Fraunhofer ILT dezvoltă metode bazate pe laser pentru fabricarea straturilor funcționale fără PFAS pe componente metalice, componente de lagăre glisante și role din elastomer. Proiectele RePEEK, EPOS, LEMBAS și pureWaterSeal demonstrează: renunțarea la substanțele chimice perene nu se poate realiza doar prin materiale de înlocuire adecvate. Procesele de fabricație sunt la fel de decisive.
Substanțele per- și polifluorurate de alkil, pe scurt PFAS, sunt funcțional greu de depășit: sunt extrem de stabile din punct de vedere chimic și termic și din acest motiv sunt supuse presiunii reglementărilor. Totuși, substanțele consacrate nu pot fi înlocuite cu ușurință: ele reduc frecarea, protejează împotriva uzurii și coroziunii, previn aderarea și asigură proprietăți de funcționare de urgență atunci când filmele de lubrifiere eșuează. Cei care doresc să le înlocuiască au nevoie nu doar de un alt material, ci și de un proces care să aducă acest material în mod fiabil pe componente foarte diferite.
În proiectele RePEEK, EPOS, LEMBAS și pureWaterSeal, Institutul Fraunhofer pentru Tehnologia Laser ILT dezvoltă proceduri bazate pe laser pentru acoperiri de înaltă performanță fără PFAS pe componente metalice mari, lagăre de alunecare, garnituri și role elastomerice sensibile. În funcție de aplicație, laserul aplică straturi, topește materialele local sau structurează suprafețele în mod țintit. Astfel, el introduce energia cu precizie, într-un mod spatial limitat și doar pentru o perioadă scurtă de timp în componentă. Acest lucru permite procesarea materialelor de înlocuire fără PFAS, care în procesele tradiționale de cuptor necesită un consum energetic ridicat sau la care căldura necesară poate deteriora componenta de dedesubt.
Materialul singur nu rezolvă problema.
„Dorința de a găsi alternative fără PFAS pare inițial simplă: o substanță critică ar trebui să dispară, iar alta să preia sarcina“, spune Dr. Samuel Moritz Fink, șeful grupului de procese de peliculă subțire la Fraunhofer ILT. „În practică, însă, această înlocuire este mult mai complexă. Materialele care conțin PFAS se află adesea exact acolo unde componentele sunt supuse celor mai mari solicitări.“
Materialele de înlocuire trebuie să adere la metal, plastic sau cauciuc, să reziste la temperaturi ridicate, să nu se desprindă sub sarcină și să poată fi aplicate economic chiar și pe componente mari. „Un material precum polieteretercetona, pe scurt PEEK, este foarte interesant din punct de vedere chimic și mecanic, dar nu atinge automat toate proprietățile, de exemplu, ale PTFE”, explică Fink. PTFE înseamnă politetrafluoretilen. „PEEK este mai rigid, mai scump și, în funcție de aplicație, mai greu de prelucrat. De aceea, pentru multe componente industriale, nu este suficient să alegi o pulbere diferită, o folie diferită sau un alt tip de plastic.”
Decisiv este procedura. Cum ajunge materialul de înlocuire pe suprafață? Cum se leagă acesta de componentă? Cum se poate preveni deteriorarea unui material sensibil la temperatură de sub acesta?
»Nu considerăm alternativele PFAS doar o problemă de material«, explică Dr. Christian Vedder, șeful departamentului de tehnologia suprafețelor și prelucrarea formelor la Fraunhofer ILT. »Cercetarea noastră se concentrează pe procesele bazate pe laser, cu ajutorul cărora se pot construi sistemele de straturi inovatoare în mod țintit.« Procesele cu laser acționează exact acolo unde un material de înlocuire nu îndeplinește complet cerințele. Ele structurează suprafețele, îmbunătățesc legătura cu componenta sau modifică straturile local, fără a încălzi semnificativ întreaga componentă.
RePEEK: Acoperiri PEEK prin procedeu hibrid
În proiectul RePEEK, experții în suprafețe analizează cum pot fi aplicate straturi pe bază de PEEK pe componente metalice care funcționează în sisteme în mișcare și supuse unor sarcini mari. Accentul este pus pe aplicații din domeniul ingineriei mecanice: lagăre mari, garnituri, pistoane și supape electromagnetice.
