Bericht über den ABC-Workshop 2017 am NMI in Reutlingen
Das 1985 gegründete NMI befasst sich heute mit seinen 190 Mitarbeitern vor allem mit dem Transfer von Wissen und Technologie in die Praxis. Dies beinhaltet unter anderem die Unterstützung von Unternehmensgründungen und Dienstleistung im Bereich Forschung und Entwicklung. Das NMI ist eines der 13 Institute der Innovationsallianz Baden-Württemberg innBW. Primäre Aufgabenstellung an die Mitglieder ist die Schaffung von Verbindungen zwischen Wissenschaft und Wirtschaft. Einer der Schwerpunkte des Instituts ist die Oberflächen- und Werkstofftechnologie. Die dort durchgeführten Arbeiten werden in einem jährlich stattfindenden ABC-Workshop mit Beiträgen aus den Fachgebieten Analytik, Kleben und Beschichtungstechnologie von den zuständigen Fachleuten des NMI sowie den Partnern in der Industrie präsentiert. Die Technologien finden in nahezu allen Bereichen der Industrie Anwendung.
Verbundwerkstoffe, Werkstoffverbunde und hybride Werkstoffe
Prof. Dr.-Ing. Markus Milwich, DITV Denkendorf, befasst sich mit der Herstellung von Teilen aus Mischwerkstoffen, bei denen die Eigenschaften durch die unterschiedlichen Bestandteile in breitem Umfang einstellbar sind. So bestehen hybride Werkstoffe primär aus Fasern und Kunststoffen, bei denen das Kleben der wichtigste Teil im Herstellprozess ist. Die hergestellten Bauteile - beispielsweise für die Fahrzeugindustrie - werden zunehmend komplexer und unterliegen höheren Anforderungen. Die Teilegröße nimmt weiter zu bis hin zu vollständigen Fahrzeugelementen, hergestellt durch Spritzen mit Fasern. Darüber hinaus werden vor allem mit Hilfe von textilen Werkstoffen integrierte Sensoren benötigt.
Nach seiner Meinung lassen sich die drei Arten von Werkstoffen folgendermaßen unterscheiden:
- Werkstoffverbunde aufgrund der verwendeten Fasern und Beschichtungen
- Verbundwerkstoffe mit komplett in die Matrix eingelagerten Fasern
- Hybride Werkstoffe sind zum Beispiel Stahlprofile, verstärkt oder verklebt mit CFK
Die Werkstoffe zeichnen sich durch Eigenschaften wie hohe Festigkeit und geringes Gewicht aus. Derzeit wird vor allem von den dafür notwendigen Klebeverbindungen eine nachweislich hohe Sicherheit gefordert. Dies gilt umso mehr, als in der Regel mehrere Klebeschritte bei der Herstellung eines Teiles notwendig sind.
Metall-Metall-Hybride bestehen zum Beispiel aus Aluminiumlegierungen mit Aluminiumoxid-Bor-, Kohlenstoff- oder Siliziumcarbidfasern. Herausforderungen ergeben sich bei derartigen Werkstoffen durch das Recycling, unter anderem aufgrund des Wunsches, Fasern zurückzugewinnen. Eine weitere Variante sind Metalleinlegeteile in Faserverbundlaminaten, die zum Teil bereits in einem Fertigungsschritt durch Umspritzen hergestellt werden.
Metall-Kunststoff-Verbunde bestehen beispielsweise aus Metallfolien mit textiler Einlage und Kleber oder Klebefolien. Faserverstärkte Keramiken (CMC) werden mit dem Ziel verbessert, eine hohe Bruchzähigkeit bei hohen Arbeitstemperaturen zu erreichen. Einsetzbar sind solche Werkstoffe unter anderem in Turbinen, bei denen auf Kühlung verzichtet werden kann. Eine weitere Anwendung sind Keramikbremsscheiben.
Bereits im Einsatz sind hybride Materialien zum Beispiel in Leichtbaufahrzeugen wie dem i3 von BMW.
Ein weiterer Schritt ist die Integration von Anzeigegeräten auf Basis von textilen Werkstoffen. Das Entkleben für die Demontage oder das Recycling sind bei allen verklebten Teilen neben der Herstellung zusätzliche Forderungen.
Faserverbundwerkstoffe werden vor allem durch neue Techniken des Verlegens von Fasern und dem Verkleben der Fasern weiterentwickelt.
Werkstoffeigenschaften durch Mehrschichtsysteme
Mehrschichtsysteme, ein Bereich der Arbeiten von Prof. Dr. Volker Bucher, erfüllen Anforderungen, die deutlich über die von Schichten oder Werkstoffen allein hinausgehen. Beispiele dafür in der Medizintechnik zeichnen sich durch geringste Abmessungen aus, bei denen hohe elektrische Isolation, Kratzfestigkeit bei gleichzeitig geringer Schichtdicke, aber auch sehr gute Reinigbarkeit bei hoher Beständigkeit gegen die Reinigungsmittel vorliegen. Eingesetzt werden hierfür unter anderem Verfahren wie PECVD zur Erzeugung von DLC-Schichten. Nachteilig bei DLC-Schichten sind intrinsische Spannungen (in der Regel Druckspannungen), weshalb die verwendbaren Schichtdicken unter 3 µm liegen. Dieser Nachteil lässt sich durch die Herstellung von Multilagen aus DLC und Titan - unter der Vorgabe einer sehr guten Haftung - erzielen. Ähnlich gute Ergebnisse werden durch Gradientenschichten aus Titan mit unterschiedlichen Kohlenstoffanteilen (Multilagen) und DLC erreicht.
Eine Lösung für eine gut isolierende Schutzschicht besteht aus DLC und Parylen, wobei DLC die Härte und Kratzfestigkeit liefert und Parylen die vorhandenen Poren schließt und für die elektrische Isolation sorgt.
Ein weiteres Beispiel für Mehrschichtsysteme sind Barriereschichten für Wasserdampf auf intelligenten Implantaten. Anwendung findet eine derartige Technik für Retinaimplantate oder Gehirnimplantate, bei denen Flexibilität zum Beispiel bei zugleich hoher Korrosionsbeständigkeit erreicht wird. Möglich sind Kombinationen aus Parylene und Edelmetallschichten oder Titan. Damit wird auch die Diffusion von Stoffen stark gehemmt oder unterbunden. Derzeit wird davon ausgegangen, dass eine weitere Verbesserung durch die Hinzunahme von ALD-Beschichtungen möglich sein sollte.
Ein weiteres Anwendungsgebiet von Multilagenschichten ist die Herstellung von kratzfesten Kunststoff-Displays. Neue Entwicklungen befassen sich mit der Kombination von kratzfestem Lack mit ALD-Schichten. Neben der Kratzfestigkeit kann damit auch eine gute Chemikalienbeständigkeit erzeugt werden.
Analytik von Mehrkomponentensystemen
Herausforderungen bei der Herstellung von Mehrkomponentensystemen stellen sich auch für die Analytik, mit der sich Dr. Dagmar Martin befasst. Sie liegen vor allem darin, dass Stoffübergänge während der Analyse stattfinden, wobei die Übergänge sehr inhomogen sind. Zudem muss hierfür sehr sorgfältig der zu untersuchende Bereich ausgewählt werden. Die Analysentechnik muss damit die Möglichkeit bieten, einerseits große Oberflächenbereiche abzudecken und zugleich hohe Auflösungen bis in den Nanometerbereich zu gewährleisten. Die Methoden reichen vom Gitterschnitt über kristallographische Schnitte, Lichtschnitt- oder Laser-Scanning-Mikroskop bis zu REM/EDX oder XPS. Eine sinnvolle Analytik erfordert es, sich den Gesamtprozess der Schichtherstellung detailliert anzusehen. Eine passende Analytik erhält damit auch die Funktion der Schichtqualifizierung als wichtiges Kriterium der Qualitätssicherung.
Ein Beispiel für entsprechende Analysentechniken ist die Herstellung von Verbundmaterial aus CFR PEEK mit einer Titanschicht als Haftvermittler für Klebstoff. An Proben zur Prüfung der Haftfestigkeit lassen sich die Ursachen für ein Versagen der Haftschicht beispielsweise durch die Bestimmung der Elementverteilung an der Oberfläche ermitteln.
