Thementage Grenz- und Oberflächentechnik

Oberflächen 10. 12. 2013
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Zahlreiche interessante Vorträge bei den 9. ThGOT der INNOVENT e. V. vom 3. bis zum 5. September

Die INNOVENT e. V. Technologieentwicklung­ Jena veranstaltete in diesem Jahr bereits die 9. Thementage Grenz- und Oberflächentage (ThGOT) und das 9. Thüringer Biomaterialkolloquium in Zeulenroda-Triebes gemeinsam mit der Thüringer AG Biomaterial e. V. und der MEOX Projektmanagement GbR.

Die Schwerpunktthemen der ThGOT an den ersten beiden Tagen mit mehr als 250 Teilnehmern waren Oberflächen im Leichtbau, antimikrobielle Oberflächen, kombinierte Oberflächentechnik, Oberflächentechnik im Bau sowie neue Trends in der Oberflächentechnik. Begleitet wurde die Tagung durch eine Industrie- und Posterausstellung. Der letzte Tag der Veranstaltung mit dem Biomaterialkolloquium befasste sich unter anderem mit antibakteriellen Schichten auf Implantaten, Keramiken für Implantate, unterschiedliche Arten von Gelen oder der Charakterisierung von Werkstoffen und Oberflächen. Die umfangreichen Aufgabenstellungen der Oberflächentechnologien und ihre zahlreichen Einsatzmöglichkeiten wurden in fast 80 Vorträgen aufgezeigt. Darüber hinaus wurden Postenpräsentationen mit weiteren Kurzvorstellung von Arbeiten geboten.

Blick ins Plenum

Technologie für verschiedene Eigenschaften

Die Oberflächentechnik bietet mit ihren Verfahren eine große Palette an Werkzeugen an, um den Einsatz von Materialien an nahezu jede gewünschte Herausforderung anzupassen. Dr. Arnd Schimanskie zeigte an einigen Beispielen den Einsatz von so unterschiedlichen Verfahren wie CVD, Sol-Gel- oder galvanische Beschichtung. Insbesondere die Möglichkeit zur Kombination der Techniken erweitert die Verwendung von Metallen, Keramiken oder Kunststoffen erheblich und bietet so immer wieder neue Lösungsansätze in der Medizin, dem Maschinenbau oder dem Fahrzeugbau, die mit zu den wichtigsten Industriesektoren in Deutschland zählen.

Simulation der Umwelt

Die Eignung von Werkstoffen wird einerseits durch deren mechanische Leistungen vorgegeben, andererseits durch deren Beständigkeit im Einsatz. Während der erste Bereich durch Messung gut eingegrenzt werden kann, tritt beim Verhalten im Einsatz oftmals eine kaum überschaubare Zahl an stark variierenden Parametern auf. Diese erschweren die Abschätzung über Standzeiten und Versagensmechanismen erheblich. Artur Schönlein stellte hierzu ein Simulationsverfahren für den Einfluss der Sonneneinstrahlung vor. Neben der reinen Strahlungsenergie sind dazu auch Temperatur und relative Feuchte wichtige Kenngrößen. Entstanden ist eine Messeinrichtung mit steuerbaren Einflussparametern, um die Belastung zeitlich zu verkürzen und trotzdem eine enge Korrelation zur Belastung im Einsatz zu erhalten.

Anti-Ice-Beschichtung

Sowohl für Tragflächen als auch für Rotorblätter von Windturbinen stellt die Vereisung der Oberfläche ein Gefahr dar, die zum Absturz von Flugzeugen oder zur Schädigung von Windturbinen führen kann. ­Michael Haupt stellte eine Beschichtung mit einer plasmabeschichteten Polyurethan­folie vor, auf der die Eisbildung stark verzögert oder verhindert werden kann. Die Herstellung der Folie kann im Rolle-zu-Rolle-Verfahren durchgeführt werden und ermöglicht so auch die Beschichtung von großen Flächen. Darüber hinaus eignen sich die Folien auch für die Oberflächen von Solarpaneelen, Kühlgeräten oder Außenseiten von Gebäuden, wodurch eine Verbesserung der Effizienz erreicht werden kann.

Korrosionsschutz von Magnesium

Einen neuen Ansatz verfolgt Carsten Blawert mit der Herstellung von gesputterten Schichten auf Magnesium zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit. Durch das Aufbringen von magnesiumhaltigen Schichten mit Aluminium, Gadolin oder Lanthan wird die Korrosionsbeständigkeit erhöht, ohne gleichzeitig eine zu große Potentialdifferenz zum relativ unedlen Magnesium zu erzeugen. Aus diesem Grund scheiden auch Legierungspartner wie Kupfer, Nickel oder Chrom aus. Die hergestellten Schichten eignen sich insbesondere für medizinische Produkte bei gleichzeitiger Möglichkeit zur Steuerung der Auflösung.

