Fraunhofer ILT razvija postopke na osnovi laserja za proizvodnjo PFAS-prostih funkcijskih plasti na kovinskih komponentah, komponentah ležajev in elastomernih valjih. Projekti RePEEK, EPOS, LEMBAS in pureWaterSeal kažejo: izstop iz večnih kemikalij ni mogoč le z ustreznimi nadomestnimi materiali. Prav tako so ključni proizvodni procesi.
Per- in polifluorirane alkilne snovi, kratko PFAS, so funkcional skoraj nepremagljive: so kemijsko in termično izjemno stabilne in prav zato pod regulativnim pritiskom. Vendar se uveljavljene snovi ne da enostavno zamenjati: zmanjšujejo trenje, ščitijo pred obrabo in korozijo, preprečujejo prijemanje ter zagotavljajo lastnosti nujnega delovanja, ko mazalni filmi odpovejo. Kdor jih želi nadomestiti, potrebuje ne le drug material, temveč tudi postopek, ki ta material zanesljivo nanese na zelo različne komponente.
V projektih RePEEK, EPOS, LEMBAS in pureWaterSeal razvija Fraunhoferjev inštitut za lasersko tehnologijo ILT laserske postopke za PFAS-proste visokozmogljive premaze na velikih kovinskih komponentah, drsnih ležajih, tesnilih in občutljivih elastomernih valjih. Glede na uporabo laser nanaša plasti, lokalno tali materiale ali ciljno strukturira površine. Pri tem energijo natančno, prostorsko omejeno in le za kratek čas vnaša v komponento. Tako je mogoče obdelovati PFAS-proste nadomestne materiale, ki klasičnim pečnim procesom zahtevajo visok energetski vložek ali pri katerih potrebna toplota poškoduje spodnjo komponento.
Material samo ne reši problema.
»Želja po alternativah brez PFAS se sprva zdi preprosta: kritična snov naj bi izginila, druga pa naj bi prevzela njeno nalogo,« pravi dr. Samuel Moritz Fink, vodja skupine za tanke plasti na Fraunhofer ILT. »V praksi pa je ta zamenjava bistveno bolj zapletena. Materiali, ki vsebujejo PFAS, so pogosto natančno tam, kjer so sestavni deli najbolj obremenjeni.«
Zamenjalni materiali morajo biti pritrjeni na kovino, plastiko ali gumo, prenesti visoke temperature, se pri obremenitvi ne smejo odlepiti in morajo biti tudi ekonomično naneseni na velike komponente. »Material, kot je polietereterketon, na kratko PEEK, je kemijsko in mehansko zelo zanimiv, vendar ne doseže samodejno vseh lastnosti, kot je na primer PTFE,« pojasnjuje Fink. PTFE pomeni politetrafluoroetilen. »PEEK je bolj tog, dražji in odvisno od uporabe težje obdelovljiv. Zato za mnoge industrijske komponente ni dovolj, da izberemo samo drugo prašno, drugo folijo ali drugo plastiko.«
Odločilna je metoda. Kako pride nadomestni material na površino? Kako se poveže z komponento? Kako preprečiti, da bi bil temperature občutljiv material spodaj poškodovan?
»Alternativ PFAS ne obravnavamo zgolj kot vprašanje materiala,« pojasnjuje dr. Christian Vedder, vodja oddelka za površinsko tehnologijo in oblikovno obdelavo na Fraunhofer ILT. »Naša raziskava se osredotoča na postopke, ki temeljijo na laserju, s katerimi je mogoče ciljno ustvariti inovativne plastične sisteme.« Laserski procesi se osredotočajo prav tam, kjer nadomestno material ne dosega popolnoma zahtevanih lastnosti. Strukturirajo površine, izboljšajo povezavo z delom ali lokalno spreminjajo plasti, ne da bi močno segreli celotno komponento.
RePEEK: PEEK prevleke v hibridnem postopku
V projektu RePEEK raziskujejo strokovnjaki za površine, kako je mogoče PEEK-bazne prevleke nanesti na kovinske komponente, ki delujejo v gibajočih se in močno obremenjenih sistemih. Osredotočajo se na aplikacije iz strojništva: velika ležajna ležaja, tesnila, batnice in magnetni ventili.
Še posebej nazorno je naloga pri velikih ležajih, kot jih najdemo v vetrnih turbinah: Os je nameščena v obloženi ležajni školjki, doslej večinoma s sistemi oblog, ki vsebujejo PTFE. Kot že ime nakazuje, RePEEK prav tako temelji na PEEK.
»PEEK se danes pri velikih komponentah pogosto nanaša kot folija ali obdeluje kot prah in nato termično združi,« pravi Samuel Fink. »Pri majhnih komponentah to lahko deluje. Pri tonah težkih kovinskih komponentah pa je to zapleteno: celotna komponenta mora iti v peč, se segreti na visoko temperaturo in nato počasi ohladiti.« Energetski stroški so visoki, proces traja dolgo, in na koncu se segreje veliko več materiala, kot bi bilo potrebno za dejansko prevleko.
Raziskovalci najprej s pomočjo laserskega postopka nanesejo kovinsko plast. Ta površina je namerno groba in daje plastiki oporo. Nato v istem procesnem okolju nanesejo PEEK prah in ga lokalno stopijo. Plastika se zaključi v grobi kovinski površini; tako nastane kompozit iz kovinske funkcijske plasti in PEEK-bazne površinske plasti.
Ekipa je razvila posebno tehnologijo šob za PEEK prah in postopek že prijavila za patent. Ciklonska šoba močno upočasni tok plina, tako da prah udari z nizko hitrostjo, namesto da bi odbijal. S tem postopek izkorišča več materiala, se bolje nadzoruje in deluje učinkoviteje.
Velike glavne ležaje v vetrnih turbinah doslej pogosto delujejo s sistemi premazov, ki vsebujejo PTFE. V projektih RePEEK in EPOS razvija Fraunhofer ILT laserske postopke za robustne PEEK premaze kot PFAS-prosto alternativo.
EPOS: Večplastni PEEK sloji za velika ležaja s plavanjem
Pri RePEEK se že izvajajo dodatna dela. V projektu EPOS Delil Idris Demir na Fraunhofer ILT preučuje, kako je mogoče PEEK-bazne plasti na velikih komponentah ležajev procesno varno in v več plasteh nanesti. Postopno nanašanje naj bi omogočilo večje debeline plasti, ne da bi bilo treba tone težke komponente popolnoma segreti v peči. ACS Coating Systems prinaša svoje dolgoletne izkušnje s PEEK premazi, zlasti tudi za tovrstne lepljive premaze. Podjetje razvija takšne plastične sisteme od sredine 90-ih let prejšnjega stoletja in danes proizvaja premaze z debelinami od nekaj mikrometrov do enega milimetra. Direktor Dr. Christoph Stecher spremlja projekt z vidika gradnje plasti, industrijske aplikacije in kasnejše serijske proizvodnje.
Podjetje Polymer Service GmbH Merseburg, kratko PSM, preučuje in ocenjuje nastajajoče plasti pod vodstvom prof. dr. Katrin Reincke. V ospredju so med drugim kristaliničnost, mikrostruktura in toplotno stanje PEEK ter mehanske in termomehanske lastnosti. Ti podatki naj bi pomagali uskladiti laserski postopek in večplastno gradnjo plasti tako, da se prevleka enakomerno oprime in trajno prenese obremenitve v drsnih ležajih. EPOS povezuje laserski razvoj procesov Fraunhofer ILT, industrijske izkušnje s prevlekami podjetja ACS in materialno-tehnično strokovnost PSM.
LEMBAS: Protiskluzne plasti za občutljive elastomerne valje
Projekt LEMBAS se osredotoča na elastične valje in role, kot se uporabljajo pri proizvodnji folij, v pakirni industriji, proizvodnji papirja in medicinski tehnologiji. Delci z valjne površine lahko hitro postanejo težava.
»Doslej podjetja za takšne aplikacije pogosto uporabljajo silikonske premaze«, razlaga Adam El-Sarout, prav tako iz skupine tankoslojnih postopkov na Fraunhofer ILT. »Čeprav zagotavljajo potrebne lastnosti proti lepljenju, ne dosegajo vedno vzdržljivosti, ki jo zahtevajo sodobni procesi visoke hitrosti.« V okviru LEMBAS ekipa skupaj s strokovnjaki za premaze Rhenotherm razvija laserske postopke, pri katerih se uporabljajo visokozmogljivi polimeri, kot so PEEK, poliamid ali polipropilen. Ti materiali so bolj odporni na obrabo, kemično vzdržljivi in dolgotrajni kot silikon ter ne vsebujejo PFAS.
»Tehnična ovira leži v temperaturnem oknu«, razkriva El-Sarout. »Visokozmogljivi polimeri potrebujejo pri taljenju visoke temperature. Elastični materiali, kot je EPDM, pa to toploto prenašajo le omejeno. Če bi popolnoma segreli gumijasti valj v peči, bi substrat utrpel škodo.« Laser rešuje prav to težavo: ustvarja visoko temperaturo le lokalno in le za kratek čas v premaznem materialu. Tako se funkcijska plast stopi, medtem ko elastična komponenta spodaj ostane termično zaščitena.
Da bi plast trajno zdržala, raziskovalci poleg materiala proti lepljenju razvijajo tudi vmesno plast, ki ščiti elastomer in krepi povezavo z zgornjo plastjo. Poleg tega prilagajajo optične in reološke lastnosti materialov laserskemu postopku ter preučujejo primerne postopke za nanašanje in lasersko predobdelavo.
»Zamenjava materiala ne sme le izpolnjevati želenih funkcij, temveč se mora tudi ujemati s komponento, temperaturno mejo substrata in proizvodnim procesom«, pravi Vedder. Če ta korak uspe, postopek združuje več prednosti: manj obrabe, manj onesnaženja izdelkov, manj čiščenja in topil ter znatno manj porabe energije kot pri klasičnih pečicah.
pureWaterSeal: PFAS-proste tesnilne mase za vodne maziva
V projektu pureWaterSeal raziskovalci Fraunhoferjevih inštitutov za lasersko tehnologijo ILT in za materialno mehaniko IWM razvijajo trajne tesnilne mase, ki ne vsebujejo PFAS in se lahko uporabljajo z vodnimi mazivi. Tako ekipa hkrati rešuje dva okoljska problema: PFAS se trajno kopičijo v okolju, medtem ko oljne mazalne snovi obremenjujejo tla in vodotoke.
Matthias Laermann, vodja ekipe za strukturiranje površin na Fraunhoferjevem inštitutu za lasersko tehnologijo ILT, poudarja: »Samo v Nemčiji se letno porabi okoli milijon ton oljnih maziv. En sam liter lahko onesnaži do milijon litrov podtalnice. Posledice so onesnažena tla, kontaminirana hrana in uničena ekosistema. Iščemo rešitve, ki se ukvarjajo s temi izzivi hkrati.«
Strokovnjaki Fraunhofer IMW so za to razvili diamantnim podobne ogljikove premaze (Diamond-like carbon, DLC), ki so zasnovani za PFAS-proste plastične komponente. Ekipa Fraunhofer ILT je nato premaz strukturirala z laserjem in tako lokalno zmanjšala notranje napetosti in mehanske obremenitve, ne da bi vplivala na stabilnost celotne plasti. Hkrati kombinacija premaza in laserskega strukturiranja zmanjšuje trenje, povečuje odpornost na obrabo in podaljšuje življenjsko dobo tesnil.
Prvi prototipi že delujejo v črpalkah geotermalnih elektrarn. Skupaj s partnerji iz industrije raziskovalci zdaj prilagajajo tesnila za druge aplikacije, vključno z uporabo v osebnih avtomobilih, ladijskih propelerjih, vetrnicah in žetvenih strojih. Hkrati ekipa pripravlja prenos na večje naprave in industrijske količine.
Laser naredi zamenjavo materiala praktično
Različni projekti na Fraunhofer ILT kažejo, da izstop PFAS ni le prehod na nov material, temveč zahteva tudi ustrezne proizvodne in površinske procese. Laser igra ključno vlogo: lokalno nanaša materiale, jih ciljno talini ali strukturira funkcijske plasti, ne da bi nepotrebno obremenjeval spodnjo komponento.
Za podjetja se tako odpirajo nove možnosti. Ne potrebujejo čakati na eno samo rešitev, ki pokriva vse aplikacije PFAS. Fraunhofer ILT skupaj s partnerji iz industrije razvija prilagojene plastične sisteme za različne komponente in zahteve: površine z nizkim trenjem za ležaje, obrabno odporne antilepljive plasti za valje ter PFAS-proste tesnilne sisteme za vodna maziva.
Kontakt:
