Industrielle Plasma-Oberflächentechnik - mo
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Industrielle Plasma-Oberflächentechnik - mo
Grundlagen der Oberflächentechnik Industrielle Plasma-Oberflächentechnik 1 Martin Riester, VDMA Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V., Fachabteilung Oberflächentechnik Die Industrielle Plasma-Oberflächentechnik ist die herausragende Innovationsbranche der Oberflächentechnik. In den vergangenen Jahrzehnten hat diese Technologie eine steile Entwicklung durchlaufen und zahlreiche Innovationssprünge in ihren Anwenderbranchen ermöglicht. Die Wiege der Plasma-Oberflächentechnologie stand in Deutschland ebenso wie ihre erste konkrete Anwendung, das Plasmanitrieren zum Verschleiß- und Korrosionsschutz an Maschinenteilen. Hierzulande wird die Plasma Oberflächentechnik seit vielen Jahren erfolgreich im industriellen Maßstab genutzt. Selbst das vergleichsweise traditionelle Verfahren Plasmanitrieren bietet auch heute noch großes Innovationspotenzial in potenziellen Kundenbranchen. Auch die anderen Verfahren der Industriellen Plasma-Oberflächentechnik wie PVD, PACVD, PECVD oder Plasma-Polymerisation haben zu Innovationsschüben in beinahe allen industriellen Bereichen beigetragen und sind inzwischen oft ohne Konkurrenz. Der Erfolg der Industriellen Plasma-Oberflächentechnik drückt sich auch über die große Hebelwirkung in den Kundenbranchen aus. Mit unterschiedlichen Verfahren hat die Industrielle Plasma-Oberflächentechnik Innovationssprünge in zahlreichen Zielbranchen ermöglicht. So hat die Entwicklung geeigneter Verfahren wie zum Beispiel das Plasmaätzen den breiten Einsatz von Sensoren im Automobil und anderen komplexen Produkten ermöglicht. Mit den durch Industrielle Plasma-Oberflächentechnik erzeugten verschleißfesten Schichten, ist moderne DieselTechnologie mit Hochdruckdirekteinspritzung überhaupt erst möglich geworden. mo Taschenbuch Oberflächentechnik Auffällig war in der langjährigen Geschichte der PlasmaOberflächentechnik, dass die bedeutendsten Entwicklungssprünge von kleineren und jungen Firmen ausgegangen sind. Auch heute wird Industrielle PlasmaOberflächentechnik großenteils durch kleinere und mittelständische Unternehmen angeboten und weiterentwickelt. Deutsche Firmen und Forschungseinrichtungen sind Bild: Sulzer Metaplas weltweit führend auf diesem Gebiet, auch wenn international erheblich aufgeholt wurde. Aufgrund dieser wesentlichen nationalen und internationalen Stellung ist am 24. April 1995 im VDMA die Arbeitsgruppe Industrielle Plasma-Oberflächentechnik als verbandliche Organisation für die Interessenvertretung dieser Industrie gegründet worden. Als Ergänzung zu den bis dahin bestehenden Initiativen, welche stark auf Grundlagenforschung orientiert waren, ist der VDMA-Arbeitskreis auf die Interessen der Industrie fokussiert. Das Informieren der Zielbranchen über realisierte und erfolgreich in der industriellen Produktion eingesetzte Verfahrenstechnik stand dabei von Anfang an im Vordergrund. Zur Förderung der Industriellen Plasma- 43 Grundlagen der Oberflächentechnik Oberflächentechnik ist der Arbeitskreis zusätzlich mit Forschungsvereinigungen und Foren des VDMA vernetzt. Der Erfolg der Öffentlichkeitsarbeit für das Branchenprofil drückt sich in der Integration der Begrifflichkeiten in die Nomenklaturen von Messen und auch die Übernahme dieses Branchenbegriffes durch Vereinigungen mit Schwerpunkt in der Forschung aus. Neben der Bedeutung technischer Entwicklungen und deren Umsetzung im industriellen Maßstab, ist die Vermittlung der vorhandenen Anwendungsmöglichkeiten der Verfahrens- und Anlagentechniken wichtigstes Kriterium für den Erfolg dieser Technologie. Die bedeutende Rolle des deutschen Werkzeug- und Maschinenbaus konnte durch moderne Plasmatechnik gefestigt werden. In Zukunft wird der Beitrag der Industriellen Plasma-Oberflächentechnik für die Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit in Branchen wie der Automobilindustrie oder des Maschinenbaus zunehmend wichtiger. Die moderne Industrie verlangt zunehmend schnellere Prozesse, Leichtbaukonstruktionen und kompakte Bauweisen. Gleichzeitig sind Bild: PlaTeG hohe Qualitätsansprüche und Umweltschutzanforderungen zu erfüllen. Bei diesem komplexen Anforderungsprofil geraten Werkstoffe schnell an ihre Grenzen. Die heutige Werkstoffund Fertigungstechnik stützt sich daher immer 44 mehr auf die Schlüsselfunktion von Oberflächen. Ständig steigende Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Produkten und zunehmender Wettbewerb verlangen, Grundwerkstoff und Oberfläche unabhängig voneinander zu optimieren. Bei der Wahl des Grundwerkstoffes spielen beispielsweise sein spezifisches Gewicht, seine Formbarkeit oder etwa optische Transparenz und nicht zuletzt der Preis eine entscheidende Rolle. Von der Oberfläche des Endprodukts wird mehr verlangt: Bei Werkzeugen und hochbelasteten Maschinenbauteilen muss sie tribologischen Beanspruchungen standhalten, bei Architekturgläsern soll sie Wärmestrahlen und in Scheinwerfern und Leuchten sichtbares Licht reflektieren. Metalle soll sie vor Korrosion schützen, Kunststoffe soll sie kratzfest, mal benetzbar, ein anderes Mal schwer benetzbar machen oder auch das Innere von Kunststoffgehäusen gegen elektromagnetische Felder abschirmen. Medizinische Implantate müssen an der Oberfläche biokompatibel sein und für Uhren, Schmuck sowie viele andere Gegenstände des Alltags soll die Oberfläche einfach nur verschönert werden. Mikroelektronik und hochleistungsfähige Datenträger wären ohne Plasmaoberflächentechnik nicht denkbar. Auch die sich aktuell rasant entwickelnde Photovoltaikindustrie baut im Bereich dünner Schichten maßgeblich auf diese Technologie. Plasmagestützte Oberflächentechnik leistet auf all diesen Feldern einen wichtigen Beitrag. In vielen Fällen bietet sie die einzige Möglichkeit zur entscheidenden Produktverbesserung. Die Bandbreite ihrer Einsatzbereiche qualifiziert sie als Querschnittstechnologie ersten Ranges. Die Palette der behandelten Materialien gibt zugleich Aufschluss über die Branchen, in denen plasmatechnisch behandelte Produkte eingesetzt werden. Neben den Kernbranchen des verarbeitenden Gewerbes in Deutschland (Maschinen- und Anlagenbau, Fahrzeugbau, mo Taschenbuch Oberflächentechnik Grundlagen der Oberflächentechnik Bild: VTD Vakuumtechnik Dresden Metallbe- und -verarbeitung) sind es auch die Wachstumsbranchen (Mikroelektronik, Luftund Raumfahrzeugbau, Biotechnologie/Medizintechnik und Optik), in denen die Industrielle Plasma-Oberflächentechnik erfolgreich eingesetzt wird. Viele Industriezweige haben also bereits erkannt, wie wichtig die Plasma-Oberflächentechnologie für ihre Entwicklung ist – weitere werden sicher noch hinzukommen. Zielbranchen der Industriellen Plasma-Oberflächentechnik sind maßgebliche Stützen der deutschen Wirtschaftsstärke. In vielen Branchen sind Verfahren der Industriellen PlasmaOberflächentechnik eingebunden und haben Innovationen ermöglicht. Der Maschinen- und Anlagenbau ist sowohl aufgrund seiner Größe als auch aufgrund seiner Stellung innerhalb der Wertschöpfungskette eine zentrale Branche für die deutsche Volkswirtschaft. Viele Arbeitsplätze