Polyelektrolyte als Haftvermittler auf Aluminium

Zur Verbindung von Aluminiumbauteilen eignen sich Klebungen insbesondere deshalb, weil keine nachteiligen Kontaktelemente aufgebaut werden und so die Gefahr einer Kontaktkorrosion vermindert werden kann. Ralf Frenzel entwickelte hierzu ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Aluminium mittels Laser, das eine definierte­ Oberflächenrauheit als ein wichtiges Element einer Klebeverbindung schafft. Die sich anschließend bildende neue Aluminiumoxidschicht wurde mit Polyelektrolyten (z. B. Polyvinylamin, Polyallylamin, Chitosan) kombiniert und so eine sehr gute Adhäsion des Klebstoffs mit einer hohen Haftwirkung erzielt.

Laserunterstützung bei Reparatur von CFK-Bauteilen

Mit dem zunehmenden Einsatz von CFK-Bauteilen werden Verfahren zu deren Reparatur immer notwendiger. Eine mechanische Bearbeitung von CFK mit konventionellen­ Werkzeugen führt jedoch zu einem hohen Verschleiß an den Werkzeugen. Hagen Dittmar befasst sich deshalb mit dem Einsatz von Lasern, bei dem dieser Nachteil entfällt. Zudem verfügen Laser heute über einen hohen Grad an Automatikanlagen und somit einem vielfältigen Einsatzpotential. Ein besonderes Augenmerk beim Einsatz von Lasern wird dem Wärmemanagement geschenkt. Inzwischen liegen erste Erfahrungen bei Rotorblättern vor.

Materialverhalten und Oberflächenbehandlung

Markus Fuchs befasste sich mit dem Zusammenhang zwischen mechanischen Werkstoffeigenschaften und einer Oberflächenbehandlung, beispielsweise durch metallische oder Hartstoffschichten. Dabei konnte er nachweisen, dass die Oberflächenbehandlung einen erkennbaren Einfluss auf die Eigenschaften des gesamten Bauteils hat, wobei er unter anderem die Nanoindentation einsetzte und deren zeitabhängigen Parameter betrachtete. Damit trägt er zur rohstoffsparenden Produkt­herstellung bei.

Oberflächenbehandlung von Textilien

Einige Vorträge hatten die Modifizierung von textilen Materialien zur Erzeugung von unterschiedlichen Eigenschaften zum Inhalt. So lassen sich Vliese, Gewebe und Gewirke mit Hilfe von CVD mit Siliziumdioxid beschichten und so flammhemmende Eigenschaften erzielen (Andreas Ludwig). Metallische Schichten können nach einer Vorbehandlung mittels CVD (Christian Rauch) durch Einsatz von Atmosphärendruckplasma oder auch chemische Metallabscheidung beschichtet werden, wobei als Sub-
strat einzelne Filamente verwendet werden. Andreas Bräuer stellte eine Technologie zur CVD- und nasschemischen Beschichtung von Hochleistungsgarnen vor. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Garne frei von Silikonölen sind. Die Beschichtung selbst besteht aus einer dünnen Startschicht aus einem CVD-Verfahren und einer Sol-Gel-Schicht, die mittels Beflammung bei etwa 70 °C bis 80 °C ausgehärtet wird. Antimikrobielle Beschichtungen (Monika Weiser) bestehen ebenfalls aus einer Startschicht aus Siliziumdioxid und einer nachfolgenden Sol-Gel-Schicht mit eingebetteten Silberpartikeln mit antimikrobieller Wirkung. Auch hier kommen CVD-Verfahren zum Einsatz, ebenso wie bei einer Beschichtungstechnologie für Polyamidfasern mit einer reinen Silberumhüllung, die Birgit Armbruster vorstellte. Solche Fasern zeichnen sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit aus, sind aber gleichzeitig gut waschbar und besitzen eine gute Korrosionsbeständigkeit.

Dinnerspeech mit Thomas Frobel, FENWIS GmbH, Gauting

Hinterspritzen von Kratzfestbeschichtungen

Für viele Anwendungen von Kunststoffen bringt eine Erhöhung der Oberflächenhärte einen deutlichen Vorteil. Christopher Döllen hat mit der Hinterspritzung einer Kratzfestbeschichtung auf einer Trägerfolie eine neue Variante entwickelt, die Oberflächengüte von Kunststoffteilen zu verbessern. Zu diesem Zweck wurde die Trägerfolie plasmabehandelt und anschließend mit einem kratzfesten Film in der Dicke einiger Mikrometer beschichtet. Die Plasmabehandlung entscheidet über eine optimale Trennung zwischen Trägerfolie und Schicht. Für das Hinterspritzen wurden PC und PC/ABS-Blend verwendet. Mit der Technik können diesen Kunststoffen unterschiedliche Eigenschaften, wie Härte, Barrierewirkung, Easy-to-clean oder Anti-Fingerprint verliehen werden.

Antimikrobielle Oberflächen

Wie Prof. Jörg C. Tiller in seinem Vortrag einführend klarstellte, ist der menschliche Körper ohne Bakterien nicht lebensfähig, und trotzdem muss der Mensch sich gegen eine zu starke­ Vermehrung von Bakterien, vor allem von unverträglicher Art, schützen. Zum Problem werden Bakterien und Pilze vor allem dann, wenn sie sich an Oberflächen in Form von Biofilmen festsetzen und stark vermehren. Die daraus entstehenden Wucherungen sind problematisch.

Die einfachste Form der Abwehr ist, die Oberfläche so auszustatten, dass eine ­Anhaftung verhindert wird. Eine zweite Variante ist das sofortige Abtöten von Mikroben, sobald sie sich an der Oberfläche anzusetzen versuchen, durch Freisetzung von Bioziden. Das einfachste und effizienteste System ist Silber. Hier reichen sehr geringe Mengen aus, um einen Bewuchs zu verhindern. Einziger Nachteil bei Bioziden ist die Tatsache, dass sie sich im Einsatz erschöpfen und deshalb laufend nachgeliefert werden müssen.

Als Alternative wird an der Herstellung von bestimmten Oberflächen mit gleicher Wirkung gearbeitet. Zur Entwicklung wurde zunächst die Freisetzungsrate von Silber zur Erzielung der gewünschten Wirkung unter­sucht, die bei etwa 0,1 Mikrogramm pro Tag liegt. Es wurde nachgewiesen, dass bei einer derartigen Freisetzungsrate die Oberfläche nicht toxisch ist. Als Ziel für eine entsprechend wirksame Oberfläche wird angestrebt, Oberflächenbereiche selbst als Herstellungsort für biozide Stoff auszuführen. Zunächst ist hierfür Energie notwendig, die mit Hilfe von photokatalytischen Stoffen, wie beispielsweise Titanoxid, erzeugt wird. Ein weiterer Ansatz geht von Enzymen aus, die noch relativ teuer sind, Selenverbindungen, sauren Oxiden wie Wolfram- oder Molybdänoxid sowie pulsierendem Strom.

Eine weitere Aufgabenstellung besteht in der Technologie zur Anbindung der wirksamen Stoffe. Dabei sind auch Kombinationen machbar, die sich nicht erschöpfen, allerdings vorwiegend bei geringer bis mäßiger Verschmutzung funktionieren. Nach wie vor größtes Hemmnis zur Einführung von neuen Materialien für antimikrobielle Oberflächen ist deren Zulassung zum Einsatz, insbesondere ist der notwendige Nachweis aufwendig und teuer.

Bisherige Versuche zeigten, dass die Verbindung des Biozids mit einem Polymer erfolgversprechend ist. Hierbei wandert das Biozid beim Aushärten des Polymers nach außen und entfaltet seine Wirkung, wobei insgesamt mit sehr geringen Mengen gearbeitet werden kann. Darüber hinaus konnten Systeme mit einer dauerhaften Wirkung hergestellt werden.

Nach wie vor nicht endgültig geklärt ist die Wirkungsweise des Biozids an der Oberfläche. Dies gilt auch für Silan, das seit langem bekannt ist, dessen Funktionsweise aber nach wie vor ungeklärt ist und sich deshalb auch nicht in breitem Rahmen durchsetzen konnte. Ein Unterschied zu neuen Verfahren ist, dass der Effekt von Silan durch Waschen zerstört wird. Als Erklärung wurden verschiedene Theorien herangezogen, die aber nicht durchgängig schlüssig oder beweisbar sind.

Abschließend wies der Vortragende darauf hin, dass die besten Lösungen in Kombinationen bestehen. Beispiele hierfür sind Anti­foulinganstriche. Hierbei wird die Oberfläche kontinuierlich in dünnen Schichten abgetragen. Allerdings sind die Anstriche, die beispielsweise im Schiffbau Anwendung finden, stark toxisch. Ein weiteres Beispiel ist eine Oberfläche, die abtötet und die zerstörten Bakterien gleichzeitig abstößt.

Beschichtungen bei Glas

Dr. Thomas Struppert erläuterte in seinem Vortrag die Beschichtung bei Behälterglas, wobei er vor allem auf die Anforderungen und die bisher vorliegenden Lösungsmöglichkeiten einging. Bei der Vorstellung des Unternehmens wies der Vortragende darauf hin, dass zwischen 70 und 90 Prozent Scherbenglas eingesetzt wird, bei einer täglichen Verarbeitungsmengen von 2000 Tonnen. Relativ aufwendig muss hierfür das Glas vom begleitenden Müll getrennt werden.

Ab der Entstehung der Glasflasche kommen funktionelle Beschichtungen zum Einsatz. Zunehmend werden neben diesen Schichten auch dekorative Schichten aufgebracht.

Für die Herstellung von Flaschen wird im ersten Schritt der Glasstrang in Tropfen geschnitten und durch Umformung eine Vorform erzeugt. Ein wichtiges Element der Herstellung sind Schichten für die Werk­zeuge zum Schneiden und Vorformen sowie für die Transportwerkzeuge. Hier sind zum Teil umfangreiche Schmierprozesse aus Gemischen von Ölen und Graphit nötig. Aufgabe der Schmierung ist ein gutes Gleiten, das Vermeiden von Anhaftungen und eine hohe Abriebfestigkeit. Die Standzeiten für die entsprechenden Werkzeuge reichen heute von etwa zehn Stunden bis 48 Stunden.

Die Flaschen selbst müssen bereits im Herstellungsprozess beschichtet werden, um Beschädigungen (bis hin zum Zerstören) zu vermeiden. In der ersten Stufe wird noch im heißen Zustand Zinnoxid aufgebracht. Anschließend wird das Glas entspannt und dann mit organischen Beschichtungen versehen. Zwar sind diese Beschichtungen bewährt, jedoch sehr ineffizient und schließlich auch durch die REACh-Verordnung in der zukünftigen Anwendung kritisch. Versuche mit Titandioxid als Ersatzbeschichtung für Zinnoxid zeichnen sich durch eine noch schlechtere Effizienz aus.

Bei den organischen Beschichtungen weist Polyethylen die besten Ergebnisse auf. Problematisch ist hier allerdings die Etikettier­barkeit, da die dort verwendeten Zusatzstoffe nur bedingt verträglich mit den Beschichtungen sind. Alternative Lackierungen mit Plasmaunterstützung zeigen zwar­ brauchbare Ergebnisse, sind aber sehr teuer.

Eine Industrieausstellung begleitete die 9. ThGOT

Optische Analyse

Mit der optischen Analyse von Oberflächenrauheiten der C-CVD-Beschichtungen befasste sich Dr. Dieter Lehmann. Rauheiten sind beispielsweise von Bedeutung bei aktiven Grenzflächen wie Solarzellen oder bei der Beschichtung im Falle von Dünnschichten. Bei der angewandten Technologie kommt die optische Spektroskopie zur Anwendung, die schnell und zerstörungsfrei ist. Beim vorgestellten Verfahren wird die Art der Polarisation bestimmt, in diesem Fall die elliptische Polarisation.

Als Messsystem wurde mittels C-CVD hergestelltes Zinkoxid auf Silizium gewählt. Mit der optischen Spektroskopie zeigt es sich, dass die Schicht, erzeugt in zahlreichen Beschichtungsdurchläufen, inselförmig aufwächst. Durch eine Temperung wird die Schicht kompakter, wobei die Rauheit abnimmt und die Zusammensetzung geringfügig verändert wird.

Röntgenfluoreszenz

Dr. Jürgen Wess befasste sich mit der Röntgenfluoreszenz zur Messung dünner Schichten. Im Vergleich zu Verfahren wie ICP oder Atomabsorption liegt der große Vorteil der Röntgenfluoreszenz darin, dass die Probe nicht zerstört oder verändert wird. Unterschieden wird in wellenlängen- und energie­dispersive Methode.

Als Basis für die interessante standardlose­ Messung werden die theoretischen Zähl­raten gegen die tatsächlichen abgeglichen. Darüber hinaus muss das Messsystem in seinen Bestandteilen beschrieben werden, zum Beispiel im Hinblick auf Anteile wie Fett, Wasser und Feststoff. Der Messvorgang ist dann abgeschlossen, wenn die theoretische Zählrate mit der tatsächlichen übereinstimmt.

Nicht bestimmbar sind Partikelgrößen, unterschiedliche Dichten oder Oberflächenqualitäten. Zudem sind Mischungen nur mit höherem Aufwand analysierbar. Allerdings lassen sich Ergebnisse mit zunehmender Häufigkeit von Messungen anpassen, wodurch die Ergebnisse genauer werden. Auf Basis dieser Eigenschaften wurde eine Methode zur Messung von Schichtdicken erarbeitet. Mit der Kenntnis des Schichtaufbaus werden die Schichtdicken von einzelnen Schichten ermittelt. Im Prinzip wird dann eine Simulation durchgeführt und solange an die tatsächlichen Messsignale angepasst, bis Simulation und Messung übereinstimmen. Die Qualität des Verfahrens zeigte der Referent an Mischschichten (z. B. Zink-Eisen, Gold- oder InSe).

Goldbeschichtung

Für Bragg-Gitter werden Goldschichten eingesetzt, die Dr. Katrin Wondraczek vorstellte. Einsatz finden solche Gitter im Bauwerksmonitoring aufgrund von Wärmefluss oder Verschiebungen des Untergrunds. Hierfür werden Glasfasern mit Polymeren beschichtet und deren Änderungen bei Einfluss von Wärme mit Hilfe von Licht ermittelt.

Solche Fasern werden durch Ziehen hergestellt, beschichtet und mit einem Gitter versehen. Eine der Hauptherausforderungen ist die Auftragung der Schicht, da die Prozesszeit beim Ziehen nur wenige Sekunden beträgt. Die Beschichtung mit Gold wird über ein Goldresinat (Mischung aus Kaliumgoldcyanat und Koniferölen) vorgenommen. Dieses kann beim Durchlaufen des Glasstrangs mit Hilfe einer Düse erfolgen. Die Schichtdicken liegen hier im Bereich von einigen Nanometern. Neben der Schichtdicke ist die Festigkeit der Faser ein Qualitätskriterium. Um die Festigkeit der Fasern zu erhöhen, wird mit Zwischenschichten, beispielsweise aus Zinnoxid, gearbeitet, was jedoch nicht den gewünschten Effekt hat.

Ein weiterer Ansatz geht davon aus, mit einer nachfolgenden Temperaturbehandlung (400 °C bis 800 °C), aber ohne Zwischenschicht zu arbeiten. Zwar konnte so die Festigkeit nicht erhöht, aber die Porosität verringert werden, wodurch eine Nachbeschichtung, beispielsweise mit Kupfer, Nickel und Gold, möglich gemacht wird. Die bisher erzielten Ergebnisse lassen einen Einsatz in der Elektrotechnik oder Sensorik als möglich erscheinen.

Freisetzung von Wirkstoffen aus Schichten und Matrices

Poröse Materialien auf Basis von Siliziumdioxid mit Poren zwischen 0,3 Nanometer und zehn Nanometer bieten gute Ansätze zur definierten Freisetzung von Wirkstoffen, wie sie in der Medizin eingesetzt werden. Siliziumdioxid kann hierfür als Grundwerkstoff oder als Beschichtungswerkstoff eingesetzt werden.

Johannes Kobler erläuterte die Herstellmethoden für Nanomaterialien und deren Einsatz in Beschichtungen, die ebenfalls hergestellt werden. Als Modifizierung ist sowohl die Morphologie, Partikelgröße, deren Funktionalisierung oder auch die Beladung oder Verkapselung möglich. Hierbei ist zu beachten, dass die hergestellten Partikel eine schwammartige Struktur besitzen. Die Partikel für eine kontrollierte Freisetzung von Inhaltsstoffen werden in Größen zwischen etwa ein und sieben Mikrometer hergestellt. Die Freisetzung kann über eine Beschichtung der Partikel verfeinert werden. Zur Kombination mit Trägermedien lassen sich die Partikel hydrophob oder hydrophil einstellen beziehungsweise für unterschiedliche Dispergierung präparieren.

Die Stoffe besitzen aufgrund der Funktionalisierung eine gute Verarbeitbarkeit und hohe Stabilität. Anwendungen wurden zur Freisetzung von Pestiziden oder Bakteriziden sowie von Inhibitoren realisiert.

Dispersionsschichten

Erik Herrmann stellte chemisch abgeschiedene Nickelschichten mit eingelagertem hexagonalem Bornitrid vor. Solche Schichten zeichnen sich durch eine hohe chemische Beständigkeit sowie gute Notlaufeigenschaften (Trockenschmierung) aus. Während die gute chemische Beständigkeit­ durch die verfügbaren Nickel/Phosphor-Schichten erfüllt wird, werden die guten Schmiereigenschaften erst durch das Bornitrid erreicht. Für die Untersuchungen wurden Schichten mit 9 % bis 11 % Phosphor gewählt, die durch eine Temperaturbehandlung bei 800 °C ihre höchste Härte erreichen. Das Bornitrid hat ein Kristall­gefüge, das bei Druck in Schichten gegeneinander gleiten kann und so eine Schmierwirkung erzeugt. Die Schwierigkeit bei der Herstellung der Dispersionsschicht besteht darin, das hexagonale Bornitrid so zu modifizieren, dass es bei der Abscheidung gleich­mäßig eingebaut wird. Dazu müssen die Partikel mit einem Tensid umlagert und positiv aufgeladen werden. Sie verhalten sich dadurch wie ein positives Metallion.

Ein neu entwickeltes System vermeidet die Schaumbildung, da Bornitrid über den Schaum ausgetragen wird. Damit wurden im ersten Ansatz bis zu 24 % Bornitrid in die Nickelschicht eingebaut. Die Schichten zeigen einen deutlichen reduzierten Verschleiß im Taber-Abraser-Test mit einem geringen Einlaufeffekt.

Metallmatrixkomposite

Metallmatrixschichten mit eingelagerten Keramiken können als Verschleißschutz eingesetzt werden. Dr. Annika Leifert nannte in ihrem Vortrag als Herstellverfahren das Tauchen (vergleichbar der Herstellung von Sol-Gel-Schichten) mit anschließendem Tempern und Reduzieren von Kupferoxiden, die als Ausgangsverbindung für die Metallmatrix dienten. Solche Schichten zeigen in der Regel eine poröse Struktur, sind also nicht geschlossen. In ersten Ansätzen wurden Kupferschichten mit Titandioxid erzeugt, wobei bis zu 10 Gew.% Titandioxid eingebaut wurden. Die Dicken der Schichten reichen bis etwa 1 Mikrometer.

Die Schichten weisen gegenüber reinen Kupferschichten eine verbesserte Kratzbeständigkeit auf, zeigen aber im Hinblick auf den Schichtwiderstand noch metallische­ Leitfähigkeiten auf. Die besten Werte für Verschleiß ändern sich über den Querschnitt der Schicht, je nachdem, welche Art von Partikeln in die Schicht eingebaut wird.

Ein weiterer Ansatz zur Herstellung von Kompositschichten besteht darin, die Partikel mit Kupfer oder Silber zu beschichten und diese anschließend in die Metallschicht einzubauen. Als Einsatz derartiger Schichten sind Elektroden angedacht, bei denen sowohl eine gute Leitfähigkeit als auch eine hohe Abriebbeständigkeit gefordert sind.

Mikrostrukturierung

Die seit einigen Jahren verfügbaren Laser mit ultrakurzen Laserpulsen bieten neue Möglichkeiten zur Mikrostrukturierung, wie Paul Oldorf darlegte. Zum Einsatz kommt die Technologie beispielsweise für nano­beschichtete Leiterplatten. Ultrakurze Pulse bieten den Vorteil, dass keine Grate gebildet werden und der bearbeitete Werkstoff bei der Bearbeitung nicht aufschmilzt, sondern direkt in die Dampfphase überführt wird. Einsatz finden solche Laser für Feinstbohrungen, Oberflächenstrukturierung oder die gratfreie Bearbeitung von Werkstoffen.

Als Schichtsystem wurde eine Kombination aus 15 Nanometer Titan, 110 Nanometer Platin und 50 Nanometer Siliziumnitrid auf einem Siliziumsubstrat gewählt. Das Verfahren zeichnet sich durch eine sehr hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit (circa acht- bis zehnmal schneller) sowie eine hohe Genauigkeit aus. Neben der hohen Genauigkeit ist auch die selektive Bearbeitung von Schichten möglich. In diesem Fall wurde ein ähnlicher Schichtaufbau gewählt, bei dem ein Teil der Schicht abgetragen wurde, also beispielsweise Siliziumnitrid entfernt wurde, ohne dass das darunter liegende Platin entfernt oder beschädigt wird.

UV-Lichtquellen

Marie-Christin Machalett befasste sich mit der Oberflächenbehandlung durch UV-Licht, also Wellenlängen zwischen 100 Nanometer und 380 Nanometer. Je nach Verfahrenstechnik unterscheiden sich die UV-Strahler durch das abgegebene Spektrum und die Strahlungsleistung. Die Strahlungsquelle ist relativ einfach aufgebaut und besteht nur aus zwei Elektroden und einem Füllgas, das häufig Quecksilber enthält. Darüber hinaus wird bei Excimerstrahlern mit Edelgasen als Füllgas gearbeitet, die damit auf Quecksilber verzichten. Zu den neueren Strahlern gehören die UV-LEDs mit AlGaN und InGaN, bei denen die Ozonbildung, die bei den klassischen Strahlertypen auftritt, entfällt. Nachteil der LEDs ist die erforderliche Kühlung, die bei kleiner Strahlerfläche relativ groß dimensioniert sein muss.

Zum Einsatz kommen UV-Strahler zur Desinfektion, bei denen sich die Effektivität nach den zu behandelnden Stoffen oder Organismen richtet. Die Inaktivierung beruht darauf, dass keine Vermehrung der Organismen mehr möglich ist. Des Weiteren eignet sich UV-Licht zur Reinigung oder Modifizierung von Oberflächen auf den Substraten Glas, Silizium oder Kunststoff. Bei Kunststoffen werden durch die Bestrahlung die Bindungen homolytisch gespalten und damit Radikale gebildet. Die Wirkung reicht bis in etwa 50 Nanometer Tiefe. In der Druckindustrie, der Lackierung und dem Kleben unterstützt UV-Licht die Härtung. Vorteil ist die schnelle Trocknung.

Janus-Partikel

Dr. Alla Synytska befasste sich mit Kern-Schale Janus-Partikel als neue Materialien für die Oberflächenstrukturierung. Unter solchen Partikeln werden Stoffe mit unter­schiedlichem Aussehen oder Strukturen und mit unterschiedlichen Aufgaben der beiden Seiten verstanden. Dies können Polymere sein, die über zwei unterschiedliche Strukturen pro Seite verfügen. Hierzu werden beispielsweise die Partikel partiell mit Wachs bedeckt und Oberflächenmodifikationen vorgenommen. Anschließend wird nach Entfernen des Wachses die zweite Seite mit einer anderen Modifikation ver­sehen. Neben den Oberflächeneigenschaften ist auch die Steuerung der Oberflächentopographie oder der Größen sinnvoll.

Plasmapolieren von Edelstahl

Für rostfreie Stähle stellt das Elektropolieren ein wichtiges Verfahren dar, die Oberflächenrauheit zu verringern, aber auch die Korrosionsbeständigkeit des Bauteils zu erhöhen. Eine neue Variante stellte Matt­hias Cornelson mit dem Plasmapolieren vor. Auch hier wird das Werkstück in einen Elektrolyten eingebracht und anodisch geschaltet. Unter bestimmten Voraussetzungen kommt es dabei an der Oberfläche zur Bildung eines Plasmas. Das Verfahren führt bei einer Abtragsrate von bis zu zehn Mikrometer pro Minute zu eine starken Einebnung und eignet sich unter anderem zum Innenpolieren von Rohren oder von Oberflächen für Medizinprodukte.

Antibakterielle Beschichtungen

In zunehmendem Maße wird der Einsatz von Nanopartikeln auch für antibakterielle Oberflächen untersucht. Sebastian Spange­ berichtete über ein Verfahren unter Einsatz des Atmosphärendruckplasmas, um Wundauflagen mit einer solchen Beschichtung zu versehen. Aufgebracht wurde eine dünne Siliziumdioxidschicht, in die Silbernanopartikel eingebettet wurden. Als Substrat dienten die temperaturempfindlichen Verbundmaterialien Lyocell, Bakteriencellulose und Polyester/Viskosevliese. Die Wirkung der Beschichtung konnte über den erforderlichen Zeitraum nachgewiesen werden.

Funktionalität bei ta-C-Schichten

In der Lebensmittelindustrie oder der Medi­zintechnik sind Eigenschaften wie eine gute Reinigungsfähigkeit stark gefragt. Elke Boschke befasste sich mit der Herstellung von definierten Oberflächen auf Edelstahl durch Abscheidung von tetraedrischem Kohlenstoff (ta-C), die zur Klasse der diamantähnlichen Schichten (DLC) zählen. Die Schichten weisen eine hohe Härte und gute Abriebbeständigkeit auf. Darüber hinaus verfügen sie über eine Easy-to-clean-Eigenschaft, woraus sich eine sehr effiziente Möglichkeit zum Reinigen, auch mechanisch, ergibt.

Antimikrobielle Oberflächen

Über eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von antimikrobiellen Oberflächen informierte Michael Zieger. Anstelle des oft eingesetzten Silbers kamen bei ihm Kupfer und Zink zum Einsatz. So wurde auf Garne sowie textile und keramische Oberflächen Zinkoxid aufgebracht und das Wachstum von unterschiedlichen Bakterien untersucht. Zinkoxid besitzt demzufolge ein Potential für den klinischen und industriellen Einsatz.

Vor dem selben Hintergrund standen die Arbeiten von Dr. Heinz Katzenmeier, der sich mit den Problemen von Mikroorganismen auf Oberflächen mit hoher Berührungsfrequenz durch Personen befasste. Mit dem vorgestellten System Sanitized lassen sich sowohl Werkstoffe durchsetzen und so eine besonders lang anhaltende Wirkung erzielen als auch beschichten.

Eine weitere geeignete Technologie ist die Herstellung von Kompositbauteilen aus Kunststoff und Titandioxid, die Teresa Hupp-
mann präsentierte. Titandioxid bewährt­ sich in dieser Anwendung aufgrund seines photokatalytischen Verhaltens. Die erforderliche Reaktion findet nach Anregung durch UV-Licht und in Anwesenheit entsprechender Akzeptor- und Donatormoleküle statt. Die dabei entstehenden Radikale führen bei Mikroorganismen zur oxidativen Schädigung. Die verwendeten Titandioxidpartikel besitzen eine durchschnittliche Größe von etwa 20 Nanometer und eignen sich für eine homogene Dispergierung. Die Untersuchungen zeigten, dass nach einer Aktivierungsdauer von 48 Stunden keine Keime mehr auf den Oberflächen der Werkstoffe zu finden sind, die mit dem speziellen Titan­dioxidnanopulver versehen wurden.