În mod deosebit ilustrativă devine sarcina la lagărele mari de alunecare, cum sunt cele întâlnite în turbinele eoliene: Un ax se rotește într-un cuvă de lagăr acoperită, de obicei cu sisteme de straturi care conțin PTFE. Așa cum sugerează și numele, RePEEK se bazează de asemenea pe PEEK.
„PEEK este astăzi adesea aplicat pe componente mari sub formă de folie sau procesat ca pulbere și apoi sudat termic“, spune Samuel Fink. „Pentru componentele mici, acest lucru poate funcționa. În schimb, pentru componentele metalice de tone, devine complicat: întreaga componentă trebuie introdusă într-un cuptor, adusă la o temperatură ridicată și apoi răcită lent.“ Consumul de energie este ridicat, procesul durează mult, iar la final se încălzește mult mai mult material decât ar fi necesar pentru acoperirea propriu-zisă.
Cercetătorii generează mai întâi un strat metalic printr-un proces de aplicare bazat pe laser. Această suprafață este intenționat rugoasă și oferă suport plasticului. Apoi, aplică pulbere de PEEK în același mediu de proces și o topesc local. Plasticul se ancorează în suprafața metalică rugoasă; astfel, se formează un compus dintr-un strat funcțional metalic și un strat de acoperire pe bază de PEEK.
Echipa a dezvoltat o tehnologie specială de duze pentru pulberea PEEK și a solicitat deja un brevet pentru procedeu. O duză cu ciclon încetinește semnificativ fluxul de gaz, astfel încât pulberea să lovească cu o viteză mică, în loc să reboteze. Aceasta permite procesului să utilizeze mai mult material, să fie mai ușor de controlat și să funcționeze mai eficient.
Lagere mari în turbinele eoliene funcționează până acum frecvent cu sisteme de straturi care conțin PTFE. În proiectele RePEEK și EPOS, Fraunhofer ILT dezvoltă proceduri bazate pe laser pentru acoperiri robuste din PEEK ca alternativă fără PFAS.
EPOS: Straturi multilayer de PEEK pentru lagăre de alunecare mari
La RePEEK se finalizează deja alte lucrări. În proiectul EPOS, Delil Idris Demir de la Fraunhofer ILT investighează modul în care straturile pe bază de PEEK pot fi aplicate în mod sigur pe componente mari de lagăre de alunecare, în mai multe straturi. Aplicarea treptată ar trebui să permită obținerea unor grosimi mai mari ale stratului, fără a fi nevoie să se încălzească complet componentele grele într-un cuptor. ACS Coating Systems își aduce experiența de lungă durată în domeniul acoperirilor PEEK, în special pentru astfel de acoperiri de alunecare. Compania dezvoltă astfel de sisteme de strat încă din mijlocul anilor 1990 și produce astăzi acoperiri cu grosimi de la câțiva micrometri până la un milimetru. Directorul general Dr. Christoph Stecher însoțește proiectul având în vedere structura stratului, aplicația industrială și producția ulterioară în serie.
Compania Polymer Service GmbH Merseburg, pe scurt PSM, examinează și evaluează straturile rezultate sub conducerea Prof. Dr. Katrin Reincke. În centrul atenției se află, printre altele, cristalinitatea, structura microstructurală și starea termică a PEEK, precum și proprietățile mecanice și termomecanice. Aceste date ar trebui să ajute la ajustarea procesului laser și a construcției stratificate, astfel încât acoperirea să adere uniform și să reziste permanent la solicitările din lagărul de alunecare. EPOS leagă astfel dezvoltarea proceselor bazate pe laser de experiența în acoperiri industriale a ACS și de expertiza în materiale a PSM.
LEMBAS: Straturi anti-aderente pentru role elastomerice sensibile
Proiectul LEMBAS se concentrează pe role și cilindri elastomeri, așa cum sunt utilizați în producția de folii, industria ambalajelor, producția de hârtie și tehnologia medicală. Particulele de pe suprafața rolelor pot deveni rapid o problemă.
»Până acum, companiile folosesc frecvent pentru astfel de aplicații acoperiri din silicon«, explică Adam El-Sarout, de asemenea din grupul de procese de film subțire de la Fraunhofer ILT. »Deși oferă proprietățile necesare de anti-aderent, nu întotdeauna ating durabilitatea pe care procesele moderne de înaltă viteză o cer.« În cadrul LEMBAS, echipa dezvoltă împreună cu specialistul în acoperiri Rhenotherm procese bazate pe laser, în care sunt utilizate polimeri de înaltă performanță precum PEEK, poliamidă sau polipropilenă. Aceste materiale sunt mai rezistente la uzură, mai rezistente chimic și mai durabile decât siliconul și nu conțin deloc PFAS.
»Obstacolul tehnic constă în fereastra de temperatură«, dezvăluie El-Sarout. »Polimerii de înaltă performanță necesită temperaturi ridicate la topire. Elastomerii precum EPDM suportă însă această căldură doar într-o măsură limitată. Dacă s-ar încălzi complet un cilindru de cauciuc într-un cuptor, substratul ar suferi daune.« Laserul rezolvă exact această problemă: produce temperatura ridicată doar local și doar pentru o perioadă scurtă în materialul de acoperire. Astfel, stratul funcțional se topește, în timp ce componenta elastomerică de dedesubt rămâne protejată termic.
Pentru ca stratul să reziste pe termen lung, cercetătorii dezvoltă, pe lângă materialul anti-aderent, și un strat intermediar care protejează elastomerul și întărește legătura cu stratul superior. De asemenea, își adaptează proprietățile optice și reologice ale materialelor la procesul laser și investighează proceduri adecvate pentru aplicare și pretratare cu laser.
»Un material de înlocuire nu trebuie doar să îndeplinească funcția dorită, ci trebuie să se potrivească și cu componenta, cu limita de temperatură a substratului și cu procesul de producție«, spune Vedder. Dacă acest pas reușește, procesul combină mai multe avantaje: mai puțin uzură, mai puțină contaminare a produsului, mai puține substanțe de curățare și solvenți, precum și un consum de energie semnificativ mai mic decât în procesele clasice de cuptor.
pureWaterSeal: Etanșări fără PFAS pentru lubrifianți pe bază de apă
În proiectul pureWaterSeal, cercetătorii de la institutele Fraunhofer pentru tehnologia laser ILT și pentru mecanica materialelor IWM dezvoltă etanșări durabile, care nu conțin PFAS și pot fi utilizate cu lubrifianți pe bază de apă. Astfel, echipa abordează simultan două probleme de mediu: PFAS se acumulează permanent în mediu, în timp ce lubrifianții pe bază de ulei poluează solurile și corpurile de apă.
Matthias Laermann, liderul echipei de structurare a suprafețelor de la Institutul Fraunhofer pentru tehnologia laser ILT, subliniază: »Numai în Germania, anual se consumă aproximativ un milion de tone de lubrifianți pe bază de ulei. Un singur litru poate contamina până la un milion de litri de apă subterană. Consecințele sunt soluri poluate, alimente contaminate și ecosisteme distruse. Găsim soluții care abordează aceste provocări împreună.«
Experții de la Fraunhofer IMW au dezvoltat pentru aceasta acoperiri din carbon asemănătoare diamantului (Diamond-like carbon, DLC), care sunt concepute pentru componente din plastic fără PFAS. Echipa Fraunhofer ILT a structurat ulterior acoperirea cu laser și a redus astfel tensiunile interne și sarcinile mecanice local, fără a afecta stabilitatea întregului strat. În același timp, combinația dintre acoperire și structurarea cu laser reduce frecarea, crește rezistența la uzură și prelungește durata de viață a etanșărilor.
Primele prototipuri funcționează deja în pompe de centrale geotermale. Împreună cu partenerii din industrie, cercetătorii adaptează acum etanșările la alte domenii de aplicare, inclusiv aplicații în automobile, elice de nave, turbine eoliene și mașini de recoltat. În paralel, echipa pregătește transferul la instalații mai mari și la cantități industriale.
Laserul face ca schimbarea materialului să fie practicabilă
Proiectele diferite de la Fraunhofer ILT arată că ieșirea din PFAS nu este doar o simplă schimbare de material, ci necesită și procese de fabricație și de suprafață adecvate. Laserul joacă un rol cheie: aplică materialele local, le topește țintit sau structurează straturi funcționale, fără a suprasolicita inutil componenta de dedesubt.
Pentru companii, aceasta creează un nou spațiu de manevră. Nu trebuie să aștepte o singură soluție de înlocuire care să acopere toate aplicațiile PFAS. Fraunhofer ILT dezvoltă împreună cu partenerii din industrie sisteme de straturi adaptate pentru diferite componente și cerințe: suprafețe cu frecare redusă pentru lagăre de alunecare, straturi anti-aderente rezistente la uzură pentru role, precum și sisteme de etanșare fără PFAS pentru lubrifianți pe bază de apă.
Contact:
