Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Maßgeschneiderte diamantähnliche Beschichtungen vermindern Reibverluste
© Fraunhofer IWM
Tribologische und funktionale Schichtsysteme
Anwendungsspezifische Beschichtungslösungen, Prozessentwicklung und Qualitätskontrolle aus einer Hand.
Wir realisieren kundenspezifische Beschichtungen für Funktionalität, Leistungsfähigkeit und Lebensdauersteigerung von Bauteilen und Komponenten. Wir erarbeiten ressourcenschonende, plasmabasierte Prozesse bis hin zur Nullserie. Schichtmaterial, Prozesstechnologie und Anlagentechnik stimmen wir so aufeinander ab, dass für unsere Kunden echte Wettbewerbsvorteile entstehen.
Dabei decken wir ein breites Anwendungs- und Materialspektrum ab: Kohlenstoffbasierte Schichten wie DLC (Diamond Like Carbon) bis hin zu Diamant reduzieren Reibung und Verschleiß bei Hartmetallwerkzeugen sowie in Lagern, Dichtungen und Getrieben. Nitridische und oxidische Schichtsysteme werden als Schutzschichten gegen Wasserstoffeindiffusion, für Formgebungsprozesse, Dünnschichtsensorik sowie als Korrosionsschutz eingesetzt. Die Einstellung bestimmter Wachstumsbedingungen ermöglicht die Strukturierung der Schichten während der Deposition und verleiht den Schichten so zusätzliche Funktionalitäten wie die Steuerung der Benetzung, der Adhäsion oder der Reflexion. Darüber hinaus untersuchen wir auch die Plasmaprozesse selbst als Werkzeug, z.B. zur chemischen Randschichtmodifikation, zur Oberflächenstrukturierung oder zur CO2-Konversion und H2-Erzeugung.Die Qualität und Mikrostruktur der Schichten und Prozesse entwickeln wir kontinuierlich weiter und passen sie den Anforderungen unserer Kunden an. Dazu setzen wir auch physikalische Simulationen ein, um bauteilangepasste Plasmabedingungen bei der Deposition einzustellen. Wir nutzen unser fundiertes Know-how im Anlagenbau und der Quellentechnik, um für den Kunden bei Technologieauswahl und Prozessübertragung zu unterstützen. Für die Prozess- und Qualitätskontrolle steht ein umfangreiches Instrumentarium an Plasmadiagnostik und Schichtcharakterisierungsmethoden zur Verfügung.
Wie unterstützen wir Ihr Unternehmen bei Schicht- und Materialentwicklung?
Entwicklung von kohlenstoffbasierten Schichten für Reibungs- und Verschleißminderung
Basierend auf einer genauen Analyse des Tribosystems des Kunden (Lager, Dichtung, etc.) entwickeln wir ein in Härte, Reibung und Elastizität und auf das Bauteil angepasstes Schichtsystem. Die Schichtparameter können dabei in einem sehr breiten Bereich variiert und gezielt eingestellt werden:
- E-Modul: 80 – 500 GPa
- Härte: 2 – 50 GPa
- Zugfestigkeit: 1 – 3 GPa
- Einstellbarer Kontaktwinkel
- Relativ hohe Druckeigenspannungen: 0,5 – 3 GPa
- Typische Schichtdicken: 0,5 – 20 µm
- Beschichtungsraten: 0,01 – 1 µm/min
- Beschichtungstemperaturen: 50 – 250 °C
- Hohe Korrosionsbeständigkeit
- Biokompatibel
- Optisch transparent (wenn sehr dünn)
Durch die Verwendung eines Plasmas zum Aufspalten der schichtbildenden Gasmoleküle (e.g. Methan, Toluol, Acetylen, …) anstatt hoher Temperaturen wie bei einem klassischen CVD-Prozess können nahezu alle Materialien beschichtet werden, also Metalle und Keramiken aber auch viele Kunststoffe und sogar Elastomere.
Einstellung der Topografie
Durch unsere Beschichtungstechnologie kann während der Abscheidung ohne Vorstrukturierung eine gezielte Schichttopographie eingestellt werden. Dies führt zu wesentlichen Fortschritten bei der Reibungs- und Verschleißminderung und damit zur Reduktion von Schmier- und Trennmitteln. Die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Antriebs- und Anlagenkomponenten werden wesentlich erhöht.
Multilagen-Schichtaufbau
Die Eigenschaften von DLC-Schichten lassen sich über Dotierung und Abscheideparameter einstellen. Mit unterschiedlichen Schichten in einem Multilagenaufbau können die positiven Eigenschaften der Einzelschichten miteinander kombiniert werden. Beispielsweise werden die Verschleißfestigkeit und die Temperaturbeständigkeit durch Einbringung von hochverschleißfesten (amorphen beziehungsweise hexagonalen) Bornitrid-Lagen erhöht.
Weiterführende Informationen:
Pressemeldung: Simulation der Wechselwirkung von DLC-Schichten und ZDDP-Schmierstoffen
Blogbeitrag: Beschreibung von Möglichkeiten der DLC-Beschichtung von Polymeren am Fraunhofer IWM
Projektprofil: Abgeschlossenes Verbundprojekt zur Steigerung der Energieeffizienz von wassergeschmierten Gleitpaarungen in Pumpen
Blogbeitrag:Abgeschlossenes DFG-Projekt zur Detektion gasförmiger Reaktionsprodukte aus dem Reibkontakt Stahl auf DLC
Bachelorarbeit: Messung der Wasserstofffreisetzung aus DLC-Schichten bei hohen Temperaturen
Publikation: Laser structuring and DLC coating of elastomers for high performance applications, Materials, 15/9 (2022) Art. 3271, 13 Seiten; 45/2022 Link
Entwicklung von Barriereschichten und Messung der Wasserstoffpermeation
Die kundenspezifische Entwicklung von Schutzschichten gegen tribologische und korrosive Beanspruchungen in Kombination mit einer Barrierewirkung gegenüber der Eindiffusion von Wasserstoff verlangt eine ganzheitliche Betrachtung des gesamten Systems. Fraunhofer IWM erarbeitet vielfältige Schutz- und Barriereschichten, vorwiegend auf Basis von Oxiden und Nitriden. Die Schichtperformance und Barrierewirkung wird bis hinunter zur atomaren Ebene modelliert und mit z.T. selbst entwickelten Methoden und Prüfständen gemessen und bewertet. Die Aufbringung von Barriereschichten mittels plasmabasierter Verfahren bietet dabei vielfältige Vorteile für den Kunden:
- Großer Range unterschiedlicher Materialien beschichtbar: Metalle, Polymere, Keramiken
- Große Bandbreite an Schichtmaterialien: Metalle, Oxide, Nitride, kohlenstoffbasierte Beschichtungen
- Recyclierbarkeit beschichteter Komponenten
- Kombinierte Schutzwirkung
- Aufskalierbare Prozesse mit geringem CO2-footprint
Neben der Schichtentwicklung bietet das Fraunhofer IWM dem Kunden auch Testmöglichkeiten zur Bewertung seiner Schichten bzgl. Eindiffusion von Wasserstoff. Die Permeationstests können mit weiteren tribologischen Tests kombiniert werden.
Weiterführende Informationen:
Blogbeitrag: Untersuchungen zu Barriereschichten für Elektrolyseure und Brennstoffzellen
Pressemeldung: Entwicklung von Barriereschichten aus MAX-Phasen Materialien
Publikation: Gröner, L.; Mengis, L.; Galetz, M.; Kirste, L.; Daum, P.; Wirth, M.; Meyer, F.; Fromm, A.; Blug, B.; Burmeister, F., Investigations of the deuterium permeability of as-deposited and oxidized Ti2AlN coatings, Materials, 13/9 (2020) Art. 2085, 9 Seiten; 51/2020 Link
Publikation: Gröner, L.; Kirste, L.; Oeser, S.; Fromm, A.; Wirth, M.; Meyer, F.; Burmeister, F.; Eberl, C., Microstructural investigations of polycrystalline Ti2AlN prepared by physical vapor deposition of Ti-AlN multilayers, Surface and Coatings Technology, 343/ (2018) 166-171; 43/2018 Link
Entwicklung von Korrosionsschutzschichten
Anhand von Recherchen und atomistischen Simulationen wurden nanolaminare, ternäre Nitride als potenzielle Materialien mit guten Korrosionsschutzeigenschaften identifiziert. Bei diesen »MAX-Phasen«-Materialien wechseln sich atomare Metall- mit Nitrid-Lagen ab. Sie vereinen metallische mit keramischen Eigenschaften und kombinieren gute chemische Beständigkeit mit hoher mechanischer Schadenstoleranz. Ein Vertreter ist Ti2AlN, zu dessen Abscheidung ein reaktiver Sputterprozess erarbeitet wurde, mit dem sehr phasenreine MAX-Phasen mit kristallografischer Vorzugsorientierung erzeugt werden können. An den Schichten wurde das Wachstum einer Oxidschicht bei Temperaturen bis knapp 1000°C detailliert untersucht und eine günstige, sehr geringe Wachstumsrate beobachtet. Anwendungen wären z.B. Beschichtungen von Bipolarplatten für Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC) und die Unterbindung der Chrom-Diffusion.
Für Anwendungen in der Energietechnik (Solarkraftwerke) kommen Materialien in Kontakt mit heißen Salzschmelzen. Dort wurde, ebenso wie bei der Heißformgebung von Gläsern, auch metallische Korrosionsschutzbeschichtungen auf Edelmetallbasis erarbeitet und validiert.
Weiterführende Informationen:
Blogbeitrag: Untersuchungen zu Barriereschichten für Elektrolyseure und Brennstoffzellen
Publikation: Gröner, L.; Kirste, L.; Oeser, S.; Fromm, A.; Wirth, M.; Meyer, F.; Burmeister, F.; Eberl, C., Microstructural investigations of polycrystalline Ti2AlN prepared by physical vapor deposition of Ti-AlN multilayers, Surface and Coatings Technology, 343/ (2018) 166-171; 43/2018 Link
Publikation: Gurr, M.; Bau, S.; Burmeister, F.; Wirth, M.; Piedra-Gonzales, E.; Krebser, K.; Preußner, J.; Pfeiffer, W., Investigation of the corrosion behavior of NiVAl multilayer coatings in hot salt melts, Surface and Coatings Technology, 279/ (2015) 101-111; 1292/2015 Link
Publikation: Hagen, J.; Burmeister, F.; Fromm, A.; Manns, P.; Kleer, G., Iridium coatings with titanium sub‐layer deposited by RF magnetron sputtering: Mechanical properties and contact behavior with RoHS‐compliant glass melt, Plasma Processes and Polymers, 6/Supplement 1 (2009) 678-683 Link
Publikation: Gröner, L,; “Untersuchungen zur Synthese und Mikrostruktur von Ti2AlN-Dünnschichten sowie deren Schutzwirkung auf ferritische Stähle“ Dissertation Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau, Erscheinungsjahr: 2020; ISBN: 978-3-8396-1619-2; Link
Entwicklung von Schichten für Kunststoffformgebung, Optik und Mikrosysteme
Unsere Tegonit®-Schichtsysteme ermöglichen hochwertige Fertigungsprozesse für optische Komponenten mit neuen Funktionalitäten wie steuerbare Lichtverteilungen, Farbechtheit und Entspiegelung.
Sie bieten in Spritzgießprozessen und verwandten Verfahren vielfältige Möglichkeiten zur direkten In-Prozess-Funktionalisierung von Oberflächen wie z.B. Entspiegelung von Kunststoffkomponenten direkt im Formgebungsprozess durch Abformung nanostrukturierter Schichten (Tegonit® PTAn)
Sie erlauben die Prozessüberwachung durch z.B. Erfassung der Temperatur in der bisher nicht zugänglichen Grenzfläche zwischen Werkzeugwand und Schmelze mit temperatursensitiven Schichten (Tegonit® PNCN)
Sie ermöglichen die lokale Zusatztemperierung direkt auf der Werkzeugoberfläche zum Kaschieren von Bindenähten, Erhöhung des Glanzgrades und Verlängerung von Fließwegen durch thermische Isolations- oder Heizschichten (Tegonit® PTA)
Sie verbessern die Entformbarkeit durch konturfolgende Antiadhäsivschichten (Tegonit® CS)
Anwendungen in Optik, Medizin- oder Werkzeugtechnik benötigen unterschiedlich ausgestaltete Oberflächentexturen auf der Mikro- und Nanoskala. Diese können durch Selbstorganisationseffekte beim Wachstum von PVD-Schichten erzeugt werden. So können zum Beispiel Oberflächen wasser- und schmutzabweisend ausgerüstet, die Zelladhäsion auf der Oberfläche von Implantaten gesteuert und Kunststoffkomponenten direkt im Formgebungsprozess entspiegelt werden.
Weiterführende Informationen:
Publikation: Erforschung der tribologischen Eigenschaften der Haut von in der Sahara lebenden Sandfisch-Echsen
(Publikationen im Beilstein Journal of Nanotechnology: https://doi:10.3762/bjnano.9.243 und https://doi:10.3762/bjnano.9.238)
Entwicklung von Dünnschichtsensoren
Dünnschichtsensoren können für den Kunden immer dort wertvolle Beiträge liefern, wo Mess- und Regelgrößen erfasst werden müssen, die mit konventionellen Verfahren aber nicht zugänglich sind. Z.B. in einem Siegelspalt einer Heißsiegelmaschine, an der Oberfläche eines Spritzgieß- oder Umformwerkzeugs sowie auf einem Gelenkkopf für Kugelgelenke. Fraunhofer IWM erarbeitet kundenspezifische Lösungen und ermöglicht so z.B. eine insitu-Prozesskontrolle als auch die Absicherung von Simulationsrechnungen mit experimentellen Daten.
Weiterführende Informationen:
Blogbeitrag: Neuer Prüfstand zur Charakterisierung der Reibvorgänge bei der Warmmassivumformung von Aluminium im Fraunhofer IWM
Blogbeitrag: Entwicklung von Dünnschichtsensoren zum Monitoring von Rolle-zu-Rolle-Prozessen
Publikation: Oberle, N.; Burmeister, F.; Wirth, M.; Zapara, M.; Kailer, A., Experimentelle Charakterisierung und numerische Modellierung der Reibvorgänge in der Warmmassivumformung am Beispiel einer Aluminiumlegierung, massivUMFORMUNG, September 2021/ (2021) 53-56; 49/2021 Link
Entwicklung von poly- und einkristallinen Diamantschichten
Für spezielle Anwendungen, z.B. für die Beschichtung und Standzeiterhöhung von Hartmetallwerkzeugen erarbeitet Fraunhofer IWM polykristalline Diamantschichten, die in einer selbst gebauten Mikrowellenanlage deponiert werden. Für Anwendungen in der Leistungselektronik aber auch in der Quantentechnologie, werden hingegen einkristalline Diamantschichten benötigt, vorzugsweise in Waferform. Fraunhofer IWM beteiligt sich an mehreren Entwicklungsprojekten zur Erzeugung einkristalliner Diamantschichten und erforscht dafür Heteroepitaxieprozesse zur Erzeugung einkristalliner Iridium-Substrate.
Weiterführende Informationen:
Publikation: Yoshikawa, T.; Herrling, D.; Meyer, F.; Burmeister, F.; Nebel. C.E.; Ambacher, O.; Lebedev, V., Influence of substrate holder configurations on bias enhanced nucleation area for diamond heteroepitaxy: Toward wafer-scale single-crystalline diamond synthesis, Journal of Vacuum Science & Technology B, 37/2 (2019) 021207 1-8; 26/2019 Link
Publikation: Meyer, F.; Fehrenbach, T.; Prozessentwicklung zur Erzeugung großflächiger hochorientierter Diamantscheiben als Werkstoff für Wärmespreizer und Schneidanwendungen ; Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK, Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) | FuE-Kooperationsprojekte Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM), ZF4786101WO9; 1126/2022 Link
Publikation: Lebedev, V.; Yoshikawa, T.; Giese, C.; Kirste, L.; Zukauskaite, A.; Graff, A.; Meyer, F.; Burmeister, F.; Ambacher, O., Formation of icosahedron twins during initial stages of heteroepitaxial diamond nucleation and growth, Journal of Applied Physics, 125/7 (2019) 075305 1-10; 25/2019 Link
Schichtbewertung und Oberflächenanalytik
Gängige Prüfungen für die Schichthaftung wie Kugeleindruck, Kreuzschnittverfahren oder Scotch-Tape-Test haben alle Ihre Daseinsberechtigung, aber gerade bei dünnen Schichten auch ihre Schwächen. Der Nano Scratch Tester, wie er am Mikro-Tribologie Centrum zur Verfügung steht, eignet sich auf Grund seiner feinen Kraft- und Tiefenauflösung hervorragend, um eine Schichtentwicklung zu begleiten und die Wirkung verschiedener Vorbehandlungsmethoden auf Schichthaftung und spätere Schichtperformance vergleichend bewerten zu können. Dazu wird mit einer Diamantspitze mit einem typischen Radius von 5 µm linear über die zu prüfende Schichtoberfläche geritzt und dabei die Last ebenfalls linear bis zu einer Maximalkraft von bis zu 1000 mN erhöht. Für sehr dünne Schichten steht nun auch ein High-Sensitivity Mode von ca. 1 mN – 10 mN zur Verfügung. Dabei können mit nm-Auflösung die Eindringtiefe, die verbleibende Eindringtiefe, die Querkraft (~Reibwert) und mit dem Ritzbild synchronisierte, lichtmikroskopische Analysen herangezogen werden, um jeweils schichtspezifische, kritische Kräfte zu definieren.
Die Funktionalität und Lebensdauer von Beschichtungen im Einsatz wird neben der Schichthaftung von weiteren Faktoren bestimmt wie Härte, Mikrostruktur, Topografie, Stöchiometrie etc. Mit unserer langjährigen Erfahrung und vielfältigen Analytikmethoden sind wir in der Lage die erfolgskritischen Faktoren sowohl bei der Aufklärung von Schadensfällen als auch bei der gezielten Schichtentwicklung für Kunden zu identifizieren, zu bewerten und Ihnen wertvolle Hinweise zur Systemoptimierung zu geben. Wir kombinieren die bauteil- und anwendungsgerechte Charakterisierung mit der umfassenden Bewertung der Schichtperformance gepaart mit Simulationen bis hin zur atomaren Ebene.
Es steht eine Vielzahl der modernsten Analysemethoden zur Verfügung zu denen wir Sie selbstverständlich gerne beraten und bei der Auswahl der für Sie geeigneten Verfahren unterstützen. Eine vertrauliche Auftragsbearbeitung ist dabei eine Selbstverständlichkeit.
Verfügbare Methoden:
Chemische Analyse: Inrfrarotspektroskopie, Energie- und wellenlängendispersive Röntgenspektroskopie, Optische Glimmentladungsspektroskopie, Röntgenbeugung und Photospektroskopie, Ramanmikroskopie, Kontaktwinkelmessung
Mikroskopie und Oberflächenanalytik: Rasterkraftmikroskopie, Optische Mikroskopie, Weißlichtinterferometrie, Laserscanning Mikroskopie, Profilometrie, Rasterelektronen-Mikroskopie, Focused Ion Beam, Glasfaserspektrometrie, Transmissions- und Reflexionsmessung (direkt, diffus), Farbmessung
Tribologische / mechanische Analyse: Mikro- und Nanoindentierung zur Bestimmung von Härte und Elastizitätsmodul dünner Schichten, Schichtdickemessung (Weißlichtinterferometrisch, Profilometrisch, Querschliff, Kalotte), Schichthaftung (Scratchtest, Kugel- oder Rockwelleindruck, Gitterschnitt, Stirabzug), Pin-on-Disk-Test, Eigenspannungsmessung (temperaturabhängig bis 500 °C)
Weiterführende Informationen:
Blogbeitrag: Eigenspannungsmessungen an Schichten zur Bestimmung mechanischer und thermischer Eigenschaften
Blogbeitrag: Neuer Nano Scratch Tester zur Schichtcharakterisierung am Fraunhofer IWM
Blogbeitrag: Abgeschlossenes DFG-Projekt zur Detektion gasförmiger Reaktionsprodukte aus dem Reibkontakt Stahl auf DLC
Kernkompetenz: Mess- und Charakterisierungsmöglichkeiten im Bereich Tribologie und Oberflächendesign - Fraunhofer IWM
Entwicklung von Anlagentechnik und Abscheideverfahren
Wir entwickeln neue Verfahrenskombinationen wie RF und HiPIMS-Sputtern und erforschen deren Potenzial für die Eigenschaftsoptimierung von Schichten. Neue Peripheriekomponenten werden in Kooperation mit Komponentenherstellern validiert. Über eine spezielle Elektrodenkonfiguration werden extrem schnelle Abscheideprozesse für DLC-Schichten mit bis zu 10µm/h Abscheiderate realisiert. Die Anpassung von Beschichtungsprozessen geht hin bis zum Bau von kundenspezifischen Beschichtungsanlagen.