Kleben für den Material-Mix
Aus Sicht des Klebstoffherstellers Sika Deutschland GmbH, vertreten durch Artur Zanotti, bietet sich das Kleben als ideale Fügetechnologie für unterschiedliche Werkstoffe in einem Bauteil an. Kleben bietet grundsätzlich die Möglichkeit, unterschiedliche Materialien zu verbinden. Dies wird bei der Verarbeitung von Mischwerkstoffen ebenfalls genützt, wobei sehr unterschiedliche Klebstoffvarianten zur Verfügung stehen. Kleben zählt zu den Kaltfügetechniken, die ohne Beschädigung des Bauteils (wie Bohren) auskommt, eine flächige Krafteinleitung in Strukturen geringer lokaler Festigkeit erlaubt oder Bauteiltoleranzen und Dehnung der Teile kompensiert.
Klebstoffe führen beispielsweise aufgrund ihres elastischen Verhaltens dazu, dass zwei Werkstoffe mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften einen stabilen Verbund bilden und damit die Festigkeit der Einzelstoffe erhöht werden kann. Darüber hinaus erlauben die Klebstoffe gleichzeitig die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit oder auch das Abdichten von Hohlräumen oder Spalten.
Ein Treiber für die Klebetechnik ist der Fahrzeugleichtbau, bei dem Stahl, Aluminium und Faserverbundwerkstoffe wie GFK oder CFK verbaut werden. Das Kleben muss die unterschiedlichen Ausdehnungen bei Temperaturänderungen bewältigen oder auch in der Lage sein, unterschiedliche Oberflächenvarianten in gleichbleibender Qualität zu verbinden. Hier müssen die Hersteller der Klebstoffe erhebliche Anstrengungen unternehmen, um die Anwender auf den wichtigen Schritt der Vorbehandlung (Reinigung) hinzuweisen.
Schließlich ist zu berücksichtigen, dass Reparaturen an verklebten Teilen vorgenommen werden können. Für diese Anwendungen kommen je nach Anforderungen verschiedene Klebstoffarten, wie strukturelle, semi-
strukturelle und elastische Stoffe zum Einsatz, die sich beispielsweise durch unterschiedliche Festigkeiten und Dehnfähigkeiten charakterisieren lassen. Angestrebt werden eine hohe Festigkeit und hohe Dehnung, beispielsweise durch elastische Dickschichtverklebungen. Üblich sind Dehnungen im Bereich von 20 % bis 30 %. Dünnere Schichten weisen tendenziell höhere Festigkeiten auf. Damit bestehen Möglichkeiten, die Eigenschaften der Klebeverbindungen den Anforderungen anzupassen.
Stahlteile werden in der Regel mit hohen Festigkeiten, Aluminium oder Faserwerkstoffe eher mit hoher Dehnung verarbeitet. Am Beispiel des BMWi3 lässt sich der Einsatz von Klebstoff mit hoher Festigkeit beim Fahrzeuggehäuse erkennen, während die Verbindung zwischen Fahrzeuggehäuse und Antriebsplattform die unterschiedlichen Teiletemperaturen und daraus resultierenden Ausdehnungen (Alu zu Faserkunststoff) aufnehmen kann. Im Bereich des Fahrzeugbaus müssen Klebstoffe beispielsweise auch die Lackierprozesse wie KTL oder Lackaushärten schadlos überstehen.
Individualisierte Klebeverbindungen
Sebastian Wagner befasst sich mit den verfügbaren Werkstoffpotenzialen von individualisierten Klebeverbindungen. Die Schwerpunkte der Arbeiten des NMI liegen im Bereich der Vorbehandlung oder Beschichtung der Teile, der Abklärung der Klebeeigenschaften oder der Prüfverfahren und Analytik von Klebeverbindungen. Dazu laufen unterschiedliche Forschungs- und Entwicklungsprojekte, von denen Sebastian Wagner drei vorstellte.
