnie ten problem: generuje wysoką temperaturę tylko lokalnie i tylko na krótki czas w materiale powłokowym. W ten sposób warstwa funkcjonalna topnieje, podczas gdy elastomerowy element pozostaje termicznie chroniony.
Aby warstwa była trwała, badacze opracowują oprócz materiału antyadhezyjnego również warstwę pośrednią, która chroni elastomer i wzmacnia połączenie z warstwą wierzchnią. Dodatkowo dostosowują optyczne i reologiczne właściwości materiałów do procesu laserowego oraz badają odpowiednie metody aplikacji i wstępnego przetwarzania laserowego.
»Materiał zastępczy musi nie tylko spełniać pożądane funkcje, ale także pasować do elementu, do granicy temperatury substratu i do procesu produkcji«, mówi Vedder. Jeśli ten krok się powiedzie, proces łączy kilka zalet: mniej ścierania, mniej zanieczyszczeń produktu, mniej środków czyszczących i rozpuszczalników oraz znacznie mniejsze zużycie energii niż w klasycznych procesach piecowych.
pureWaterSeal: uszczelki wolne od PFAS dla smarów na bazie wody
W projekcie pureWaterSeal badacze z instytutów Fraunhofer ILT i IWM opracowują zrównoważone uszczelki, które nie zawierają PFAS i mogą być stosowane z smarami na bazie wody. Zespół zajmuje się jednocześnie dwoma problemami środowiskowymi: PFAS trwale gromadzą się w środowisku, podczas gdy smary zawierające olej obciążają gleby i wody.
Matthias Laermann, kierownik zespołu strukturyzacji powierzchni w Fraunhofer ILT, podkreśla: »Tylko w Niemczech rocznie zużywa się około miliona ton smarów zawierających olej. Jeden litr może zanieczyścić do miliona litrów wód gruntowych. Skutki to zanieczyszczone gleby, zanieczyszczona żywność i zniszczone ekosystemy. Szukamy rozwiązań, które jednocześnie zajmują się tymi wyzwaniami.«
Ekspertki i eksperci z Fraunhofer IMW opracowali w tym celu powłoki węglowe podobne do diamentów (Diamond-like carbon, DLC), które są przeznaczone dla komponentów z tworzyw sztucznych wolnych od PFAS. Zespół Fraunhofer ILT następnie strukturyzował powłokę za pomocą lasera, co pozwoliło na lokalne rozładowanie wewnętrznych napięć i obciążeń mechanicznych, bez wpływu na stabilność całej warstwy. Jednocześnie połączenie powłoki i strukturyzacji laserowej zmniejsza tarcie, zwiększa odporność na zużycie i wydłuża żywotność uszczelek.
Pierwsze prototypy już działają w pompach elektrowni geotermalnych. Wspólnie z partnerami z przemysłu badacze dostosowują teraz uszczelki do innych zastosowań, w tym zastosowań w samochodach osobowych, śrubach okrętowych, turbinach wiatrowych i maszynach rolniczych. Równolegle zespół przygotowuje transfer do większych instalacji i przemysłowych ilości.
Laser sprawia, że zmiana materiału staje się praktyczna
Różne projekty w Fraunhofer ILT pokazują, że wycofanie PFAS nie jest tylko prostą zmianą materiału, ale wymaga również odpowiednich procesów produkcyjnych i powierzchniowych. Laser odgrywa w tym kluczową rolę: nakłada materiały lokalnie, topnieje je celowo lub strukturyzuje warstwy funkcjonalne, nie obciążając niepotrzebnie elementu znajdującego się poniżej.
Dzięki temu przedsiębiorstwa zyskują nową swobodę. Nie muszą czekać na jedno rozwiązanie zastępcze, które pokryje wszystkie zastosowania PFAS. Fraunhofer ILT opracowuje wspólnie z partnerami przemysłowymi dostosowane systemy powłokowe dla różnych elementów i wymagań: powierzchnie o niskim tarciu dla łożysk ślizgowych, odporne na ścieranie powłoki antyadhezyjne dla wałków oraz systemy uszczelniające wolne od PFAS dla smarów na bazie wody.
Kontakt:
