Fraunhofer ILT, metal parçalar, kaydırma yatak bileşenleri ve elastomer silindirler üzerinde PFAS içermeyen fonksiyonel katmanların üretilmesi için lazer tabanlı yöntemler geliştirmektedir. RePEEK, EPOS, LEMBAS ve pureWaterSeal projeleri gösteriyor ki, kalıcı kimyasallardan çıkış sadece uygun yedek malzemelerle mümkün olmuyor. Üretim süreçleri de aynı derecede önemlidir.
Per- ve poli-fluorlu alkil maddeleri, kısaca PFAS, işlevsel olarak neredeyse aşılmaz: Kimyasal ve termal olarak son derece kararlıdırlar ve bu nedenle düzenleyici baskı altındadırlar. Ancak, yerleşik maddeler basitçe değiştirilemez: Sürtünmeyi azaltır, aşınma ve korozyona karşı korur, yapışmaları önler ve yağlama filmleri başarısız olduğunda acil çalışma özelliklerini güvence altına alır. Onları değiştirmek isteyenler, sadece farklı bir malzeme değil, aynı zamanda bu malzemeyi çok çeşitli bileşenlere güvenilir bir şekilde ulaştıracak bir işleme de ihtiyaç duyarlar.
Fraunhofer Enstitüsü için Lazer Teknolojisi ILT, RePEEK, EPOS, LEMBAS ve pureWaterSeal projelerinde büyük metal parçalar, kaydırma yatakları, contalar ve hassas elastomer silindirler üzerinde PFAS içermeyen yüksek performans kaplamaları için lazer tabanlı yöntemler geliştirmektedir. Uygulamaya bağlı olarak, lazer katmanlar uygular, malzemeleri yerel olarak eritmekte veya yüzeyleri hedefli bir şekilde yapılandırmaktadır. Bu süreçte, enerjiyi hassas bir şekilde, mekansal olarak sınırlı ve yalnızca kısa bir süre için parçaya aktarır. Böylece, klasik ocak süreçlerinin yalnızca yüksek enerji tüketimi ile gerçekleştirebildiği veya gerekli ısının altındaki parçaya zarar verebileceği PFAS içermeyen yedek malzemeler işlenebilir.
Malzeme tek başına sorunu çözmez.
"PFAS içermeyen alternatifler arzusunun başlangıçta basit göründüğünü belirten Dr. Samuel Moritz Fink, Fraunhofer ILT'de İnce Film Süreçleri Grup Lideri, 'Bir kritik madde kaybolmalı, başka bir madde onun görevini üstlenmeli' diyor. 'Ancak pratikte bu değişim çok daha karmaşık. PFAS içeren malzemeler genellikle parçaların en fazla yüklendiği yerlerde bulunuyor.'"
Yedek malzemelerin metal, plastik veya kauçuğa yapışması, yüksek sıcaklıklara dayanması, yük altında çözülmemesi ve büyük parçalar için ekonomik bir şekilde uygulanabilmesi gerekmektedir. "Polietereterketon, kısaca PEEK, kimyasal ve mekanik olarak çok ilginç bir malzeme, ancak otomatik olarak PTFE gibi tüm özellikleri elde etmez," diyor Fink. PTFE, Politetrafloroetilen'in kısaltmasıdır. "PEEK daha sert, daha pahalı ve uygulamaya bağlı olarak işlenmesi daha zor. Bu nedenle birçok endüstriyel parça için başka bir toz, başka bir film veya başka bir plastik seçmek yeterli değildir."
Karar verici olan yöntemdir. Yedek malzeme yüzeye nasıl uygulanır? Parça ile nasıl bağlanır? Sıcaklığa duyarlı bir malzemenin altında hasar görmesini nasıl önleyebiliriz?
»PFAS alternatiflerini sadece bir malzeme meselesi olarak görmüyoruz«, diye açıklıyor Dr. Christian Vedder, Fraunhofer ILT'de Yüzey Teknolojisi ve Şekil Tahribi Departmanı Başkanı. »Araştırmamız, yenilikçi kaplama sistemlerinin hedefli bir şekilde oluşturulabileceği lazer tabanlı süreçlere odaklanıyor.« Lazer süreçleri, bir yedek malzemenin gerekli özellikleri tam olarak karşılamadığı yerlerde devreye girer. Yüzeyleri yapılandırır, parçayla bağlantıyı iyileştirir veya katmanları yerel olarak değiştirir, tüm parçayı aşırı ısıtmadan.
RePEEK: PEEK kaplamaları hibrit yöntemle
RePEEK projesinde, yüzey uzmanları, hareketli ve yüksek yük altında çalışan metal parçalar üzerine PEEK bazlı kaplamaların nasıl uygulanabileceğini araştırıyor. Odak noktası makine mühendisliği uygulamalarıdır: büyük kayış yatakları, contalar, pistonlar ve manyetik valfler.
Göze çarpan bir örnek, rüzgar türbinlerinde bulunan büyük kaymalı yataklardır: Bir mil, genellikle PTFE içeren kaplama sistemleriyle kaplanmış bir yatak kabuğunda döner. İsimden de anlaşılacağı gibi, RePEEK de PEEK'e dayanıyor.
"PEEK günümüzde büyük parçalar için genellikle bir film olarak uygulanmakta veya toz halinde işlenmekte ve ardından termal olarak birleştirilmektedir," diyor Samuel Fink. "Küçük parçalar için bu işe yarayabilir. Ancak tonlarca ağırlığındaki metal bileşenler için bu zahmetli bir süreç: Tüm parça bir fırına konulmalı, yüksek sıcaklığa getirilmelidir ve ardından tekrar yavaşça soğutulmalıdır." Enerji tüketimi yüksektir, süreç uzun sürer ve sonunda ısıtılan malzeme, aslında kaplama için gerekli olandan çok daha fazladır.
Araştırmacılar öncelikle lazer tabanlı bir kaplama yöntemi ile metalik bir katman oluşturuyor. Bu yüzey kasıtlı olarak pürüzlüdür ve plastik malzemeye tutunma sağlar. Ardından, aynı işlem ortamında PEEK tozunu uygulayıp yerel olarak eritiyorlar. Plastik, pürüzlü metal yüzeyde yerleşir; böylece metalik işlevsel katman ile PEEK bazlı kaplama katmanı arasında bir kompozit oluşur.
Ekip, PEEK tozu için özel bir nozul teknolojisi geliştirdi ve süreci zaten patente aldı. Bir siklon nozul, gaz akışını büyük ölçüde yavaşlatarak tozun düşük hızda çarpmasını sağlıyor, böylece sıçramak yerine daha etkili bir şekilde kullanılıyor. Bu sayede süreç daha fazla malzeme kullanıyor, daha iyi kontrol ediliyor ve daha verimli çalışıyor.
Büyük kayar yataklar rüzgar türbinlerinde genellikle PTFE içeren kaplama sistemleri ile çalışmaktadır. RePEEK ve EPOS projelerinde Fraunhofer ILT, PFAS içermeyen alternatifler olarak dayanıklı PEEK kaplamaları için lazer tabanlı yöntemler geliştirmektedir.
EPOS: Çok katmanlı PEEK tabakaları büyük kaydırma yatakları için
RePEEK ile ilgili olarak daha fazla çalışma devam ediyor. EPOS projesinde Delil Idris Demir, Fraunhofer ILT'de PEEK bazlı katmanların büyük boyutlu kaydırma yatak bileşenlerine güvenilir bir şekilde ve çok katmanlı olarak nasıl uygulanabileceğini araştırıyor. Aşamalı uygulama, tonlarca ağırlıktaki bileşenleri tamamen bir fırında ısıtmadan daha büyük katman kalınlıklarının elde edilmesini sağlamayı amaçlıyor. ACS Coating Systems, özellikle bu tür kaydırma kaplamaları için PEEK kaplamaları konusundaki uzun yıllara dayanan deneyimini sunuyor. Şirket, 1990'ların ortalarından beri bu tür katman sistemlerini geliştirmekte ve bugün birkaç mikrometre ile bir milimetre arasında kalınlıklara sahip kaplamalar üretmektedir. Genel Müdür Dr. Christoph Stecher, katman yapısı, endüstriyel uygulama ve sonraki seri üretim açısından projeyi takip ediyor.
Polimer Hizmetleri GmbH Merseburg, kısaca PSM, Prof. Dr. Katrin Reincke'nin liderliğinde oluşan katmanları inceliyor ve değerlendiriyor. Odak noktası arasında kristalinlik, mikro yapı ve PEEK'in termal durumu ile mekanik ve termomekanik özellikler yer alıyor. Bu veriler, lazer işlemini ve çok katmanlı kaplama yapısını birbiriyle uyumlu hale getirerek kaplamanın düzgün bir şekilde yapışmasını ve kaydırma yataklarındaki yüklemelere kalıcı olarak dayanmasını sağlamaya yardımcı olmalıdır. EPOS, Fraunhofer ILT'nin lazer tabanlı süreç geliştirme, ACS'nin endüstriyel kaplama deneyimi ve PSM'nin malzeme mühendisliği uzmanlığını bir araya getiriyor.
LEMBAS: Anti-yapışma katmanları hassas elastomer silindirler için
LEMBAS Projesi, folyo üretimi, ambalaj endüstrisi, kağıt üretimi ve tıbbi teknoloji gibi alanlarda kullanılan elastomerik silindirler ve makaralar üzerinde çalışmaktadır. Silindir yüzeyinden çıkan parçacıklar burada hızla bir sorun haline gelebilir.
»Şu ana kadar şirketler bu tür uygulamalar için genellikle silikon kaplamalar kullanıyor« diyor Adam El-Sarout, Fraunhofer ILT'deki İnce Film Süreçleri grubundan. »Gerekli yapışmaz özellikleri sağlıyorlar, ancak modern yüksek hızlı süreçlerin gerektirdiği dayanıklılığı her zaman karşılamıyorlar.« LEMBAS'ta ekip, kaplama uzmanı Rhenotherm ile birlikte PEEK, poliamid veya polipropilen gibi yüksek performanslı polimerlerin kullanıldığı lazer tabanlı süreçler geliştiriyor. Bu malzemeler, silikondan daha aşınma direnci, kimyasal dayanıklılık ve uzun ömür sunar ve tamamen PFAS içermez.