Für Sandwichstrukturen soll ein Konzept für lösbare Verbindungen entwickelt werden, wobei unter anderem punktförmige Verbindungselemente oder Verbindungspunkte zum Einsatz kommen sollen. Die Technologien sollen im Leichtbau Anwendung finden. Ein Ansatz geht von der Verwendung von metallischen Inserts aus, die in eine mit Schaum gefüllte Struktur eingeklebt werden. Geprüft wurden Klebstoffe auf Basis von Acrylat, PU oder Epoxid. Durch die Optimierung von allen anpassbaren Parametern (Klebstoff, Decklage, Geometrie) konnte die Festigkeit um bis das Dreifache erhöht werden.
In einem weiteren Projekt sollte die Krafteinleitung in schwingbelastete Verbundwerkstoffe erhöht werden. Dazu wurden lösbare und nicht lösbare Verbindungsmöglichkeiten untersucht, indem unter anderem elastische Lagen im Faserverbundwerkstoff eingebracht wurden. Für die lösbare Verbindung wurden Bohrlöcher durch aufgeklebte CFK-Rosetten verstärkt. Mit diesen Rosetten konnte die Verbindungsstärke um 75 % erhöht werden. Dazu wurde zudem ein automatisierter Herstellprozess entwickelt. Diese Prozessentwicklung führt nahezu zur Verdopplung der Verbindungsstärke.
Im dritten Projekt wurde ein biometrischer Klebstoff aus Lignin entwickelt, also auf einen nachwachsenden Rohstoff gesetzt. Dazu wurde auf Konzepte der Natur, beispielsweise den Haftstoff von Muscheln, zurückgegriffen.
Kupfer/Titan-Hochleistungsbarriereschichten für Pumpenmembranen
Die Abscheidung von superduktilen Kupfer/Titan-Hochleistungsbarriereschichten für PTFE-kaschierte Pumpenmembranen war das Thema von Ferdinand Stemick. Eine dafür herangezogene Galvanikschicht hat die Aufgabe, Oberflächendefekte auszugleichen und die Membran gegen das zu pumpende Medium zu schützen. Insbesondere Chlordioxid kann durch die PTFE-Schicht diffundieren und den Verbund zwischen dem PTFE und der EPDM-Basis schwächen, sodass die Schicht die Haftung verliert. Eine galvanische Kupferschicht lässt sich in einer ausreichenden Dicke abscheiden, allerdings muss für die PTFE-Oberfläche eine entsprechend vorbehandelte, aktivierte Oberfläche erzeugt werden. Dies kann durch Plasmaaktivierung mit Sauerstoff und PVD-Beschichtung mit Titan und Platin (PVD) sowie galvanisch aufgebrachtem Kupfer erreicht werden.
Eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit der Kupferschicht wird durch Auftragung einer Titanschicht mittels PVD-Technik geschaffen, wobei die PVD-Schichten einige Hundert Nanometer dick sind. Dabei steigt die Barrierewirkung mit der Schichtdicke, wobei eine Dicke von 3 µm ausreichend ist.
Wichtig ist die Abscheidung mit geringen Eigenspannungen, um die Haftung des Schichtsystems nicht zu schwächen. Durch die Optimierung des Kupferelektrolyten gelingt es, die Kupferschichten mit geringen Eigenspannungen zu erzeugen.
Derartige Beschichtungen lassen die Permeation um den Faktor 1000 (Kupferschicht 1 µm) sinken.
Beschichtung von PEEK-Implantaten
Im Rahmen eines ZIM-Projekts hat sich Dr.-Ing. Rene von Metzen mit Implantaten als Ersatz für Bandscheiben in der Wirbelsäule auseinandergesetzt. Solche Implantate müssen eine hohe mechanische Stabilität, Biokompatibilität und ein gutes Einwachsverhalten aufweisen und bildgebend sein.
