Forschung und Entwicklung mit kurzen Wegen in die Praxis

Gründung des FINO, Forschungsinstitut für innovative Oberflächen, an der Hochschule Aalen

Die Hochschule für Technik und Wirtschaft betreibt sowohl eine stark auf die Praxis ausgerichtete Lehre als auch eine praxisorientierte Entwicklung. In Verbindung mit den guten und umfangreichen Kontakten zu Unternehmen gelingt es, Entwicklung in relativ kurzer Zeit die Praxis zu überführen. Auf dieser Basis wurde jetzt ein Institut gegründet, das sich mit der Entwicklung im Bereich der Oberflächentechnik unter Einsatz von chemisch/galvanischen und PVD-Verfahren befasst. Erste Ergebnisse auf Basis der Dispersionsabscheidung zeigten deren Verwendung als Elektroden für Schwefel/Luft-Batterien, die sowohl in elektronischen Geräten als auch in Fahrzeugen zu einem deutlichen Fortschritt führen können.

Research and Development Closely-Linked to Practice – FINO-Institute at University of Aalen/Germany

The High School for Technology and Business encourages not only practice-oriented teaching but also practically-orientated development. Thanks to its excellent and wide-ranging contacts to businesses, in-house developments can be translated into practice in a relatively short time. With this in mind, an Institute has been set up to focus on R & D in Surface Engineering including chemical and electrochemical processes and PVD. Initial studies have focused on composite deposition as applied to construction of electrodes for sulphur-air batteries. These could offer significant benefits for use in electronic equipment and vehicles.

In vielen Technologiebereichen erfährt die Oberflächentechnik einen steigenden Wert immer dann, wenn sie neuen Werkstoffen zu einem Einsatz verhelfen muss oder bei bekannten Werkstoffen die Anforderungen angepasst werden müssen. Die Oberflächentechnik bietet mit den unterschiedlichen Verfahren zur Veränderung der Werkstoffzusammensetzung oder -eigenschaften beziehungsweise zur Oberflächenbeschichtung eine deutliche Erweiterung oder Verbesserung der Bauteileigenschaften. Denn höchste Festigkeiten oder geringste Wanddicken bei Teilen erbringen oft nur dann einen Vorteil, wenn die Oberflächen vor Oxidation, Verschleiß oder Korrosion geschützt sind. Dies zeigt aber auch, dass die Werkstofftechnik, Werkstoffverarbeitung und Oberflächentechnik gemeinsam die Bewältigung der technischen Herausforderungen angehen müssen.

Diese Erkenntnis und die Tatsache, dass an der Hochschule für Technik und Wirtschaft HTW in Aalen seit mehr als 50 Jahren die Werkstoffkunde und Oberflächentechnik in einem sehr engen Zusammenhang gesehen und gelehrt werden, hat die Gründung des FINO – Forschungsinstitut für innovative Oberflächen – Ende vergangenen Jahres stark motiviert. Das Institut wurde am 27. November unter Teilnahme von Behörden- und Industrievertretern sowie einem überaus großen Interesse der Studentenschaft in Aalen in einer Gründungsveranstaltung vorgestellt.

FINO

Prof. Dr. Joachim Albrecht, eines der Gründungsmitglieder, betonte in seiner Einführung, dass die Optimierung von Oberflächen heute in vielen Fällen den wirtschaftlichen Fortschritt erst möglich macht. Als Träger des FINO agieren neben ihm die Professoren Dr. Berthold Hader und Dr. Timo Sörgel. Unterstützt werden sie durch technisch-wissenschaft­liche Forschungsmitarbeiter der Hochschule und zahlreiche motivierte Studenten. Das neue Institut bindet insbesondere die Studiengänge Oberflächentechnologie/Materialien, Angewandte Oberflächen- und Materialwissenschaften sowie Advanced Material and Manufacturing ein und reiht sich damit in den erfolgreichen Forschungsschwerpunkt Materialwissenschaften der HTW Aalen ein.