»Teknik engel sıcaklık aralığında yatıyor« diyor El-Sarout. »Yüksek performanslı polimerler erime sırasında yüksek sıcaklıklara ihtiyaç duyar. EPDM gibi elastomerler ise bu sıcaklıklara sınırlı bir şekilde dayanabilir. Bir lastik silindiri tamamen bir fırında ısıtsanız, alt tabaka zarar görecektir.« Lazer tam olarak bu sorunu çözer: Yüksek sıcaklığı yalnızca yerel olarak ve kaplama malzemesinde kısa bir süre için üretir. Böylece, elastomerik parça altında termal olarak korunurken, işlevsel katman erir.
Katmanın kalıcı olabilmesi için araştırmacılar, yapışmaz malzemenin yanı sıra elastomeri koruyan ve üst katmanla bağlantıyı güçlendiren bir ara katman da geliştiriyorlar. Ayrıca, malzemelerin optik ve reolojik özelliklerini lazer işlemine uyacak şekilde ayarlıyor ve uygulama ve lazer ön işleme için uygun yöntemleri araştırıyorlar.
»Bir ikame malzeme yalnızca istenen işlevi yerine getirmekle kalmamalı, aynı zamanda parçaya, alt tabakanın sıcaklık sınırına ve üretim sürecine de uyum sağlamalıdır« diyor Vedder. Bu adım başarıyla gerçekleştirildiğinde, süreç birçok avantajı bir araya getirir: daha az aşınma, daha az ürün kirlenmesi, daha az temizlik ve çözücü kullanımı ve klasik fırın süreçlerine göre belirgin şekilde daha az enerji tüketimi.
pureWaterSeal: Su bazlı yağlayıcılar için PFAS içermeyen contalar
pureWaterSeal projesinde, Fraunhofer Lazer Teknolojisi Enstitüsü ILT ve Malzeme Mekaniği Enstitüsü IWM'den araştırmacılar, PFAS içermeyen ve su bazlı yağlayıcılarla çalışabilen sürdürülebilir contalar geliştiriyor. Böylece ekip, iki çevresel sorunu aynı anda ele alıyor: PFAS, çevrede kalıcı olarak birikirken, yağ bazlı yağlayıcılar zeminleri ve su kaynaklarını kirletmektedir.
Fraunhofer Lazer Teknolojisi Enstitüsü ILT'deki yüzey yapılandırma ekibinin lideri Matthias Laermann, »Almanya'da her yıl yaklaşık bir milyon ton yağ bazlı yağlayıcı tüketilmektedir. Tek bir litre, bir milyon litre yeraltı suyunu kirletebilir. Sonuçları, kirlenmiş zeminler, kirli gıdalar ve yok olmuş ekosistemlerdir. Bu zorlukları birlikte ele alan çözümler buluyoruz.« diyor.
Fraunhofer IMW uzmanları, PFAS içermeyen plastik bileşenler için tasarlanmış elmas benzeri karbon kaplamaları (Diamond-like carbon, DLC) geliştirdi. Fraunhofer ILT ekibi, kaplamayı lazerle yapılandırarak iç gerilimleri ve mekanik yükleri yerel olarak azaltmış, tüm katmanın stabilitesini etkilemeden gerçekleştirmiştir. Aynı zamanda kaplama ve lazer yapılandırma kombinasyonu, sürtünmeyi azaltır, aşınma direncini artırır ve contaların ömrünü uzatır.
İlk prototipler, jeotermal enerji santrallerindeki pompalar içinde çalışmaktadır. Araştırmacılar, endüstri ortaklarıyla birlikte, contaları şimdi otomobil, gemi pervanesi, rüzgar türbini ve hasat makineleri gibi diğer uygulama alanlarına uyarlamaktadır. Paralel olarak ekip, daha büyük tesislere ve endüstriyel parça sayısına geçişi hazırlamaktadır.
Lazer, malzeme değişimini pratik hale getiriyor
Fraunhofer ILT'deki farklı projeler, PFAS'tan çıkışın yalnızca bir malzeme değişikliği olmadığını, aynı zamanda uygun üretim ve yüzey süreçleri gerektirdiğini göstermektedir. Lazer burada anahtar bir rol oynamaktadır: Malzemeleri yerel olarak uygular, hedefli olarak eritir veya işlevsel katmanları yapılandırır, altındaki parçayı gereksiz yere yüklemeden.
Şirketler için böylece yeni bir alan açılmaktadır. Tek bir ikame çözüm beklemek zorunda kalmazlar; tüm PFAS uygulamalarını kapsar. Fraunhofer ILT, endüstri ortaklarıyla birlikte farklı parçalar ve gereksinimler için uyarlanmış kaplama sistemleri geliştirmektedir: kayma yatakları için düşük sürtünmeli yüzeyler, silindirler için aşınmaya dayanıklı yapışmaz katmanlar ve su bazlı yağlayıcılar için PFAS içermeyen sızdırmazlık sistemleri.
İletişim:
