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Antihaftbeschichtung von Betriebsmitteln
Antihaftbeschichtung von Betriebsmitteln Fraunhofer IFAM 04. Juni 2009 Dr. Matthias Ott Gliederung ¾ Vorstellung Fraunhofer IFAM ¾ Niederdruck-Plasmatechnik ¾ plasmapolymere Beschichtungen ¾ antihaftende Plasmabeschichtungen ¾ PermaCLEANPLAS-Beschichtung ¾ Zusammenfassung Klebtechnik und Oberflächen 2 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO 1 Fraunhofer-Gesellschaft Die Fraunhofer-Gesellschaft im Profil 2009 • Informations- und Kommunikationstechnik 57 Institute • Life Sciences • Mikroelektronik • Oberflächentechnik und Photonik 15 000 Mitarbeiter • Produktion • Verteidigungs- und Sicherheitsforschung • Werkstoffe, Bauteile 1,4 Mrd. € Forschungsvolumen Klebtechnik und Oberflächen 3 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO Fraunhofer-Gesellschaft Die Fraunhofer-Institute sind in Deutschland dezentral verteilt: 57 Institute an 32 Standorten Itzehoe Rostock Bremen Hannover Golm Braunschweig Berlin Magdeburg Oberhausen DuisburgDortmund Aachen Schmallenberg St. Augustin Euskirchen Halle Jena Dresden Chemnitz Darmstadt Würzburg Kaiserslautern Erlangen St. Ingbert Saarbrücken Karlsruhe Pfinztal Stuttgart Freiburg Freising München Holzkirchen Klebtechnik und Oberflächen 4 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO 2 Fraunhofer IFAM 289 Mitarbeiter; € 31,3 Millionen EUR Gesamthaushalt im Jahr 2008 Formgebung und Funktionswerkstoffe Klebtechnik und Oberflächen • Prof. Dr.-Ing. Matthias Busse • Priv.-Doz. Dr. habil. Andreas Hartwig Klebtechnik und Oberflächen 5 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO Fraunhofer IFAM Formgebung und Funktionswerkstoffe •Funktionsstrukturen •Gießereitechnik Klebtechnik und Oberflächen • Klebtechnik • Klebstoffe und Polymerchemie • Werkstoffe und Bauweisen •Leichtbauwerkstoffe und Analytik • Plasmatechnik und Oberflächen •Biomaterial-Technologie • Adhäsions- und Grenzflächenforschung •Pulvertechnologie •Rapid-Product-Development • Lacktechnik • Weiterbildung und Technologietransfer • Simulation Klebtechnik und Oberflächen 6 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO 3 Fraunhofer IFAM Formgebung und Funktionswerkstoffe •Funktionsstrukturen •Gießereitechnik •Leichtbauwerkstoffe und Analytik •Biomaterial-Technologie •Pulvertechnologie •Rapid-Product-Development Gedruckte Antenne aus Silber Klebtechnik und Oberflächen 7 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO Fraunhofer IFAM Formgebung und Funktionswerkstoffe •Funktionsstrukturen •Gießereitechnik •Leichtbauwerkstoffe und Analytik •Biomaterial-Technologie •Pulvertechnologie •Rapid-Product-Development Klebtechnik und Oberflächen Eingießen von Funktionselementen: Druckgussbauteil mit integrierter Piezo-Sensorik 8 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO 4 Fraunhofer IFAM Formgebung und Funktionswerkstoffe •Funktionsstrukturen •Gießereitechnik •Leichtbauwerkstoffe und Analytik •Biomaterial-Technologie •Pulvertechnologie •Rapid-Product-Development Aluminiumschaum Klebtechnik und Oberflächen 9 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO Fraunhofer IFAM Formgebung und Funktionswerkstoffe •Funktionsstrukturen •Gießereitechnik •Leichtbauwerkstoffe und Analytik •Biomaterial-Technologie •Pulvertechnologie •Rapid-Product-Development Klebtechnik und Oberflächen Replikate des Steigbügels hergestellt durch Mikro-Metallpulversprizgießen 10 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO 5 Fraunhofer IFAM Formgebung und Funktionswerkstoffe •Funktionsstrukturen •Gießereitechnik •Leichtbauwerkstoffe und Analytik •Biomaterial-Technologie •Pulvertechnologie •Rapid-Product-Development Zugprobe magnetisch - unmagnetisch Klebtechnik und Oberflächen 11 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO Fraunhofer IFAM Formgebung und Funktionswerkstoffe •Funktionsstrukturen •Gießereitechnik •Leichtbauwerkstoffe und Analytik •Biomaterial-Technologie •Pulvertechnologie •Rapid-Product-Development Rapid Prototyping Klebtechnik und Oberflächen 12 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO 6 Fraunhofer IFAM Klebtechnik und Oberflächen • Klebtechnik • Klebstoffe und Polymerchemie • Werkstoffe und Bauweisen • Plasmatechnik und Oberflächen • Lacktechnik • Adhäsions- und Grenzflächenforschung • Weiterbildung und Technologietransfer Applikationstechnik und Prozessanalyse: Präzisionsdosieranlage • Simulation Klebtechnik und Oberflächen 13 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO Fraunhofer IFAM Klebtechnik und Oberflächen • Klebtechnik • Klebstoffe und Polymerchemie • Werkstoffe und Bauweisen • Plasmatechnik und Oberflächen • Lacktechnik • Adhäsions- und Grenzflächenforschung • Weiterbildung und Technologietransfer • Simulation Klebtechnik und Oberflächen 14 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO 7 Fraunhofer IFAM Klebtechnik und Oberflächen • Klebtechnik • Klebstoffe und Polymerchemie • Werkstoffe und Bauweisen • Plasmatechnik und Oberflächen • Lacktechnik • Adhäsions- und Grenzflächenforschung • Weiterbildung und Technologietransfer High-speed single-hulled ferry • Simulation (Photo: Fr. Lürssen Werft, Bremen) Klebtechnik und Oberflächen 15 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO Fraunhofer IFAM Klebtechnik und Oberflächen • Klebtechnik • Klebstoffe und Polymerchemie • Werkstoffe und Bauweisen • Plasmatechnik und Oberflächen • Lacktechnik • Adhäsions- und Grenzflächenforschung • Weiterbildung und Technologietransfer atmospheric plasma tool array Klebtechnik und Oberflächen • Simulation 16 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO 8 Fraunhofer IFAM Klebtechnik und Oberflächen • Klebtechnik • Klebstoffe und Polymerchemie • Werkstoffe und Bauweisen • Plasmatechnik und Oberflächen • Lacktechnik • Adhäsions- und Grenzflächenforschung • Weiterbildung und Technologietransfer Paint cabinet • Simulation Klebtechnik und Oberflächen 17 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO Fraunhofer IFAM Klebtechnik und Oberflächen • Klebtechnik • Klebstoffe und Polymerchemie • Werkstoffe und Bauweisen • Plasmatechnik und Oberflächen • Lacktechnik • Adhäsions- und Grenzflächenforschung • Weiterbildung und Technologietransfer XPS surface analyzing tool • Simulation Klebtechnik und Oberflächen 18 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO 9 Fraunhofer IFAM Klebtechnik und Oberflächen • Klebtechnik • Klebstoffe und Polymerchemie • Werkstoffe und Bauweisen • Plasmatechnik und Oberflächen • Lacktechnik • Adhäsions- und Grenzflächenforschung • Weiterbildung und Technologietransfer training course for • Simulation DVS®-EWF-European Adhesive Engineer - EAE Klebtechnik und Oberflächen 19 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO Fraunhofer IFAM Klebtechnik und Oberflächen • Klebtechnik • Klebstoffe und Polymerchemie • Werkstoffe und Bauweisen • Plasmatechnik und Oberflächen • Lacktechnik • Adhäsions- und Grenzflächenforschung • Weiterbildung und Technologietransfer simulation of a bonded window structure Klebtechnik und Oberflächen • Simulation 20 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO 10 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO Plasmaprozesse: • Niederdruckverfahren • Atmosphärendruckverfahren Excimer-Beschichtungstechnik Oberflächencharakterisierung Dünnschichtanalytik Klebtechnik und Oberflächen 21 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO Leistung Kundennutzen Prozessentwicklung - Erzeugung neuer Oberflächeneigenschaften - Neue Verfahren zur Oberflächenmodifizierung - Kundenspezifische Anpassung - Optimierung beherrschter Prozesse Technologietransfer - Information über Technik und Verfahren - Bemusterung / Nullserienfertigung - Verfahrensimplementierung in Produktion Pilotanlagenbau - Anlagenkonzepte und -bau (anwenderspezifisch) Kooperationen - Anlagenbauer - Lohnbeschichter - F&E-Institutionen Klebtechnik und Oberflächen 22 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO 11 Grundlagen der Plasmatechnik Aggregatzustände fest flüssig Energie Energie Temperatur Temperatur gasförmig Plasma – + Energie + * * * * e- Temperatur Gasmolekül + e- * + e- – + – Gasmolekül (angeregt) + Ionen e- freies Elektron * Molekül- fragment (energiereich) Klebtechnik und Oberflächen 23 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO Grundlagen der Plasmatechnik Niedertemperatur Plasma (NTP) Hochtemperatur Plasma (HTP) (Gleichgewichts Plasma) Nicht-termisches NTP Thermisches NTP (Nicht-Gleichgewichts Plasma) (Gleichgewichts Plasma) Ti ≈ TGas ≈ 300 - 103 K Ti << Te ≤ 105 K (≈ 10 eV) Ti ≈ Te ≈ TGas ≤ 2 x 104 K - Niederdruck Glimmentladung - Bogenentladung - Korona-Entladung - Bogenstrahlplasma (Jet) - Barriere-Entladung - RF-Bogenfackel (Torch) Klebtechnik und Oberflächen Ti ≈ Te ≈ TGas ≈ 107 K - Fusions Plasmen 24 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO 12 Grundlagen der Plasmatechnik Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO Niederdruck-Plasmatechnik Atmosphärendruck-Plasmatechnik Klebtechnik und Oberflächen 25 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO Niederdruck-Plasmatechnik Durchflussregler ≅ HF-Elektrode (13.56 MHz) Gas/MonomerVersorgung Plasmareaktor (modifizierbar mit einer Manometer Bahnwaren- oder Schüttgutvorrichtung) M Drosselventil Druckregler Drehschieberpumpe Vakuumbehälter Vakuumerzeugung Klebtechnik und Oberflächen Rootspumpe Gasversorgung Energieversorgung 26 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO 13 Niederdruck-Plasmatechnik Niederdruck-Plasmatechnik am Fraunhofer IFAM Fein - Reinigen Aktivieren Beschichten Metalle Kleben Spezif. Oberflächenenergie Beschichten / Lackieren Kunststoffe / FVK Glas / Keramik Bedrucken • hydrophob: • hydrophil: Easy-to-Clean H2O-benetzbar Schutzschichten gegen: • Korrosion • Anlaufen • Verkratzen • Bakterien BarriereSchichten: • Gase / Dämpfe • Flüssigkeiten Klebtechnik und Oberflächen 27 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO plasmapolymere Beschichtungen Erzeugung von plasmapolymeren Beschichtungen • Zur Kettenbildung befähigte Atome oder Moleküle (Kohlenstoff C, Silicium Si, Schwefel S) werden im Plasma ionisiert, aktiviert und fragmentiert. • Diese hochreaktiven Partikel schlagen sich auf einer angebotenen Oberfläche nieder und reagieren dort zu hochvernetzten plasmapolymeren Schichten. konventionelles Polyethylen: H plasmapolymerisiertes Ethylen: H * n * H H Klebtechnik und Oberflächen = Fortsetzung der Polymerkette 28 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO 14 plasmapolymere Beschichtungen plasmapolymere Beschichtungstechnik Vorteile: • Geeignet für komplexe Geometrien • Kaltes Beschichtungsverfahren • Umweltschonendes Verfahren • Sehr gute Schichtqualität Beschränkungen: • Vakuumverfahren • Bauteilgröße limitiert durch Reaktorgröße; derzeit 2.500 x 1.100 x 1.100 mm³ Foto: 5 m³ Plasmareaktor der Firma ICS GmbH Klebtechnik und Oberflächen 29 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO Antihaftende plasmapolymere