Ziel des FINO ist es nach den Worten von Prof. Dr. Albrecht, die Herstellung und Charakterisierung anwendungsrelevanter­ Oberflächen durch chemische, elektro­chemische und vakuumbasierte Beschich-
tungen auf maßgeschneiderten Substraten voranzutreiben. Für diese Herausforderungen stehen drei Arbeitsgruppen an der Hochschule bereit:

• chemische und galvanische Beschichtung (Prof. Dr. Sörgel – Dispersions­beschichtung, Batteriematerialien)
• intelligente Substrate (Prof. Dr. Albrecht – Mikrostrukturierung, supraleitende Schichten, beschichtete Polymere)
• Vakuumbeschichtung und Elektronenmikroskopie (Prof. Dr. Hader – optische Oberflächen, Verschleißschutz)

Bisher konnten in diesen Bereichen bereits einige interessante Arbeiten abgeschlossen werden, beispielsweise durch die Beschichtung von Kunststoffen mit Kupfer für elektrotechnische Anwendungen, die Mikrostrukturierung von Oberflächen für optische Zwecke oder die Herstellung von Dis­persionsschichten zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit. Verstärkt werden derzeit die Aktivitäten im Bereich der Batterietechnik zur Herstellung von besseren Elektroden, für die unter anderem auch galvanische Verfahren Einsatz finden könnten. Mit seiner sehr kurzweiligen und überaus gelungenen Einführung gab Prof. Albrecht, der unter anderem auch im Bereich des technischen Vertriebs lehrt, ein gutes Beispiel für eine gelungene Präsentation von technischen Neuheiten, die für heutige Jungakademiker immer wichtiger wird.

Der Rektor der Hochschule Aalen, Prof. Dr. Gerhard Schneider, zeigte sich sehr erfreut über die Gründung des neuen Instituts und wünschte den aktiven Mitarbeitern viel Erfolg bei ihren Forschungen. Sie tragen mit ihrer Arbeit dazu bei, den Ruf der Hochschule weiter zu verbessern, die heute bereits als die forschungsstärkste in Baden-Württemberg gilt. Unterstützend wirkt hierbei auch das gute industrielle Umfeld, aus dem nach Lösungen von anstehenden Problemen gefragt wird und das die Hochschule mit Know-how und engen Kontakten zur Praxis unterstützt. Ähnlich positiv äußerte sich der Wirtschaftsbeauftragte des Ostalbkreises, Rainer Fünfgelder, über die Aktivitäten der Hochschule.

Als Vertreter der Industrie sagte Thomas Engert, Geschäftsführer der Umicore Galvanotechnik GmbH und selbst Absolvent des Fachbereichs Oberflächentechnik und Werkstoffkunde der Hochschule Aalen, dem Institut seine Unterstützung zu. Mit der Neugründung können nach seinen Worten auch Arbeiten der Entwicklungsabteilung der Umicore Galvanotechnik ergänzt werden. Ebenso bietet das Unternehmen auch zukünftig den Studenten des Fachbereichs die Möglichkeit einer engen Zusammenarbeit an, sei es während des Studiums oder für Abschlussarbeiten.

Der enge Kontakt zwischen der Hochschule Aalen und dem Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie, fem, in Schwäbisch Gmünd beruht unter anderem auf der Tatsache, dass Prof. Ernst Raub, langjähriger und außerordentlich erfolgreicher Leiter des fem, zugleich auch Gründer der Hochschule Aalen und des Fachbereichs Werkstoffkunde und Oberflächentechnik mit Schwerpunkt Galvanotechnik war. Der heutige Institutsleiter des fem, Dr. Andreas­ Zielonka, sieht es als Verpflichtung an, diese Kontakte durch Aufnahme von Absolventen aus Aalen ebenso zu pflegen, wie durch eine Koordination von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zwischen fem und HTW. Eine solche Zusammenarbeit wird unter anderem mit der Suche nach geeigneten Elektrodenmaterialien für Batterien derzeit aufgebaut und intensiviert. Dr. Zielonka gab seiner Hoffnung über eine fruchtbare Zusammenarbeit auf diesem und weiteren Gebieten mit dem FINO Ausdruck.

Funktionale Schichten nach Maß

Im Rahmen eines wissenschaftlichen Programms gab Prof. Dr. Frank Schmidl von der Universität Jena Einblick in seine Arbeiten zu den Anwendungspotenzialen von Nanopartikeln in der Dünnschichttechnik. Die Arbeiten der vergangenen Jahre haben gezeigt, dass Nanopartikel in unterschiedlichen Arten in vielen Anwendungen schon immer für bestimmte Eigenschaften der Werkstoffe verantwortlich waren, dies allerdings nicht unbedingt erkennbar war. Inzwischen wird aber auch klar, dass die gezielte Herstellung und der Einsatz von Nanopartikeln deutliche Fortschritte bei der Einstellung von Werkstoffeigenschaften bringen können.