auch in anderen Branchen hängen maßgeblich von der Leistungsfähigkeit dieser Branche ab. Für diese Leitbranche ist die Industrielle Plasma-Oberflächentechnik in mehrfacher Hinsicht von Bedeutung. Zum einen werden Produkteigenschaften(zumBeispielschmiermittelarmeFertigungdurchDLC-Schichten,Verbesserung der tribologischen Eigenschaften durch neue Oberflächen) von Maschinen und deren Komponenten verbessert. So ist die Industrielle Plasma-Oberflächentechnik bei der mo Taschenbuch Oberflächentechnik Herstellung von Schneidwaren und Werkzeugen ein etabliertes Verfahren, um die Standzeiten beziehungsweise die Prozessgeschwindigkeit der Werkzeuge zu erhöhen. Außerdem wird die Plasmabehandlung als Produktionsschritt in Fertigungsanlagen zur Oberflächenaktivierung beispielsweise bei Druckmaschinen oder in der Vorbehandlung im Lackierprozess eingesetzt. Zusätzlich ist die Industrielle Plasma-Oberflächentechnik selbst Teil des Maschinenbaus. Durch die Herstellung von Anlagen, zur Industriellen Plasma Oberflächentechnik werden in Deutschland mehrere hundert Millionen Euro im Jahr umgesetzt. Neben dem Maschinenbau ist der Fahrzeugbau eine weitere Leitbranche der deutschen Wirtschaft. Dazu gehört neben der Herstellung von Kraftwagen und Kraftwagenteilen auch der sonstige Fahrzeugbau, allen voran der Flugzeugbau. Die insbesondere über diese Branche verstärkten Anstrengungen in Richtung Leichtbau haben eine Welle zusätzlicher Anwendungen plasmatechnischer Verfahren ausgelöst. Um Motorenteile gleichermaßen leicht und hart beziehungsweise abriebfest zu machen, wählt man neue Beschichtungen und Härteverfahren. Die Plasmatechnik bietet dabei sowohl attraktive Schichten als auch mit dem Bild: Sulzer Metaplas 45 1 Grundlagen der Oberflächentechnik Plasmanitrieren ein attraktives Härteverfahren an. Plasmaoberflächenbehandlungen geben dem Grundmaterial oft Eigenschaften, die mit anderen Verfahren nicht erreichbar sind. Die Industrielle Plasma-Oberflächentechnik wird im Fahrzeugbau aber nicht nur in der Motortechnik eingesetzt, sondern auch im Karosseriebau und bei Fahrzeugkomponenten. So werden Kunststoffe mittels Plasmaverfahren aktiviert, um eine Lackierung mit wasserlöslichen Lacken zu ermöglichen. Durch eine Plasmabehandlung wird manche Verwendung von Kunststoff oder Leichtmetall erst möglich. Bild: Ikos Beschichtungstechnologie Im Kraftfahrzeugbau beweist die Industrielle Plasma-Oberflächentechnik, dass die Technologie die hohen Anforderungen an Reproduzierbarkeit und Prozessstabilität auch in der industriellen Massenfertigung erfüllt. Die Potenziale der Industriellen Plasma-Oberflächentechnik sind an die spezifischen Potenziale der Kundenbranchen gebunden. Neben den bereits genannten Leitbranchen gibt es eine Vielzahl weiterer Kundenbranchen mit teilweise erheblichen Unterschieden in der Nutzung. Die Medizintechnik bietet bereits heute ein breites Spektrum an Anwendungsfeldern für die Industrielle Plasma-Oberflächentechnik. Für diese Branche gelten insbesondere die 46 Potenziale für den Einsatz plasmatechnischer Verfahren zur Beschichtung, Funktionalisierung und Feinreinigung als sehr hoch. In der Kunststoffbe- und -verarbeitung sind aufgrund der fein gegliederten Branchenstruktur sehr unterschiedliche Anforderungen zu finden. Insbesondere bei hochwertigen Anwendungen hat Deutschland im internationalen Vergleich eine starke Stellung. Kunststoffteile für die Automobilindustrie werden mit Industrieller Plasma-Oberflächentechnik behandelt. Bevor man Kunststoffteile lackieren kann, muss in der Regel eine Oberflächenaktivierung durchgeführt werden, um eine Haftvermittlung für die Lackschicht zu erzeugen. Auch in der Verpackungstechnologie wird Industrielle Plasma-Oberflächentechnik erfolgreich eingesetzt. Weichverpackungen auf der Basis von Kunststoffen und Kartonagen werden hinsichtlich Ihrer Funktionalität veredelt. Mit luft- und flüssigkeitsundurchlässigen Barriereschichten auf Kunststoffen werden in diesem Bereich Werkstoffe wie Metall und Glas weitestgehend ersetzt. In diesem Zusammenhang wird Plasma auch zur Entkeimung eingesetzt, da für Kunststoffverpackungen die klassischen Entkeimungs- bzw. Sterilisationsverfahren aufgrund der höheren Verfahrenstemperaturen und/oder unverträglichen Chemikalien nicht einsetzbar sind. Die vorgenannten Beispiele zeigen anschaulich, wie die Industrielle Plasma-Oberflächentechnik sich in den vergangenen 20 Jahren zu einem bedeutenden Universalwerkzeug entwickelt hat. In schon faszinierender Weise findet sie Anwendung in vielen weiteren höchst unterschiedlichen Bereichen wie der Herstellung von Datenträgern und Anzeigesystemen für die Kommunikationstechnik, der biokompatiblen Beschichtung medizinischer Implantate, der Vergütung optischer Komponenten und allem voran beim Verschleiß- und Korrosionsschutz an Werkzeugen und Maschinenbauteilen. mo Taschenbuch Oberflächentechnik Grundlagen der Oberflächentechnik Hochbelastbare dünne Schichten haben heute für fast sämtliche Maschinenbaubranchen einen hohen Nutzwert. Heute hat die Industrie gelernt, das Werkzeug Plasma wirkungsvoll zur Änderung der Oberflächeneigenschaften einzusetzen. Mit kalten Niederdruckplasmen Bild: Oerlikon Balzers Coating etwa lassen sich sogar temperaturempfindliche Kunststoffe problemlos vergüten. Je nach Wahl der Prozessgase kann die hochreaktive Wirkung von Plasmen sowohl zur Reinigung, Entfettung und Abtragung als auch zur Abscheidung funktionaler dünner Schichten eingesetzt werden. Neben den Kernbranchen des verarbeitenden Gewerbes in Deutschland (Maschinen- und Anlagenbau, Fahrzeugbau, Metallbe- und -verarbeitung) findet die Industrielle Plasma-Oberflächentechnik auch in den Wachstumsbranchen (Photovoltaik, Mikroelektronik, Luft- und Raumfahrzeugbau, Biotechnologie/Medizintechnik und Optik), Anwendung für entscheidende Prozessschritt. Es sind diese Branchen, in denen Deutschland über innovative Produkte und eine gute Weltmarktposition verfügt. Die Plasmatechnik trägt dazu bei, indem sie die Miniaturisierung der Werkstücke und die Optimierung der Oberflächeneigenschaften ermöglicht. mo Taschenbuch Oberflächentechnik Die wirtschaftliche Bedeutung der Plasmatechnik lässt sich am besten anhand der Beschäftigtenzahlen erfassen. Mit dem Bau oder dem Betrieb von Anlagen, die plasmatechnische Prozesse nutzen, sind in Deutschland 45.000 bis 60.000 Menschen befasst. Dazu kommen die Beschäftigten, deren Produkte nur gekauft werden, weil vor- oder nachgelagert eine Plasmabehandlung in den Produktionsprozess integriert ist. Das sind in Deutschland mindestens 350.000 bis 500.000 Beschäftigte oder sechs bis sieben Prozent der Arbeitsplätze im Verarbeitenden Gewerbe. Dies ist das Ergebnis eines rasanten Wachstums. Seit Mitte der 90er Jahre hat sich die Bedeutung dieser Technologie für die Beschäftigung im Anlagenbau und in der Oberflächenbehandlung vervielfacht. Wie in vielen Innovationsbranchen wird die Nachfragesteigerung aber vor allem im Ausland erzielt. Dort zeigt man oft weniger Berührungsängste mit modernen Prozessen. Im Vergleich dazu verhält sich der Inlandsmarkt eher konservativ. Als Hemmnis lassen sich nach wie vor deutliche Qualifizierungsdefizite zu den Anwendungsmöglichkeiten