Mit eigens entwickelten und patentierten Beschichtungsanlagen können in effizienten Prozessen schnellwachsende DLC-Schichten bei hoher Plasmadichte auf Bauteile aufgebracht werden. Die Anlagen sind auf Größe und Geometrie der Bauteile anpassbar, komplexe Bauteilformen können so auf der gesamten Oberfläche mit extrem hoher Homogenität bzgl. Schichtdicke und -eigenschaften beschichtet werden. Durch das 2-Kammer-Prinzip (Inertgaskammer und Reaktivgaskammer) sind die Anlagen zudem reinigungsarm. Im Rahmen mehrerer Industrieprojekte ist eine Komplettanlage samt Prozess zu einem Kunden übertragen worden und wird dort in der Produktion eingesetzt.
In Summe stehen im Fraunhofer IWM folgende Anlagen und Technologien für kundenspezifische Entwicklungen zur Verfügung:
- reaktive und nichtreaktive Prozesse
- DC- und MF- und HF-Magnetronsputtern unter Reinraumbedigungen
- HiPIMS-Anregung unter Reinraumbedigungen
- HF – Substratbiasing
- Ionen- (IBS) und Elektronenstrahlverdampfen
- Substratbeheizung bis 1000 °C
- Plasmapolymerisation
- Cosputter-Beschichtung
- Großflächige PECVD-Beschichtung, induktiv und kapazitiv gekoppelt
- Mikrowellen-PECVD
- CCP-HF-Plasmaätzverfahren
Von den o.g. Verfahren stellt das HiPIMS-Sputtern eine Weiterentwicklung der gepulsten Gleichspannung (MF) dar, mit dem Ziel, durch hohe Leistungspulse Plasmen mit einer sehr hohen Dichte und einem extrem hohen Ionisationsgrad der gesputterten Metallatome zu erzeugen. Durch eine gemeinsame Entwicklung mit der MELEC GmbH ist es erstmals gelungen, einen hybriden Prozess mit gleichzeitiger HF- und HiPIMS-Anregung zu realisieren.
Weiterführende Informationen:
Blogbeitrag: Beschreibung der Beschichtungsmöglichkeiten am Fraunhofer IWM
Blogbeitrag: ZIM-Projekt zur Entwicklung eines HiPIMS/HF-Sputterverfahren für Oxidschichten
Blogbeitrag: Projekt zur plasmagestützten Nanostrukturierung von Glasabdeckungen nach biologischen Vorbildern
Blogbeitrag: Untersuchungen zu Barriereschichten für Elektrolyseure und Brennstoffzellen
Blogbeitrag: Studienarbeit zu Dünnschicht Drucksensoren für die Kunststoffverarbeitung
Plasmabasierte Oberflächenfunktionalisierung
Funktionalisierung von Gläsern und Hartmetallen
Nitrierung, Wasserstofferzeugung
Die Fräsbearbeitung glasfasergefüllter Kunststoffe erfordert oft die Verwendung von extrem teuren Hartmetallwerkzeugen, die zur Standzeiterhöhung diamantbeschichtet sein müssen. Für Lohnbeschichter und Hersteller von Hartmetallwerkzeugen bieten wir ein plasmabasiertes Verfahren an, um die cobalthaltige Binderphase im Hartmetall chemisch zu passivieren. Ohne diese Umwandlung würde die aufgebrachte Diamantschicht grafitisieren und aufgrund schlechter Schichthaftung schnell verschleissen. Dabei kommt unser patentierter und lizenzierbarer Prozess ohne die Verwendung umweltschädlicher Chemikalien aus.
Für sehr große Werkzeuge, speziell Umformwerkzeuge, sind Beschichtungslösungen zur Härtesteigerung meist unwirtschaftlich, hier werden oftmals Nitrierlösungen eingesetzt. Dazu ist jedoch eine komplexe und aufwändige Anlagentechnik notwendig, die kaum wirtschaftlich zu betreiben ist. Hier arbeitet das Fraunhofer IWM an Lösungen zu einer ‚onsite‘-Nitrierung, die es Anwendern perspektivisch ermöglicht, ihre Werkzeuge vor Ort selbst zu nitrieren und sich den kostspieligen Werkzeugversand zu sparen.
Für die Entspiegelung und Ausrüstung von Abdeckungscheiben mit Antifogging-Eigenschaften werden derzeit reaktive Plasmaätzprozesse an Floatgläsern untersucht. Durch selbstorganisierte Prozesse bilden sich selbstständig Nanostrukturen aus, die ähnlich dem biologischen Vorbild des Glasflügelfalters eine Entspiegelung der Oberfläche bewirken.
Ein aktuelles Forschungsprojekt des Fraunhofer IWM beschäftigt sich mit der Erzeugung von Wasserstoff aus Methan. Dazu wird der sog. Hohlkathodeneffekt ausgenützt, der zu einer Verstärkung des Plasmas zwischen zwei Elektrodenplatten führt und so die Effizienz bei der plasmabasierten Aufspaltung von Kohlenwasserstoffen deutlich erhöhen sollte.
Weiterführende Informationen:
Pressemeldung: Entwicklung einer Vorbehandlungsroutine zur Steigerung der Haftung von CVD-Diamant auf Hartmetall
Dissertation: Manuel Mee „Mikrowellenplasmagestützte Prozessentwicklung zur Herstellung von Funktionsgradientenhartmetallen für die CVD-Diamantbeschichtung“ Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Januar 2017 Link
Publikation: Burmeister, F.; Schillinger-Engel, K.; Abriebbeständige, superomniophobe Glasabdeckungen mit breitbandiger Entspiegelung nach dem Vorbild des Glasflügelfalters (GRETA OTO) FKZ:, ; Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF, Vom Material zur Innovation; Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen; Hightech-Strategie 2025, 13XP5165A; 1142/2023 Link
Warum sollte mein Unternehmen mit dem Fraunhofer IWM bei Fragestellungen zu tribologischen und funktionalen Schichtsystemen zusammenarbeiten?
Das Schichtverhalten im Einsatz zu verstehen ist die Basis für maßgeschneiderte Beschichtungen
Mit unserem werkstoffmechanischen Ansatz zielen wir darauf ab, tribologische Systeme ganzheitlich zu begreifen, Schwachstellen und Leistungsgrenzen in Werkstoffen und Bauteilen zu identifizieren, deren Ursachen aufzuklären und darauf aufbauend Lösungen für die Beschichtung, Einsatzsicherung und Leistungssteigerung von Bauteilen und Komponenten anzubieten.
Simulationsgestützte Schicht- und Materialentwicklung
Wir setzen Multiskalensimulationen ein, um das Verhalten von Schichten und Oberflächen im Einsatz vorherzusagen. Wir simulieren chemische Prozesse an Oberflächen und die Wechselwirkung von Beschichtungen mit umgebenden Medien. Durch das umfassende und vertiefte Verständnis der oberflächennahen Prozesse können wir Schichteigenschaften gezielt steuern und auf die chemischen und mechanischen Beanspruchungen antworten.
Bei Wasserstoff-Anwendungen überlassen wir nichts dem Zufall und erarbeiten abgesicherte Lösungen aus einer Hand
Wir messen die Permeationseigenschaften von Materialien sowie die Barrierewirkung von Schichten mit unseren eigenen Permeationsprüfständen. Wir bewerten darüber hinaus die Reibungs- und Verschleißeigenschaften unter anwendungsnahen Bedingungen in unserem Tribologie-Labor. Die Flexibilität unserer Beschichtungsprozesse und Anlagentechnik ermöglicht es uns, Testergebnisse unmittelbar in das Schichtdesign einfließen zu lassen und Wasserstoff-Barriereschichten ausgehend vom spezifischen Kundenbedarf zu entwickeln.
Wir übertragen Beschichtungsprozesse in die industrielle Praxis
Die Entwicklung kundenspezifischer Beschichtungslösungen und der darauf ausgerichteten Prozesstechnologie gehen bei uns Hand in Hand. Wir kennen die Herausforderungen bei der Übertragung und Skalierung von Beschichtungsprozessen vom Labormaßstab in den Industriemaßstab und verfügen über das nötige Anlagen-Know-how. Entwicklungszeiten werden durch begleitende physikalische Plasmasimulationen verkürzt.