Clevere Oberflächen für mehr Effizienz 1

Serie: Effizienzfabrik – ‚Forschung für die Produktion von morgen‘, Teil 3

LANDSBERG (BUC). Der Einsatz von Edelmetallen in der Oberflächenbeschichtung von Mikro-Brennstoffzellen deutlich verringern und eine Massenproduktion möglich machen, das ist das Ziel des Projektes ‚LOKEDEL‘. Bisher werden Mikrobrennstoffzellen vor Innenkorrosion mit einer Beschichtung aus Gold und anderen Edelmetallen geschützt. Gold bietet einen guten Kontaktwiderstand und ermöglicht einen langzeitigen Betrieb dieser Brennstoffzellen. Aber Gold ist teuer und kommt aus diesem Grund für die Massenproduktion nicht in Frage.

Im Projekt LOKEDEL werden funktionale Oberflächen entwickelt, die eine bessere Nutzung des eingesetzten Materials ermöglichen. Dafür müssen Grund- und Schichtmaterialien und die Herstellungsverfahren lokaler Beschichtungen und Degradationsprozesse untersucht werden. Zudem erarbeiten die Projektpartner Konzepte für die Massenproduktion. Ergänzend zu der bereits entwickelten hochproduktiven Rolle-zu-Rolle-Montage von Brennstoffzellen wird eine massenfertigungstaugliche Rollenproduktion der Substrate und ganzflächigen sowie lokalen Oberflächenverdelungsverfahren für Korrosionsschutz- und Kontaktschichten entwickelt. Diese LOKEDEL-Technologien können auf die Fertigung anderer Bauteile, etwa aus der Sensor-, Polymer- und Medizintechnik, übertragen werden.

Das Anwendungsspektrum von Aluminium im Fahrzeugbau durch eine entsprechende Oberflächenbehandlug stark zu erweitern, ist Ziel des Projektes ‚ODPat‘. Beispielsweise besitzen in Verbrennungsmotoren Leichtbau-Kolbensysteme aus Aluminium eine Schlüsselfunktion für die Einsparung von Kraftstoffen. Jedoch hat Aluminium den Nachteil, dass es sich bei hohen Belastungen verformt sowie für verschleiß- und reibungsminimierende Beschichtungen wie etwa Diamond-Like-Carbon (DLC) eine unzureichende Stützfunktion aufweist.

Im Rahmen des Projektes soll eine Duplex-Plasmatechnologie entstehen. Diese verknüpft die Verfahrensschritte Härten durch Plasmadiffusion, Wärmebehandlung und Plasma-CVD-Beschichtung. Sie wird derzeit in einer Demonstrationsanlage getestet. Letztendlich soll es möglich werden, auf einer bis zu 100 μm starken Aluminiumnitritschicht eine DLC-Schicht von etwa 10 μm zu erzeugen. Es ist geplant, das Verfahren auf Kolben und Liner von Verbrennungsmotoren sowie Komponenten von Verdrängerpumpen anzuwenden. Die Technologie hat das Potenzial für einen breiten Einsatz in vielen Bereichen des Leichtbaus, insbesondere bei hochbelasteten und verschleißbeanspruchten Komponenten. Durch funktionale Oberflächenstrukturierungen lassen sich Reibungs- und Verschleißverluste von tribo-mechanisch hoch beanspruchten Bauteilen reduzieren. Im Projekt ‚Smartsurf‘ soll dazu eine hochpräzise Prozessmaschinentechnik auf Basis von Ultrakurzpulslasern entstehen, die Strömungs- und Benetzungseigenschaften verbessert sowie Reibung und Verschleiß von Bauteilen minimiert. Zunächst entwickeln die Beteiligten einen Geometriekatalog für topografische Mikrostrukturen. Daran schließt sich der Aufbau der Maschinentechnik an, die eine komplexe Streulichtsensorik zur berührungslosen Oberflächencharakterisierung enthält.Ein wesentliches Ziel ist die Verbesserung der Abtragsqualität zur Erzeugung von funktionalen Mikro- und Nanostrukturen auf komplexen 3D-Bauteilstrukturen.

Das Motto des Projekts "Smartsurf": Mit Effizienz profilieren...und Reibungs- und Verschleißverluste nachhaltig minimieren.

Der Ultrakurzpulslaser kann dabei eine Scangeschwindigkeit von 100 Quadratzentimeter pro Minute erreichen. Die gesamte Prozesskette wird abschließend unter Produktionsbedingungen evaluiert. Am Beispiel von Motorzylindern, Zylinderlaufbuchsen, Kolbenringen sowie Hydraulikkomponenten und Ventilen werden die durch die Oberflächenstruktur veränderten Eigenschaften hinsichtlich Reibung und Verschleiß getestet. Die Ergebnisse können neben der Automobilindustrie und dem Maschinen- und Anlagenbau auch in der Optik, Haptik und Fluidik angewendet werden.