Dafür kommen Titan und PEEK als Rohmaterial in Betracht. Das mechanische Charakterisitikum ist der E-Modul, der mit 4 GP deutlich unter dem von Knochen (20 GPa) liegt; Titan ist mit 100 GPa wesentlich härter. Deutlich besser geeignet ist faserverstärktes PEEK; Titan wäre aus Gründen des sehr positiven Einwachsverhaltens gut geeignet. Daraus entstand die Idee der Kombination aus faserverstärktem PEEK mit Titanoberfläche.
Das NMI übernahm bei dem dazu aufgelegten Gemeinschaftsprojekt die Entwicklung einer geeigneten Vorbehandlung und Beschichtung mit hoher Schichthaftung. Darüber hinaus ist es von Vorteil, eine bestimmte Oberflächenrauheit zu erzeugen, die das Einwachsen günstig gestaltet.
Eine geeignete Vorbehandlung besteht in einer definierten Aufrauung (5 µm), der Plasmareinigung und chemischen Modifikation (Sauerstoffplasma). Die Plasmaaktivierung mittels Argon verhindert dagegen eine gute Haftung des Titans.
Als Einstellparameter für die Herstellung der Schicht auf PEEK stehen die Kennwerte des Plasmaprozesses, wie Bias-Spannung, Sputterstromart oder die Anordnung des Grundkörpers in der Plasmakammer zur Verfügung. Neben der Optimierung des Beschichtungsprozesses ist es erforderlich, den Prozess durch Prüfwerte (Abzugstest) zu validieren (DIN EN ISO 4624, ASTM 1147). Hierbei hat es sich gezeigt, dass das Bruchbild beim Abzugstest sehr inhomogen ist. Die Schichthaftung liegt bei den strukturierten Proben (Realteil) deutlich unter dem Wert für glatte Oberflächen (circa 10 MPa beim Realteil im Vergleich zu 20 MPa bei glatter Oberfläche). Dies wird auf die strukturbedingte ungleichmäßige Dicke der Kleberschicht zurückgeführt, sodass durch eine weitere Optimierung die Haftung verbesserbar sein sollte.
Ein weiteres Kriterium ist die Zellverträglichkeit, also die Neigung von Zellen zum Anwachsen. Alle geprüften Oberflächen (mit und ohne Beschichtung) erwiesen sich diesbezüglich als unkritisch. Bezüglich der Rauheit zeigten die Prüfungen der Vitalität, Proliferation und Zelladhäsion keine Unterschiede zwischen Ra 0,2 µm und Ra 5 µm. Damit sind die ermittelte Beschichtungsfolge und Beschichtungsart für die Anwendung der Implantate geeignet.
Nicht brennbare Faserverbundwerkstoffe
Nicht brennbare Faserverbundwerkstoffe werden zum Einsatz als Brandschutzmaterial verwendet. Zur Verringerung des Gewichts wird heute in breitem Maße glasfaserverstärkter Kunststoff eingesetzt. Als ein entscheidender Nachteil gilt nach den Erfahrungen von Olaf Schmenkel die leichte Brennbarkeit des Werkstoffs. Ein neuer Faserverbundwerkstoff ist nicht brennbar und muss hitzebeständig bis 1000 °C beziehungsweise bei Dauerbelastung in Form von Gewebe bis 600 °C sein. Vor allem bilden sich bei Hitze keine Rauchgase und vor allem findet kein Abtropfen des Kunststoffs statt.
Hergestellt wird der Werkstoff aus einem Glasgewebe und einer Laminiermatrix aus Bindemittel und Feststoff. Das Produkt hat ein Flächengewicht von 2,9 kg/m2 und eine Dicke von 1,6 mm; es ist beständig gegen Wasser und Wasserdampf, geruchlos, vibrationsbeständig, thermoschockbeständig und frei von gefährlichen Inhaltsstoffen. Der Faserverbundwerkstoff erfüllt die Anforderungen der Baustoffklasse A1 sowie die Langzeitbeständigkeit.
Anwendung findet das Material zum Beispiel für ausgefallene Teile (Möbel, Einrichtungen) in Gebäuden mit erhöhten Brandschutzforderungen (z. B. Flughafen). Das NMI befasst sich in Zusammenarbeit mit dem Hersteller mit der Eignung der Werkstoffe für Klebeverbindungen.
- www.nmi.de