Beschichtungen Best SKINPLAS® -Beschichtung Easy-to-clean Beschichtung für den Einsatz im Lebensmittelbereich • dauerhafte Antihafteigenschaften • unterwanderungsbeständige Haftung zum Untergrund • Mehr als 10 000 Backvorgänge realisierbar Klebtechnik und Oberflächen 30 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO 15 Antihaftende plasmapolymere Beschichtungen ACMOS COVEREL Permanente Trennschichten für die Entformung von Polymerbauteilen • Thermoplaste (wie z.B. PVC) • CFK-Bauteile • Epoxykunststoffe • ausgewählte PUR-Systeme (z.B. Sprühhäute) • UV-härtende Polyesterlacke Kooperationspartner: Klebtechnik und Oberflächen 31 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO Antihaftende plasmapolymere Beschichtungen DryCLEANPLAS® -Beschichtung Antihaft-Beschichtung zur leichteren Reinigung mit CO2-Schnee und Trockeneis Klebtechnik und Oberflächen 32 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO 16 Antihaftende plasmapolymere Beschichtungen Hydrophobe Schutzbeschichtungen von Textilien Kaffee Kaffee Cola Cola unbeschichtet beschichtet Klebtechnik und Oberflächen 33 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO PermaCLEANPLAS® -Beschichtung PermaCLEANPLAS® -Beschichtung Klebtechnik und Oberflächen 34 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO 17 PermaCLEANPLAS® -Beschichtung PermaCLEANPLAS® -Beschichtung Easy-to-Clean-Beschichtung zur leichteren Entlackung von Betriebsmitteln mit Wasserhochdruck ¾ Antihaftwirkung gegenüber allen bisher getesteten Nasslacksystemen (wasserbasiert, lösemittelbasiert) Kooperationspartner: Hugo Claus Klebtechnik und Oberflächen 35 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO PermaCLEANPLAS® -Beschichtung PermaCLEANPLAS® -Beschichtung Chemische Eigenschaften: ¾ gute Beständigkeit gegenüber Säure/Alkali (pH 2-12) und ¾ gute Beständigkeit gegenüber organische Lösemittel Physikalische Eigenschaften: ¾ Temperaturbeständigkeit bis 300 °C ¾ farblos, transparent Klebtechnik und Oberflächen 36 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO 18 PermaCLEANPLAS® -Beschichtung Geeignete Werkstoffe: ¾ galvanisch- oder feuerverzinkter Stahl ¾ Edelstahl ¾ Aluminium ¾ Kunststoffe ¾ Glas ¾ (pulver-)lackierte Oberflächen Nicht geeignet für: ¾ Lose Korrosionsprodukte wie Rost oder Weißrost ¾ Kontaminationen durch Öle oder Fette Klebtechnik und Oberflächen 37 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO PermaCLEANPLAS® -Beschichtung PermaCLEANPLAS®-Beschichtung Sehr geringe Haftung Beschichtung - Lack Lack PermaCLEANPLAS® Beschichtung Gebrauchseigenschaften: ¾ Extrem gute Haftung zum Untergrund Bauteiloberfläche ¾ Sehr dünn (unter 0,5 µm) ¾ Verursacht keine Lackierfehler (wie Krater)*) Sehr starke Haftung Bauteiloberfläche - Beschichtung Klebtechnik und Oberflächen *): für alle bisher untersuchten Lacksysteme 38 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO 19 Zusammenfassung Mit PermaCLEANPLAS ist eine Antihaftbeschichtung entwickelt worden, die sich sehr gut für eine umweltfreundliche Wasserhochdruck-Entlackung eignet: ¾ hervorragende Haftung auf den Betriebshilfsmitteln ¾ sehr gute chemische und thermische Beständigkeit ¾ sehr gute Beständigkeit gegenüber Wasserhochdruckbeaufschlagung Zudem kann die Beschichtung durch ein sehr umweltfreundliches und materialschonendes Niederdruck-Plasmaverfahren appliziert werden. Klebtechnik und Oberflächen 39 Plasmatechnik und Oberflächen - PLATO Antihaftbeschichtung von Betriebsmitteln Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung - Klebtechnik und Oberflächen Dr. Matthias Ott Wienerstraße 12 28359 Bremen Tel: +49 421 2246-495 Fax: +49 421 2246-430 Email: [email protected] 20
