Fraunhofer ILT розробляє лазерні методи для виготовлення функціональних покриттів без PFAS на металевих деталях, компонентах підшипників ковзання та еластомерних валах. Проекти RePEEK, EPOS, LEMBAS та pureWaterSeal показують: вихід з вічних хімікатів можливий не лише за рахунок відповідних замінників. Виробничі процеси також є вирішальними.
Пер- та поліфлуоровані алкільні сполуки, скорочено PFAS, є функціонально важко перевершити: вони хімічно та термічно надзвичайно стабільні, і саме тому підлягають регуляторному тиску. Проте встановлені речовини не можна просто замінити: вони знижують тертя, захищають від зносу та корозії, запобігають прилипанням і забезпечують властивості аварійного функціонування, коли мастильні плівки підводять. Той, хто хоче їх замінити, потребує не лише іншого матеріалу, але й процесу, який надійно переносить цей матеріал на дуже різні деталі.
У проектах RePEEK, EPOS, LEMBAS та pureWaterSeal Інститут лазерних технологій Фраунгофера ILT розробляє лазерні методи для безфтористих високоякісних покриттів на великих металевих деталях, підшипниках ковзання, ущільненнях та чутливих еластомерних валах. Залежно від застосування лазер наносить шари, локально розплавляє матеріали або цілеспрямовано структуризує поверхні. При цьому він точно, просторово обмежено та лише на короткий час вводить енергію в деталь. Таким чином, можна обробляти безфтористі замінники, для яких класичні печі потребують великої енергетичної витрати або де необхідне тепло може пошкодити підлягаючу деталь.
Матеріал сам по собі не вирішує проблему.
«Бажання знайти альтернативи без PFAS спочатку звучить просто: критична речовина повинна зникнути, інша повинна виконати її функцію», - говорить доктор Самуель Моріц Фінк, керівник групи тонкоплівкових процесів у Fraunhofer ILT. «Однак на практиці цей обмін значно складніший. Матеріали, що містять PFAS, часто знаходяться саме там, де деталі піддаються найбільшому навантаженню.»
Замінники повинні прилипати до металу, пластику або гуми, витримувати високі температури, не відокремлюватися під навантаженням і економічно наноситися навіть на великі деталі. «Матеріал, як-от поліефірефіркетон, скорочено PEEK, є хімічно та механічно дуже цікавим, але не автоматично досягає всіх властивостей, наприклад, PTFE», - пояснює Фінк. PTFE означає політетрафлуороетилен. «PEEK є жорсткішим, дорожчим і, залежно від застосування, складнішим у обробці. Тому для багатьох промислових деталей недостатньо просто вибрати інший порошок, іншу плівку або інший пластик.»
Важливим є процес. Як потрапляє замінний матеріал на поверхню? Як він з'єднується з деталлю? Як можна запобігти пошкодженню термочутливого матеріалу під ним?
«Ми не розглядаємо альтернативи PFAS лише як питання матеріалів», пояснює доктор Крістіан Веддер, керівник відділу поверхневої технології та формового зняття в Fraunhofer ILT. «Наші дослідження зосереджені на лазерних процесах, за допомогою яких можна цілеспрямовано створювати інноваційні шарові системи.» Лазерні процеси впливають саме там, де замінне матеріал не досягає повністю необхідних властивостей. Вони структурують поверхні, покращують з'єднання з деталлю або локально змінюють шари, не перегріваючи всю деталь.
RePEEK: PEEK-покриття в гібридному процесі
У проекті RePEEK експерти з поверхонь досліджують, як можна наносити покриття на основі PEEK на металеві деталі, які працюють у рухомих та сильно навантажених системах. У центрі уваги знаходяться застосування з машинобудування: великі ковзальні підшипники, ущільнення, поршні та електромагнітні клапани.
Особливо наочно завдання постає при великих ковзних підшипниках, які використовуються у вітрових турбінах: вал обертається в покритій підшипниковій чаші, зазвичай з системами покриттів на основі PTFE. Як вже випливає з назви, RePEEK також використовує PEEK.
«PEEK сьогодні часто наноситься на великі деталі у вигляді плівки або обробляється як порошок, а потім термічно з'єднується», - говорить Самуель Фінк. «Це може спрацювати для малих деталей. Але для металевих компонентів вагою в тонни це стає складним: всю деталь потрібно помістити в піч, довести до високої температури, а потім повільно охолоджувати». Витрати енергії великі, процес триває довго, і в результаті нагрівається набагато більше матеріалу, ніж потрібно для самої обробки.
Дослідники спочатку створюють металевий шар за допомогою лазерного методу нанесення. Ця поверхня спеціально шорстка і забезпечує утримання для пластика. Потім вони наносять порошок PEEK в тому ж процесуальному середовищі і локально його розплавляють. Пластик закріплюється в шорсткій металевій поверхні; так виникає композит з металевої функціональної оболонки та покриття на основі PEEK.
Команда розробила спеціальну технологію сопел для порошку PEEK і вже подала заявку на патент. Циклонне сопло сильно сповільнює газовий потік, так що порошок потрапляє з низькою швидкістю, а не відскакує. Це дозволяє процесу використовувати більше матеріалу, краще контролюватися і працювати ефективніше.
Великі ковзальні підшипники у вітрових турбінах досі часто працюють з системами покриттів, що містять PTFE. У проектах RePEEK та EPOS Інститут Фраунгофера ILT розробляє лазерні методи для надійних покриттів з PEEK як альтернативу без PFAS.
EPOS: Багатошарові PEEK-структури для великих підшипників ковзання
На RePEEK вже тривають подальші роботи. У проекті EPOS Деліл Ідріс Демір у Fraunhofer ILT досліджує, як можна надійно і в кількох шарах наносити покриття на великогабаритні компоненти ковзальних підшипників на основі PEEK. Поетапне нанесення має дозволити досягати більших товщин шарів, не нагріваючи тонни важких деталей повністю в печі. ACS Coating Systems вносить свій багаторічний досвід у покриттях PEEK, зокрема для таких ковзальних покриттів. Компанія розробляє такі системи покриттів з середини 1990-х років і сьогодні виготовляє покриття товщиною від кількох мікрометрів до одного міліметра. Директор компанії доктор Крістоф Штехер супроводжує проект, зосереджуючи увагу на структурі покриття, промисловому застосуванні та подальшому серійному виробництві.
Компанія Polymer Service GmbH Merseburg, скорочено PSM, перевіряє та оцінює утворювані шари під керівництвом професора доктора Катрини Рейнке. У фокусі уваги, зокрема, знаходяться кристалічність, структура матеріалу та термічний стан PEEK, а також механічні та термомеханічні властивості. Ці дані мають допомогти узгодити лазерний процес і багатошаровий конструктив так, щоб покриття рівномірно прилипало і витримувало навантаження в ковзних підшипниках протягом тривалого часу. EPOS поєднує лазерну розробку процесів Fraunhofer ILT, промисловий досвід покриття компанії ACS та матеріалознавчу експертизу PSM.
LEMBAS: Антифрикційні покриття для чутливих еластомерних валків
Проект LEMBAS зосереджується на еластомерних валах і роликах, які використовуються у виробництві плівки, упаковці, виробництві паперу та медичній техніці. Частинки з поверхні валів можуть швидко стати проблемою.
«Досі компанії часто використовують силіконові покриття для таких застосувань», - пояснює Адам Ель-Сарут, також з групи тонкоплівкових процесів в Fraunhofer ILT. «Хоча вони забезпечують необхідні антиадгезійні властивості, але не завжди досягають стійкості, яку вимагають сучасні високошвидкісні процеси». У LEMBAS команда спільно з фахівцем з покриттів Rhenotherm розробляє лазерні процеси, в яких використовуються високопродуктивні полімери, такі як PEEK, поліамід або поліпропілен. Ці матеріали є більш стійкими до зносу, хімічно стійкими та довговічними, ніж силікон, і повністю обходяться без PFAS.
«Технічна перешкода полягає в температурному вікні», - розповідає Ель-Сарут. «Високопродуктивні полімери потребують високих температур при плавленні. Еластомери, такі як EPDM, витримують це тепло лише обмежено. Якщо нагріти гумовий вал до кінця в печі, субстрат зазнає пошкоджень». Лазер вирішує саме цю проблему: він генерує високу температуру лише локально і лише на короткий час у матеріалі покриття. Таким чином, функціональний шар плавиться, тоді як еластомерний елемент під ним залишається термічно захищеним.
Щоб шар тримався довго, дослідники розробляють поряд з антиадгезійним матеріалом також проміжний шар, який захищає еластомер і зміцнює з'єднання з верхнім шаром. Крім того, вони адаптують оптичні та реологічні властивості матеріалів до лазерного процесу та досліджують відповідні методи для нанесення та лазерної попередньої обробки.
«Замінний матеріал повинен не лише виконувати бажану функцію, але й відповідати компоненту, температурному обмеженню субстрату та виробничому процесу», - говорить Веддер. Якщо цей крок вдасться, процес об'єднує кілька переваг: менше зносу, менше забруднень продукції, менше очищувальних і розчинних засобів, а також значно менші енергетичні витрати, ніж при класичних печних процесах.
pureWaterSeal: безфтористі ущільнення для водорозчинних мастил
У проекті pureWaterSeal дослідники Fraunhofer ILT та Fraunhofer IWM розробляють стійкі ущільнення, які обходяться без PFAS і можуть працювати з водорозчинними мастилами. Таким чином, команда одночасно вирішує дві екологічні проблеми: PFAS постійно накопичуються в навколишньому середовищі, тоді як мастила на основі олії забруднюють ґрунти та водойми.
Маттіас Лаерманн, керівник команди структуризації поверхні в Fraunhofer ILT, підкреслює: «Тільки в Німеччині щорічно споживається близько мільйона тонн мастил на основі олії. Один літр може забруднити до мільйона літрів підземних вод. Наслідки - забруднені ґрунти, забруднені продукти харчування та знищені екосистеми. Ми знаходимо рішення, які одночасно вирішують ці виклики».
Експерти Fraunhofer IMW розробили для цього діамантоподібні вуглецеві покриття (Diamond-like carbon, DLC), які призначені для безфтористих пластикових компонентів. Команда Fraunhofer ILT потім структуризувала покриття за допомогою лазера, що дозволило локально зменшити внутрішні напруги та механічні навантаження, не порушуючи стабільність всього шару. Одночасно комбінація покриття та лазерної структуризації знижує тертя, підвищує зносостійкість і подовжує термін служби ущільнень.
Перші прототипи вже працюють у насосах геотермальних електростанцій. Разом з промисловими партнерами дослідники тепер адаптують ущільнення до інших сфер застосування, включаючи застосування в легкових автомобілях, корабельних гвинтах, вітрових турбінах та збиральних машинах. Паралельно команда готує передачу на більші установки та промислові обсяги.
Лазер робить зміну матеріалу практичною
Різні проекти в Fraunhofer ILT показують, що вихід з PFAS - це не просто зміна матеріалу, а також вимагає відповідних виробничих та поверхневих процесів. Лазер відіграє ключову роль: він наносить матеріали локально, плавить їх цілеспрямовано або структуризує функціональні шари, не навантажуючи зайво компонент, що знаходиться під ним.
Для компаній це відкриває нові можливості. Їм не потрібно чекати на єдине замінне рішення, яке охоплює всі застосування PFAS. Fraunhofer ILT спільно з промисловими партнерами розробляє адаптовані системи покриттів для різних компонентів та вимог: низькотертяні поверхні для ковзних підшипників, зносостійкі антиадгезійні шари для валів, а також безфтористі ущільнювальні системи для водорозчинних мастил.
Контакт:
