Fraunhofer-Institut für Lasertechnik entwickelt PFAS-freie Laserbeschichtungsverfahren

de.wedoany.com-Bericht: Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (Fraunhofer ILT) entwickelt gemeinsam mit Industriepartnern in den vier Projekten RePEEK, EPOS, LEMBAS und pureWaterSeal laserbasierte PFAS-freie Hochleistungsbeschichtungsverfahren für industrielle Anwendungen wie große Metallbauteile, Gleitlager, Elastomerwalzen und Dichtungen. Diese Verfahren nutzen die Eigenschaft der Laserenergie, präzise, lokal und kurzzeitig auf die Materialoberfläche einzuwirken, sodass PFAS-freie Ersatzmaterialien zuverlässig auf verschiedene Substrate aufgebracht werden können und die Probleme herkömmlicher Ofenverfahren – hoher Energieverbrauch oder thermische Schädigung des Substrats – vermieden werden.

Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) besitzen eine extrem hohe chemische und thermische Stabilität, können Reibung reduzieren, Verschleiß und Korrosion verhindern, Anhaftungen vermeiden und im Falle des Versagens des Schmierfilms Notlaufeigenschaften bieten. Dr. Samuel Moritz Fink, Leiter der Gruppe Dünnschichtverfahren am Institut, erklärt, dass PFAS-haltige Materialien typischerweise an den am stärksten belasteten Stellen von Bauteilen sitzen. Ersatzmaterialien müssen sowohl auf Metall-, Kunststoff- oder Gummioberflächen haften als auch hohen Temperaturen standhalten, unter Last nicht abplatzen und zugleich wirtschaftlich auf große Bauteile aufbringbar sein. Materialien wie Polyetheretherketon (PEEK) haben chemisch und mechanisch Potenzial, erreichen aber nicht unbedingt das volle Leistungsspektrum von Polytetrafluorethylen (PTFE) – ein reiner Materialaustausch löst das Problem daher nicht.

Der Schlüssel liegt im Beschichtungsverfahren. Dr. Christian Vedder, Leiter der Abteilung Oberflächentechnik und Materialabtrag am Institut, weist darauf hin, dass der Forschungsschwerpunkt nicht allein auf dem Materialersatz liegt, sondern auf dem gezielten Aufbau innovativer Schichtsysteme durch Laserprozesse. Der Laser kann Oberflächen strukturieren, die Verbindung zwischen Ersatzmaterial und Bauteil verbessern oder die Beschichtung lokal modifizieren, während eine starke Erwärmung des gesamten Bauteils vermieden wird.

Das Projekt RePEEK entwickelt PEEK-basierte Beschichtungen für stark bewegte und hochbelastete Bauteile im Maschinenbau, wie große Gleitlager, Dichtungen, Kolben und Magnetventile. In großen Gleitlagern von Windkraftanlagen läuft die Welle typischerweise in einem PTFE-haltigen Schichtsystem. Würde man große Metallbauteile vollständig in einem Ofen erhitzen, wären Energieverbrauch und Zykluszeiten hoch – es würde weit mehr Material erwärmt, als für die Beschichtung tatsächlich nötig ist. Das Forschungsteam erzeugt zunächst per Laser eine gezielt aufgeraute Metallschicht auf der Metalloberfläche und trägt im selben Prozessumfeld PEEK-Pulver auf, das lokal aufgeschmolzen wird. Dadurch verankert sich der Kunststoff in der rauen Metalloberfläche und es entsteht ein Verbundwerkstoff aus metallischer Funktionsschicht und PEEK-basierter Deckschicht. Dafür entwickelte das Team eine Zyklondüsentechnik, die zum Patent angemeldet wurde: Die Düse verlangsamt den Luftstrom erheblich, sodass das Pulver mit geringer Geschwindigkeit auf die Oberfläche trifft und nicht abprallt – Materialausnutzung und Prozesskontrolle werden dadurch verbessert.

Das Projekt EPOS wird von Delil Idris Demir vom Fraunhofer ILT geleitet und untersucht, wie sich PEEK-basierte Beschichtungen mit hoher Prozesszuverlässigkeit und in mehreren Lagen auf großformatigen Gleitlagerbauteilen aufbauen lassen. Durch schrittweises Beschichten lassen sich größere Schichtdicken erzielen, ohne tonnenschwere Bauteile vollständig zu erwärmen. Beteiligt ist die ACS Coating Systems, die seit Mitte der 1990er Jahre solche Gleitbeschichtungen kontinuierlich weiterentwickelt und heute Schichten von wenigen Mikrometern bis zu einem Millimeter Dicke herstellt. Deren Geschäftsführer Dr. Christoph Stecher bringt sich mit Blick auf Schichtaufbau, industrielle Anwendung und anschließende Serienproduktion in das Projekt ein. Die Polymer Service GmbH Merseburg (PSM) unter der Leitung von Prof. Dr. Katrin Reincke prüft und bewertet die Beschichtungen, wobei der Fokus auf der Kristallinität, der Gefügestruktur, dem thermischen Zustand sowie den mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften von PEEK liegt, um den Laserprozess und den mehrschichtigen Schichtaufbau so abzustimmen, dass die Beschichtung gleichmäßig haftet und den Belastungen im Gleitlagerbetrieb standhält.

Das Projekt LEMBAS befasst sich mit Elastomerwalzen und -rollen, die in der Folienproduktion, der Verpackungsindustrie, der Papierherstellung und der Medizintechnik eingesetzt werden. Partikel auf der Walzenoberfläche können bei Hochgeschwindigkeitsprozessen Probleme verursachen. In der Branche werden häufig Silikonbeschichtungen für Antihafteigenschaften eingesetzt, doch deren Haltbarkeit genügt den Anforderungen moderner Hochgeschwindigkeitsprozesse nicht immer. Adam El-Sarout von der Gruppe Dünnschichtverfahren am Fraunhofer ILT weist darauf hin, dass Silikonbeschichtungen zwar die gewünschten Antihafteigenschaften bieten, aber nicht immer die für moderne Hochgeschwindigkeitsprozesse erforderliche Haltbarkeit erreichen. Das Team entwickelt gemeinsam mit dem Beschichtungsspezialisten Rhenotherm Laserprozesse mit Hochleistungspolymeren wie PEEK, Polyamid oder Polypropylen, die verschleißfester, chemisch beständiger und PFAS-frei sind. Die technische Herausforderung liegt im Temperaturfenster: Hochleistungspolymere benötigen hohe Temperaturen zum Aufschmelzen, während Elastomere wie EPDM nur begrenzt hitzebeständig sind – würde man die Gummivalze vollständig erwärmen, würde das Substrat beschädigt. Der Laser erzeugt die hohe Temperatur nur lokal und kurzzeitig im Beschichtungsmaterial, sodass die Funktionsschicht aufschmilzt, während das darunterliegende Elastomerbauteil geschont wird. Das Team entwickelte zudem eine Zwischenschicht, die das Elastomer schützt und die Haftung der Beschichtung verbessert, und passte die optischen und rheologischen Eigenschaften der Materialien an den Laserprozess an.

Das Projekt pureWaterSeal wird vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) durchgeführt und zielt auf die Entwicklung nachhaltiger Dichtungen ohne PFAS ab, die mit wasserbasierten Schmierflüssigkeiten betrieben werden können. IWM-Experten entwickelten eine diamantartige Kohlenstoffbeschichtung (Diamond-like carbon, DLC), die speziell für PFAS-freie Kunststoffbauteile ausgelegt ist. Das ILT-Team strukturiert die Beschichtung anschließend per Laser, um innere Spannungen und mechanische Belastungen lokal abzubauen, während die Gesamtstabilität der Beschichtung erhalten bleibt. Die Kombination aus Laserstrukturierung und Beschichtung kann Reibung reduzieren, die Verschleißfestigkeit erhöhen und die Lebensdauer der Dichtungen verlängern. Nach Angaben von Matthias Laermann, Leiter der Gruppe Oberflächenstrukturierung am Institut, werden in Deutschland jährlich rund eine Million Tonnen ölhaltiger Schmierstoffe verbraucht – bereits ein Liter kann bis zu eine Million Liter Grundwasser verschmutzen. Erste Prototypen laufen bereits in Pumpen von Geothermiekraftwerken. Das Forschungsteam arbeitet mit Industriepartnern daran, die Dichtungen für Anwendungen wie Pkw, Schiffspropeller, Windkraftanlagen und Erntemaschinen anzupassen und bereitet zugleich den Transfer auf größere Anlagen und die industrielle Serienproduktion vor.

Die gemeinsame Schlussfolgerung der genannten Projekte lautet: Der Verzicht auf PFAS lässt sich nicht allein durch Materialsubstitution erreichen, sondern erfordert passende Fertigungs- und Oberflächenbehandlungsverfahren. Der Laser erweist sich als Schlüsselwerkzeug, um Materialien lokal aufzubringen, aufzuschmelzen oder Funktionsschichten zu strukturieren, ohne den darunterliegenden Bauteilen eine unnötige thermische Belastung zuzufügen. Unternehmen müssen nicht auf eine einzige Ersatzlösung warten, die alle PFAS-Anwendungen abdeckt – das Fraunhofer ILT und seine Industriepartner entwickeln maßgeschneiderte Schichtsysteme für unterschiedliche Bauteile und Anforderungen, darunter reibungsarme Oberflächen für Gleitlager, verschleißfeste Antihaftbeschichtungen für Walzen sowie PFAS-freie Dichtungssysteme für wasserbasierte Schmierflüssigkeiten.