DLC-Schichten lassen sich auch durch Umwandlung eines Polymers mit Hilfe der Plasma­immersionsionenimplantation herstellen, wobei die Möglichkeit zur Einbettung von beispielsweise Silbernano­partikeln besteht. Mit der von B. Stritzker vorgestellten Technologie können Implantate sowohl mit einer verschleißbeständigen als auch antimikrobiellen Oberfläche versehen werden. Damit gelingt es, Titanimplantate so auszustatten, dass sie definiert Silber freisetzen. Die Implantate zeichnen sich sowohl für den Einsatz im statisch belasteten Knochenkontaktbereich als auch bei Gelenkprothese aus.

Schließlich erläuterte der Referent Frank Hempel den Einsatz von Plasmaimmersionsionenimplantation und -abscheidung in Kombination mit der HiPIMS-Technik zur Erzeugung von antimikrobiellen Oberflächen auf Polymeren. Mit der Verfahrenstechnologie lassen sich Nanopartikel aus Silber oder Kupfer in die Oberfläche der Polymere einbringen und so deren Wirkung auch zeitlich steuern.

Biomaterialkolloquium

Der dritte Tag der Veranstaltung in Zeulenroda-Triebes war den Biomaterialien gewidmet und befasste sich in 25 Vorträgen mit der Herstellung, Modifikation sowie den ­Eigenschaften von Werkstoffen für Implantate und medizinische Geräte.

Gaby Gotzmann erläuterte die Entwicklung von biofunktionalen DLC-Schichten, die sich insbesondere bei Implantaten mit mechanischer und Verschleißbelastung bewähren. Hierbei hat es sich gezeigt, dass die Herstellverfahren Einfluss auf die Zellverträglichkeit haben. Diese steigt mit zunehmendem polaren Anteil an Oberflächenenergie, die durch eine Elektronenstrahlmodifika­tion verändert werden kann.

Zur Optimierung der verschleißfesten Beschichtungen setzt Nick Bierwisch ein Simu­lationsverfahren ein. Dieses verbessert die Auswertung der immer umfangreicheren Messwerte und erleichtert so die Charakterisierung der Beschichtungen. An Beispielen von Hüft- und Kniegelenkimplantaten demonstrierte der Vortragende die Funk­tion der Simulation.

Eine entscheidende Funktion bei Implantaten ist die Ansiedelung von Zellen beim Prozess des Einwachsens in den Körper des Empfängers. Dazu tragen Oberflächen­behandlungen bei, die bei Titanimplantaten beispielsweise in Form von feinen Poren erzeugt werden. Ergebnisse hierzu stellte Julia Matena vor.

Peggy Brückner befasste sich mit Herstellung von Beschichtungen mit antimikrobiellen Peptiden für Produkte in der Medizintechnik. Derartige Peptide sind Bestandteil des angeborenen Immunsystems und wehren Bakterien, Pilze, Viren und Protozoen ab. Es ist angedacht, diese Peptide im Rolle-zu-Rolle-Verfahren, beispielsweise auf Fasern, aufzubringen, aus denen dann die Endprodukte gefertigt werden.

Das Einwachsen von Implantaten kann auch durch die Herstellung von Calciumhydroxid mit eingebetteten Silber- oder Kupferpartikeln unterstützt werden. Solche Schichten können mit Unterstützung von elektrochemischen Prozessen auf Titan erzeugt werden, deren Herstellung Markus Meininger vorstellte. Dabei kann die Einbaurate der Metallpartikel durch die Stromdichte und Strömung beim Abscheiden variiert werden.

Fazit

Die Thementage Grenz- und Oberflächentechnik haben sich inzwischen zu einer der wichtigsten Fachtagungen der Oberflächentechnik entwickelt, wie die hohe Teilnehmerzahl eindrucksvoll bestätigt. Besonders hervorzuheben ist das breite Spektrum der Tagung, das von der Betrachtung von Werkstoffzusammensetzung, Werkstoffbe- und -verarbeitung bis hin zur Beschichtung und Oberflächencharakterisierung reicht. Sowohl Fachleute aus Forschung und Entwicklung als auch Spezialisten der produzierenden Industrie können sich hier bestens Anregungen für ihre Arbeiten holen.

Zu allen Vorträgen und Posterthemen sind in einem Tagungsband die entsprechenden Zusammenfassungen in unterschiedlicher Länge enthalten. Die 10. Thementage Grenz- und Oberflächentechnik finden gemeinsam mit dem 4. Kolloquium Dünne Schichten in der Optik vom 2. bis 4. September 2014 in Leipzig/Sachsen Statt.

 

Text zum Titelbild: Poster-Preisverleihung

 

 

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