Bericht vom Winterthurer Oberflächentag 2015
Im Rahmen des jährlich stattfindenden Winterthurer Oberflächentages (WOT) präsentieren Expertinnen und Experten aus Industrie und Hochschulen aktuelle Themen, Markttrends und Entwicklungen aus den Bereichen Oberflächentechnik und Beschichtungen. Auf der begleitenden Ausstellung werden neue Produkte sowie Angebote aus dem Bereich der Oberflächentechnik vorgestellt. Die Veranstaltung wird von dem Spin-off-Unternehmen Winterthur Instruments sowie dem Institute of Materials and Process Engineering IMPE der ZHAW School of Engineering organisiert und durch das NTN Innovative Oberflächen unterstützt.
Das Beschichten von nichtmetallischen Werkstoffen stellt sowohl Beschichtungsentwickler als auch Beschichter vor besondere Herausforderungen. Empfindliche Substrate lassen nur moderate Härtungstemperaturen zu, viele Substrate sind flexibel und elastisch oder es ist schwierig, Haftung zum nichtmetallischen Substrat zu erreichen. Da in Massenmärkten hohe Beschichtungsgeschwindigkeiten gefordert werden, sind die Härtungszeiten meist kurz. Weiter wird die Analytik wegen unregelmäßiger Untergründe erschwert. Diese Herausforderungen waren die Motivation, sich der Thematik aus unterschiedlichen Sichtweisen zu nähern.
Winterthur Instruments AG
Winterthur Instruments ist ein Spin-off der ZHAW School of Engineering. Sie entwickelt und verkauft den CoatMaster zur Messung der Schichtdicke, des thermischen Schichtwiderstands und anderer Eigenschaften von Beschichtungen. Die Systeme werden zur Qualitätssicherung und Prozesskontrolle in der Pulverbeschichtung, Nasslackbeschichtung und im thermischen Spritzen eingesetzt. Kunden benutzen die Systeme um die Schichtdicke frühzeitig im Prozess zu messen, auch auf Teilen mit nassen und nicht-eingebrannten Beschichtungen.
IMPE Institute of Materials and Process Engineering
Das IMPE Institute of Materials and Process Engineering der ZHAW School of Engineering verfügt über umfassende Kompetenzen in Materialwissenschaften und Verfahrenstechnik, deren Kombination die Entwicklung von innovativen Materialien, Beschichtungen, Herstellungsverfahren sowie von Prozessen und Anlagen ermöglicht. Der Fokus der Aktivitäten der rund 40 Mitarbeitenden liegt auf den F&E-Schwerpunkten der Oberflächentechnik, Werkstoffe sowie der Verfahrensentwicklung. Im Bereich der Oberflächentechnik beschäftigt sich das IMPE mit der Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung von funktionellen Oberflächen und Beschichtungen sowie mit der Klebstofftechnologie. Die ZHAW bietet derzeit 8 Bachelorstudiengänge an.
Fachvorträge auf dem WOT
Polymere Beschichtungen
Wie Dr. Toni Schneider erläuterte, werden sinnvollerweise anorganische und organische Beschichtungen kombiniert, beispielsweise Sol-Gel-Beschichtungen mit Lacken. Dazu werden zunächst die Formulierungen entwickelt und anschließend die Auftragungsverfahren erarbeitet. Beispiele für die Anwendung sind Transportbänder für die Lebensmittelverarbeitung, für die insbesondere easy-to-clean-Eigenschaften und hohe mechanische und chemische Stabilität gefordert sind. Darüber hinaus müssen die verwendeten Stoffe für den Lebensmittelbereich zugelassen sein.
Aufgetragen werden solche Beschichtungen im Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Die geforderte schnelle Trocknung wird beispielsweise durch Verwendung von Polyurethanen erreicht. Dazu wurden unterschiedliche Polyisocyanate und Polyole als Ausgangstoffe untersucht, insbesondere auf die Haftung der Schicht sowie die Reinigbarkeit. Angestrebt wird die Reinigungsfähigkeit mit Wasser und Ethanol. Ersten Untersuchungen zufolge wird ein gutes Reinigungsverhalten vermutlich durch die glatte Oberfläche verursacht. Ein weiterer Faktor ist die Trocknung der Lacke; dazu wurden temperaturaktivierbare Katalysatoren eingesetzt. Diese erlauben lange Topfzeiten bei Raumtemperatur und kurze Aushärtung bei der Trocknungstemperatur im Bereich von weniger als 3 Minuten. Bei Versuchen traten allerdings spröde Schichten aufgrund geringer Flexibilität. Verbessert wird das Verhalten durch Verwendung einer anderen Polyolkomponente.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die Beschichtung von Sensoren für die Sauerstoffmessung. Dazu wird die Fluoreszenzspektroskopie herangezogen, bei der bestimmte Moleküle in Anwesenheit von Sauerstoff ihr Fluoreszenzverhalten ändern. Die Stoffe werden als dünne Schicht auf einen Glasträger aufgebracht. Dazu werden Grund- und Deckfilme benötigt, die für den Einsatz in einem robusten Aufbau herstellbar sind. Zugleich muss die Sauerstoffdiffusion ermöglicht werden. Fremdgase müssen allerdings zurückgehalten werden, was mit einer Membranschicht erreicht wird. Durch das Verfahren des Spincoating mit Zwischentrocknungen lassen sich Schichten sehr genau im Bereich von einigen Hundert Nanometern bis etwa 2 Mikrometer erzeugen. Die Trennwirkung konnte unter anderem an Stickstoff, Butadien und Hydrochlorid sehr deutlich gezeigt werden.
Beschichtung durch Folientechnologie
Ein von Dr. Strähle vorgestellte Technologie zur Beschichtung von Substraten ist die Wassertransfertechnik. Dazu wird eine mit Lack beschichtete Folie in Wasser eingebracht. Die Trägerfolie löst sich auf und der Lack kann durch Tauchen des zu beschichtenden Substrats in Wasser übertragen werden – der Lack bleibt beim Ausheben des Substrats aus dem Wasserbecken auf der Substratoberfläche haften. Die Platzierung des Dekors ist dabei allerdings mit höheren Streuungen verbunden.
Ein weiteres Verfahren ist das Heißprägen, das durch Stempel- oder Rollentechniken erfolgen kann. Problematisch ist die Einschränkung auf ebene Geometrien. Das Dekor bietet hohe Designfreiheit, gute Positionierbarkeit oder schnelles Beschichten, sowie Metallfarben. Eine Weiterentwicklung des Heißprägens ist Inmould Decoration. Das Verfahren bietet eine hohe Designfreiheit, gute Automatisierbarkeit oder die Herstellung metallischer Oberflächen. Allerdings erfordert die Technik einen hohen Aufwand an das Werkzeug oder eine Einschränkung bei den beschichtbaren Grundwerkstoffen. Ähnlich arbeitet das Folienhinterspritzen, das in zwei Ausführungen zum Einsatz kommt: Folien vor dem Kunststoff (nicht transparenter Kunststoff) oder die Positionierung hinter einem transparenten Kunststoff, wodurch ein Tiefeneffekt erzeugt werden kann.
Für die Automobiltechnik wurde eine spezielle Lackfolientechnologie entwickelt. Dafür wird die gesamte Lackschicht beziehungsweise Lackschichtkombination auf eine Folien beispielsweise durch Rakeln aufgebracht. Diese Folien werden dann auf den Grundträger übertragen, wodurch kein Overspray und keine unerwünschte Emissionen entstehen. Zur besseren Beständigkeit kann noch ein Klarlack darüber aufgetragen werden.
Ebenfalls hohe Variabilität bei der Geometrie des Substrats und dem Design des Lacks bietet die Klebetechnologie.
Gleitbeschichtungen
Dr. Samuel Tosatti befasst sich mit Gleitbeschichtungen auf Polymeren für die Medizinaltechnik. Dabei betonte er eingangs seiner Ausführungen, dass für Medizintechnik eine große Breite an Beschichtungsarten in Verwendung sind, von sehr hart über farbig, antibakteriell bis hin zu schmierenden beziehungsweise gleitenden Schichten. Eine der wichtigsten Anwendungen für die schmierenden Schichten sind die Oberfläche von Kontaktlinsen oder Spritzen, sowohl für den Kolben als auch für die Kanüle. Bei Kanülen wird die Funktion durch dünne Silikonschichten erzielt, die das Schmerzempfinden bei Einstechen der Kanülen in den Körper reduzieren. Daneben kommen die Schichten bei Kathedern der unterschiedlichsten Art zur Anwendung. Neben Silikon spielen hier insbesondere Teflonschichten eine Rolle, die eine hohe Akzeptanz bei der Bevölkerung besitzt.
Die Herausforderung bei der Auftragung solcher Schichten liegt in der Erzeugung einer guten Haftung auf den meist verwendeten, speziellen Kunststoffen. Dazu wird der Kunststoff konditioniert. Die Ermittlung der optimalen Konditionierbehandlung erfordert im ersten Schritt die Bestimmung der genauen Zusammensetzung einer Oberfläche. Im zweiten Schritt sind die dabei gefundenen Ergebnisse auf die Produktionsanlagen hochzuskalieren. Dies kann beispielsweise unter Einsatz der Robotertechniken erfolgen.
Die erforderlichen Haftvermittler müssen in der Regel zwei Eigenschaften aufweisen: gute Anbindung an des Substrat und gute Anbindung an die aufzubringende Schicht. Sehr gute Ergebnisse werden beispielsweise auch durch Aktivieren mittels Plasma erzielt. Direkt auf molekularer Ebene bieten Azide in unterschiedlicher Ausführung gute Ansatzpunkte zur Erzielung einer guten Haftung. Hierbei kann die Bindung durch Einstrahlen von Licht ausgelöst werden.
Als Anwendung der Beschichtung stellte der Vortragende den Ersatz der Augenlinse zur Behebung von Sehproblemen durch grauen Star vor. Durch den Einsatz einer Kanüle wird eine minimale Beschädigung des Auges bei Wechsel der Linse (Auflösung und Neueinsetzung in Form eines flüssigen Kunststoffes) erreicht.
Anlagentechnologie
Dr. Nico Meyer befasste sich mit der Entwicklung von Anlagen zur Beschichtung, Laminierung und Kaschierung von unterschiedlichen Substraten. Solche Techniken werden beispielsweise in der Elektronik, organische Photovoltaik, Textil- oder Automobilindustrie benötigt. Dazu kann das Unternehmen des Vortragenden auf ein flexibles Technikum zurückgreifen, um Prozesse im kleinen Maßstab zu untersuchen.
Entscheidend für Verfahrensentwicklung ist in der Regel ein Einblick in die chemischen Prozesse zwischen Grundmaterial und Beschichtung. Mit Hilfe einer eigenen Anlagentechnik werden kleinste Chemievolumina auf wenigen Quadratzentimetern eines Substrats aufgebracht und deren Haftung geprüft. Die wichtigen Parameter wie Temperatur oder Atmosphäre können ebenso eingestellt werden wie Beschichtungsgeschwindigkeit, Einsatz von Plasma, Viskosität der aufzutragenden Stoffe oder Anwendung von Druck. Eine derartige Anlage erlaubt aufgrund ihres modularen Aufbaus, Verfahrensschritte zu ändern oder neu aufzubauen. So stehen allein für die Art des Aufrollens (Beschichtung auf Grundmaterial) mehr als 30 unterschiedliche Modifikationen zur Verfügung.
Als Anwendungsbeispiel stellte der Vortragende die Herstellung von elektrochromen Eigenschaften bei Fensterscheiben vor. Hierbei ist gefordert, die Durchlässigkeit für Sonnenlicht schaltbar zu machen. Solche Fenster finden unter anderem bei Flugzeugen Anwendung. Aufgebaut ist das Fenster aus einer Trägerfolie, einer TCO-Schicht (transparente leitfähige Schicht), Leitschichten sowie Membranschichten, bestehend aus zwei Halbzellen. Nach dem Verbinden der beiden Halbzellen wird durch Einwirkung von Licht eine Vernetzung der beiden Kontaktflächen erzielt.
Gleitlackbeschichtungen auf Kunststoffen
Julian Bosch stellte in seinem Vortrag die Beschichtung von Elastomeren und Kunststoffteilen mit Gleitlacken zur trockenen Schmierung vor. Verwendet werden diese im Apparate und Maschinenbau sowie in der Medizin- und Uhrenindustrie. Bevorzugt eingesetzt werden PU-Lacke mit Graphit, PTFE und Silikon als Gleitmittel. Graphit kann zwischen -35 °C und 600 °C und PTFE zwischen -180 °C und 260 °C eingesetzt werden, wobei neben dem Gleitmittel auch der Lack selbst erhebliche Einschränkungen unterliegt. Der Anteil an PTFE nimmt allerdings aufgrund der zunehmenden Leichtbauweise im Fahrzeugbau immer mehr zu. Darüber hinaus spielt der Einsatz insofern eine Rollle, als die Reinigungsverfahren auf die Lackzusammensetzungen unterschiedliche Wirkungen besitzen.
Als einer der ersten Schritte nach dem Auftragen des Lacks ist das Einlaufverhalten maßgeblich, da dieses für ein Glätten der Oberfläche sorgt. Solche trocken schmierende Oberflächen sind beispielsweise in der Vakuumtechnik, in der Medizintechnik oder bei der Herstellung hochreinen Teile oder Geräte erforderlich. Mit der Beschichtung wird ein Verschmutzen verhindert, ein konstanter Reibwert erzielt oder Stick-Slip-Effekte vermieden. Hauptsächliche Herausforderung ist die Einschätzung des Verhaltens des Reibpartners.
Die Herstellung erfordert eine sorgfältige Reinigung und die Erzeugung einer guten Benetzung. Dies kann beispielsweise durch Plasmaaktivierung oder eine mechanische Aufrauung vorgenommen werden. Das Beschichtung erfolgt unter anderem mittels Bandbeschichtung, Sprüh-/Trommelbeschichtung oder mit Roboteranlagen. Eingesetzt werden solche Teil für Schalter, Verstellelemente, Tankdeckeln (Vermeidung von ruckartigem Bewegen) oder Stellelemente für hochwertige Uhren zum Schutz gegen Verschmutzung und zum Abdichten. Wichtig bei der Auswahl des geeigneten Gleichlacksystems ist auf jeden Fall die Darlegung aller Einflussgrößen im Gebrauch.
Pulverbeschichtung von Holzwerkstoffen
An der Berner Fachhochschule wird an der Pulverbeschichtung von Produkten aus MDF gearbeitet. Vorgestellt wurde die Technik von Bernhard Letsch. Bei den mitteldichten Faserplatten werden vorwiegend leitfähiges MDF, aber mit neuen Einschichtlacken auch Standardplatten beschichtet. Besonderes Augenmerk muss hierbei der Vorbehandlung, insbesondere der Staubfreiheit, geschenkt werden. Bei den Anlagen ist es noch wichtiger als bei anderen Werkstoffen, die Teile der Anlage auf den Werkstoff MDF abzustimmen.
Beim eigentlich isolierende Grundwerkstoff wird durch den Prozessschritt Vorheizen (Preheating) die Leitfähigkeit soweit erhöht, dass elektrostatische Pulverbeschichtung möglich wird. Dabei ist die Einstellung der Feuchtigkeit in einem engen Bereich notwendig, um sowohl Schichtfehler durch Freiflächen (zu trocken) als auch Ausgasungsfehler zu vermeiden. Die Pulver härten bei 130 °C bis 150 °C innerhalb von 3 min bis 6 min aus. Dafür kommen schnell reagierende Lacke zum Einsatz, die allerdings eine optimale Lagerung erforderlich machen. Die Entwicklung der letzten Jahre ist durch den Preis Die Oberfläche 2013 gewürdigt worden. Derzeit wird an der automatisierten Lackdickenmessung sowie der Senkung der Härtetemperatur gearbeitet.
Schichtdickenmessung
Prof. Dr. Reinke gab einen Einblick in die zerstörungsfreie Schichtdickenmessung. Die Kontrolle in der Produktion ist nach seiner Aussage eine entscheidende Größe, da die Schichtdicke Einfluss auf die Beständigkeit gegen Korrosion, die Farbgebung die Deckkraft, die Elastizität, die Alterungsbeständigkeit oder die Haptik hat, um nur die wichtigsten zu nennen.
Als zerstörungsfreie Methode kann beispielsweise die Prüfung des Flächengewichts gewählt werden, das Betarückstreuverfahren, die Röntgenfluoreszenz, das Wirbelstromverfahren auf leitenden Substraten oder die Ultraschalltechnik. Zerstörende Prüfungen sind der Mikrotomschnitt, die Erichsentiefung oder der vertikale Schnitt mit mikroskopischer Betrachtung. Allerdings sind die Verfahren für unterschiedliche Kombinationen aus Schicht und Substrat, für unterschiedliche Größen oder verschiedener Zugänglichkeit der Oberfläche anzupassen.
Das Verfahren der thermischen Leitfähigkeit bietet die Möglichkeit, innerhalb von Millisekunden und unter Anwendung eines speziellen Algorithmus beliebige Geometrien, auch bei Bewegung des Messobjekts, zu bestimmen. Messbar sind alle Schichten mit geringer Wärmeleitfähigkeit, also insbesondere Lacke oder Keramiken Aufgrund der einfachen Handhabung und der sehr kurzen Messdauer eignet sich die Technologie zur Messung von Lacken direkt im Zustand vor dem Einbrennen. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, innerhalb des Beschichtungsprozesses auf Abweichungen zu reagieren. Die Technik erhöht die Schichtqualität und minimiert den Lackverbrauch.
Angewandt wird das Verfahren für das Lackieren auf Metallen ebenso wie auf Kunststoffen, MDF-Platten oder Folien. Die Messmethode ist zudem gut für die mannlose Steuerung von Anlagen geeignet.
Fehler bei der Kunststoffbeschichtung
Die Ermittlung von Fehlern beim Lackieren von Kunststoffteilen war das Thema von Nicole Dopheide. Sie betonte eingangs, dass aufgrund der zahlreichen Verknüpfungen von Prozessgrößen kleine Variationen zu starken Änderungen beim Gesamtergebnis führen können. Aus diesem Grund ist Grundvoraussetzung, dass die Systemzusammenhänge von Grundwerkstoffen und Beschichtung in allen Einzelpunkten der Systemgrößen bekannt sein müssen.
Als Beispiel für Einflüsse nannte die Vortragende den Anspritzbereich aufgrund ungleichmäßiger Abkühlbedingungen. Beim Lackieren von 2K-Objekten können beispielsweise beim Nachlackieren Blasen an der Grenzfläche zwischen den beiden Komponenten auftreten. Weitere Ursachen für Fehler in der Lackierung können ein ungenügendes Abdunsten von Lösemittel aus dem Lack oder nicht ausreichende Trocknung einer Lackierung sein.
Zunehmend machen auch fehlerhaft ausgeführte Lackprüfungen wie der Gitterschnitt Probleme durch zu hohe Anpresskraft. An zahlreichen Bildbeispielen gab sie einen Einblick in die Vielfalt der Fehler, Fehlerursachen und mögliche Lösungsansätze. Als eine wichtige Forderung aus ihrer Arbeit sieht die Vortragende den Bedarf einer steten Aus- und Weiterbildung des Fachpersonals. Dabei ist vor allem das Verständnis für die grundlegenden Anforderungen an die Ausführung der Beschichtungstätigkeit und deren weitreichende Wirkung bei Nichtbeachtung ein wichtiger Bestandteil.
Fazit
Der Winterthurer Oberflächentag bietet eine optimale Möglichkeit, sich über neue Verfahren im Stadium der Entwicklung sowie neue Einsatzmöglichkeiten aus der Praxis zu informieren. Darüber hinaus werden die Kontakte zu den Fachleuten der nächsten Generation angestoßen und die Hochschule über die Bedürfnisse der Praxis auf dem Laufenden gehalten.