in den potenziellen Kundenbranchen ausmachen. So fehlt oft das erforderliche Wissen, um Vorteile und Leistungsfähigkeit moderner Schichtsysteme einschätzen zu können. Im breit gespannten Spektrum der Oberflächentechniken haben sich plasmagestützte Verfahren als feste Größe etabliert. Ein Indiz für den Durchbruch sind jedoch keineswegs nur die High-Tech-Anwendungen. Der Erfolg misst sich vielmehr an der Fähigkeit, mit den bisher etablierten Verfahren der Oberflächentechnik auf deren angestammten Anwendungsfeldern in ernsthafte Konkurrenz zu treten. Im Falle der Galvanotechnik hat der Verdrängungswettbewerb eingesetzt. Nicht nur in technisch anspruchsvollen Nischenanwendungen, wo Kostenaspekte durchaus einmal zweitrangig sein dürfen, sondern bei der Dekoration von Massenprodukten wie 47 1 Grundlagen der Oberflächentechnik Sanitärarmaturen oder etwa Leichtmetallfelgen für die Automobilindustrie sind PlasmaVerfahren auch in Kombination mit Lackiertechnik heute konkurrenzfähig. Fortschritte bei der Verfahrensentwicklung und neue Schichtsysteme haben das Plasma vorangebracht. Gegenüber den galvanischen Verfahren haben sie jedoch nicht nur aus eigener Kraft an Boden gutgemacht. Flankenschutz erhielt die Plasma-Oberflächentechnik vor allem durch die Weiterentwicklung der Umweltschutzvorschriften, die etablierte Verfahren wie die Galvanotechnik oder auch manche Bereiche der Lackiertechnik zunehmend verteuern. Kostenvorteile ergeben sich demnach auch durch geringere Umweltbelastung durch plasmagestützte Oberflächentechnik. Die Nachfrage nach schnelleren Prozessen wird auch für die Anbieter Industrieller Plasma-Oberflächentechnik eine der wesentlichen technologischen Herausforderungen sein. Um das Tempo von Produktionsverfahren erhöhen zu können, muss diese Oberflächentechnik in die laufende Fertigung integriert werden. Bereits seit Mitte der neunziger Jahre hat durch die permanente Ausweitung der Anwendungsbereiche die Branche eine rasante Entwicklung mit im Schnitt zweistelligen Zuwachsraten erfahren. Die Wachstumslücke infolge einer allgemeinen Investitionszurückhaltung ging in 2002 letztendlich auch an der Industriellen Plasma-Oberflächentechnik nicht spurlos vorüber. Die positive Branchenentwicklung hat seitdem noch mehr Schnelligkeit gewonnen. Das Branchenvolumen hat in 2006 die Milliardengrenze überschritten und damit eine neue Rekordmarke in der seit 13 Jahren geführten VDMA Branchenstatistik Industrielle Plasma-Oberflächentechnik gesetzt. Deutschland wird zusammen mit den USA und Japan als führend im Bereich der Plasmatechnik angesehen. Eine Weltmarktführung Deutschlands im Bereich Plasmaanlagen besteht für die Großflächenbeschichtung (Flachglas, Folien und Bandstahl), 48 Bild: VTD Vakuum Technik Dresden die Fertigung optischer Speicher (CD, DVD) sowie Barrierebeschichtungen auf PET-Faschen. Bei Anlagen für Hartstoffbeschichtungen ist die europäische Industrie führend. In Deutschland klafft zwischen den Erkenntnissen der anwendungsorientierten Grundlagenforschung an Hochschulen und Forschungseinrichtungen auf der einen Seite und der Anwendung dieser Ergebnisse in der Industrie eine sehr große Lücke. Hier setzt der VDMA Arbeitskreis Industrielle PlasmaOberflächentechnik mit seinen Aktivitäten an und fördert im Dialog mit Zielbranchen die Umsetzung der nach wie vor großen Anwendungspotenziale dieser Technologie. Autor: Dr. Martin Riester VDMA – Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. Fachabteilung Oberflächentechnik Lyoner Straße 18 60528 Frankfurt E-Mail: [email protected] mo Taschenbuch Oberflächentechnik