Die Nanopartikel können auf verschiedene Arten hergestellt und durch Anpassung von zum Beispiel Form, Größe oder Verteilung zu unterschiedlichen Eigenschaftsänderungen verwendet werden. Ein Erfolg versprechender Ansatz für die Herstellung bieten die Beschichtungsverfahren, da hierbei je nach Technologie die Aufbaugeschwindigkeiten oder Energien zur Herstellung von kleinsten Atomverbünden steuerbar sind. Allerdings erfordert die gezielte Einstellung von Größe, Art oder Form der Nanopartikel umfangreiche Grundlagenarbeiten, mit denen sich der Vortragende seit langem befasst.

Am Beispiel von Supraleitern auf Basis von Yttrium, Barium, Kupfer und Sauerstoff erläuterte er den Einfluss von Temperatur, Stromdichte und Magnetfeld bei der physikalischen Schichtabscheidung auf die Herstellung von Nanopartikeln. In diese Schichten wurden gezielt Nanopartikel aus Gold als kubisch flächenzentrierte Kristalle eingebracht. Als Abscheideverfahren wurde eine lasergestützte physikalische Abscheidung im Hochvakuum verwendet. Zudem wurde mit Strukturierverfahren und Temperaturbehandlungen gearbeitet. Je nach Arbeitsparameter konnten Nanopartikel im Größenbereich zwischen 1 Nanometer bis etwa zehn Nanometer erzeugt werden. Darüber hinaus zeigten sich Unterschiede in den Durchmessern und Verschiebungen in der Verteilung in Abhängigkeit von der Matrixschicht. Interessant war der Befund, dass die Nanopartikel bis zu einer gewissen Größe in die Matrixschicht eingebaut werden können, ohne das Gitter der Matrixschicht zu verändern, wobei die Nanopartikel am Matrixgitter ausgerichtet werden.

Zugleich verbessern die Nanopartikel das Schichtwachstum, beispielsweise durch eine Abnahme der Oberflächenrauheit oder eine Erhöhung der kritischen Temperatur und Stromdichte der supraleitenden Matrix. Solche Eigenschaften in Verbindung mit modernen Strukturierungstechnologien­ lassen einen Einsatz in der Elektronik, beispielsweise für Schaltkontakte (Josephson-Kontakte), erwarten. Diese Ergebnisse machen deutlich, dass die Untersuchung der Grundlagen über Werkstoff- und Schichtaufbau und deren Verhalten auch in Zukunft mit vielen Überraschungen aufwarten wird, aus denen bessere und neue Anwendungsmöglichen erwachsen.

Modellbildung bei der Dispersionsabscheidung

Justus Köhler, ein HTW-Absolvent des vergangenen Jahres, gab einen Einblick in die Ergebnisse seiner Abschlussarbeit über die Modellbildung bei der elektrochemischen Dispersionsabscheidung in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Sörgel. Dabei unterzog er in einem ersten Schritt die bestehenden Modelle der vergangenen etwa 40 Jahre einer genaueren Betrachtung und verglich die Modelle. Diese berücksichtigen unter anderem die Adsorption oder die Hydro­dynamik, aber auch die Bildung von Doppelschichten um die zugesetzten Partikel, die in die Doppelschicht der zu beschichtenden Oberfläche integriert werden. Zudem kommen die wirkenden Kräfte zur Geltung, die über die Zeitdauer der Adsorption entscheiden. Damit können beispielsweise Erklärungsansätze dafür geliefert werden, warum das Einlagerungsverhalten von einer Vielzahl von Parametern abhängt, welche in direktem oder indirektem Zusammenhang mit der mittleren Adsorp­tionsdauer stehen.

Siliziumidoxidpartikel für Dispersionsschichten (Quelle: J. Köhler)

Am Einbau von Siliziumcarbid in Nickel zeigte der Vortragende am Mechanismus der Partikeladsorption, dass die Abscheide­geschwindigkeit in Zusammenhang mit der Anlieferungsgeschwindigkeit die Einbau­rate bestimmt. Dabei fügte er dem Elektrolyten als zweite Partikelsorte Siliziumdioxid in zwei Größen (2 µm und 8 µm) zu, welche aufgrund ihrer Hydrophilizität selbst nicht eingelagert werden. In Abhängigkeit von Stromdichte und Strömung ergaben sich unterschiedliche Einbauraten. Insbesondere wirkte sich aber der Anteil der zweiten Partikelsorte auf die Einbaurate des Siliziumcarbids aus. Ab einer Zusatzmenge von etwa 10 g/l Siliziumdioxid stieg die Einbau­rate für Siliziumcarbid erkennbar an. Die Messergebnisse lassen vermuten, dass die Adsorptionszeit eines zweiten Partikels durch bereits angelagerte erste Partikel anderer Art verlängert werden können, wodurch die Gesamteinbaurate gesteigert werden kann. Allerdings sollte stets von einem dynamischen Gleichgewicht zwischen Adsorption und Desorption ausgegangen werden, das durch unterschiedliche Parameter (z. B. Zusammensetzung der Lösung, physikalische Bedingungen vor der Oberfläche) verändert werden kann. Auch diese Betrachtung zeigt ein mögliches, vielversprechendes Arbeitsgebiet für das neue Institut in Aalen.

