Industrielle Plasma-Oberflächentechnik - mo

Grundlagen der Oberflächentechnik
Industrielle Plasma-Oberflächentechnik
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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.
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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-
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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
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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,
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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
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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),
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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]
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