Neues Kathodenmaterial für Batterien

Im letzten Fachvortrag der Gründungsveranstaltung gab Prof. Dr. Timo Sörgel einen Einblick in die neu angelaufenen Arbeiten zu besseren Kathodenwerkstoffen für Lithium/Schwefel-Batterien. Insbesondere die schleppende Weiterentwicklung der E-Mobilität bei Fahrzeugen macht die hohe Dringlichkeit deutlich, neue Batteriesysteme­ zu entwickeln. Gefordert sind hohe Energiedichten, hohe Leistungsdichten, hohe Materialausnutzung, niedrige Kosten, hohe Sicherheit, aber auch wesentlich schnellere Lade- und Entladeraten. Die bisher verfügbaren Systeme sind von diesen Zielen weit entfernt.

Als mögliche Kandidaten zeichnen sich die Systeme aus Lithium und Schwefel sowie aus Lithium und Luft (Sauerstoff) ab. Lithium/Schwefel besticht hierbei durch eine hohe theoretische Kapazität, eine hohe (theoretische) spezifische Energie (2500 Wh/kg Schwefel) sowie gute Verfügbarkeit, niedrige Kosten und geringe Toxizität. Um die theoretischen Vorteile in praktischen Nutzen zu überführen, müssen allerdings die Leitfähigkeit auf der Schwefelseite verbessert, die ungünstigen Verhältnisse beim Laden/Entladen beseitigt oder die Inhibierung der Elektroden durch elektrisch isolierende Polysulfide und Sul­fide vermieden werden.

Bisher werden Schwefelpartikel zusammen mit einer Reihe von Hilfsstoffen auf den zur elektrischen Ableitung erforderlichen Stromsammler aufgerakelt. Die von Prof. Dr. Sörgel, Dr. Sandra Meinhard (HTW) und Dr. Seniz Sörgel (fem) zum Patent angemeldete Elektrode und das zugehörige Verfahren verfolgt den innovativen Ansatz, sowohl auf Zusatzstoffe als auch auf einen separaten Stromsammler zu verzichten und den gesamten Verbund aus Stromsammler und Aktivmaterial in einem einstufigen Galvanoformungsschritt in Folienform mit Hilfe der Dispersionsabscheidung aufzubauen. Dabei macht sich nach Ansicht des Vortragenden auch die große Praxisnähe der Hochschule Aalen positiv bemerkbar, die eine schnellere Umsetzung von Ergebnissen nahelegt, als dies bei universitären Forschungen oftmals der Fall ist. In einem neuen IGF-Projekt werden diese Arbeiten zusammen mit dem fem in Schwäbisch Gmünd durch die AiF gefördert.

Erste Ergebnisse sind vielversprechend und zeigen, dass das neue Elektrodenkonzept funktioniert. Mit diesem Ergebnis als Ausgangspunkt konnte ein weiteres Projekt mit einer Laufzeit von drei Jahren (2015–2018) gewonnen werden, das zum erfolgreichen Start von FINO beiträgt.

Forschen für den Markt

Mit dem Institut für innovative Oberflächen wird eine Idee, die vor mehr als 50 Jahren mit der Gründung des Studiengangs Werkstoffkunde und Oberflächentechnik einen Anfang nahm, in eine neue Bahn gelenkt und mit modernen Inhalten neu aufgelegt. Die bei der Gründungsveranstaltung gezeigten Beispiele von bisherigen Arbeiten und zukünftigen Aufgaben machen klar, dass neue Produkte ohne die grundlegenden Arbeiten und deren schnelle Umsetzung in die Praxis kaum zustandekommen. Damit darf FINO mit gutem Grund ein großes Interesse bei vielen modernen Industrieunternehmen erwarten.

www.htw-aalen.de/fino