El tradicional evento V2021 sobre tecnología de plasma y vacío para el acabado de superficies tuvo lugar del 12 al 14 de octubre de 2021 en el Centro Internacional de Congresos de Dresde con 370 participantes. Organizado por la Asociación Europea de Investigación de Películas Finas (EFDS), los sectores de la energía, la biología y la medicina, la óptica, así como las herramientas y los componentes desempeñaron un papel en los talleres.
La transición energética a través de las películas finas
La transición energética sigue avanzando tanto en Alemania como en el resto del mundo. Aún quedan muchas cuestiones por resolver. Los sistemas energéticos modernos desempeñan un papel decisivo en la configuración de nuestro futuro de forma ecológicamente sostenible: en la utilización de energías renovables, en la conversión y el almacenamiento de energía y en la reducción de la pérdida de calor. Las capas finas y los sistemas de capas desempeñan un papel clave a la hora de determinar el rendimiento y el precio. Esto requiere un diseño optimizado del material de los sistemas de capas combinado con una tecnología de procesos perfectamente adaptada. Diferentes estrategias y tecnologías compiten entre sí y deben imponerse en el mercado para conseguir los aumentos de eficiencia y el ahorro de costes necesarios.
Siemens Energy construyó en 2018 la mayor célula de electrólisis PEM (membrana de intercambio protónico) del mundo para la producción de hidrógeno. La planta funciona con electricidad procedente de fuentes renovables, como la eólica o la solar. En 24 módulos, se pueden producir 335 kilogramos de hidrógeno verde por hora con un consumo máximo de energía de 17,5 MW. Sin embargo, este hidrógeno sigue siendo muy caro, como informó Yashar Musayev, de Siemens Energy Global GmbH & Co KG.
Gerrit Jan van der Kolk (Ionbond AG, Países Bajos) presentó diversos revestimientos para placas bipolares de pilas de combustible PEM utilizadas en automóviles. El objetivo de vida útil de las pilas de combustible de los automóviles es de 10.000 horas. Se investigaron varios métodos de dopaje en placas de titanio. El dopaje con oro y platino proporcionó una buena protección contra la corrosión. Las capas de carbono fueron también las más estables desde el punto de vista mecánico.
Fabian Bergenthun, del Zentrum für Brennstoffzellen Technik GmbH, también habló de diversos recubrimientos para pilas de combustible metálicas. Las placas bipolares metálicas son más finas que las de grafito y tienen buenas propiedades mecánicas. Sin embargo, se necesitan revestimientos para evitar la corrosión.
Las barreras en las partículas catódicas permiten alargar la vida útil de las baterías de iones de litio. Los OLED y las células solares también se protegen con barreras para impedir la penetración lateral del vapor de agua por permeación y proteger los componentes de la corrosión. Los ALD (espaciales) son ideales para las barreras, como resumió Hannes Klumbies, de FHR Anlagentechnik GmbH. La deposición de capas atómicas (ALD) se utiliza para la deposición de formas superficiales sin sombreado a una temperatura de 80 a 100 grados Celsius, lo que permite recubrimientos con Al2O3, TiO2, ZnO o SiO2. El ALD espacial permite una alta productividad, pero es costoso.
La aceptación de los coches eléctricos depende de la autonomía y la capacidad de carga rápida de las baterías. Con 5 minutos de carga debería alcanzarse el 80 % de la capacidad. Cuando se utilizan ánodos de grafito con Si, el litio se distribuye bien en el ánodo, pero ya se produce una pérdida de capacidad de hasta el 40% en el primer ciclo de descarga o carga. El proceso de recubrimiento al vacío del litio evita la pérdida de capacidad, según informó Daniel Stock, de Applied Materials WEB Coating GmbH.
Aunque las células solares en tándem de silicio de perovskita tienen la mejor eficiencia, del 29,5%, aún no pueden fabricarse industrialmente. Daniel Amkreutz, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH, subrayó que esto sólo será posible dentro de unos 5 o 6 años. Ya se han desarrollado células solares triples con una eficiencia aún mayor.
La fotovoltaica orgánica procesada al vacío permite producir electricidad de forma respetuosa con el medio ambiente. Karsten Walzer, de Heliatek GmbH, describió la secuencia del proceso y muchos ejemplos de aplicación. Las láminas solares orgánicas pueden aplicarse a fachadas lisas y superficies curvas, como las torres de los aerogeneradores, porque son flexibles, ultrafinas y ligeras. Además, pueden reequiparse fácilmente.
La energía necesaria para refrigerar los edificios no ha dejado de aumentar en los últimos años, y una de las razones son las enormes fachadas acristaladas. Se puede ahorrar energía con una protección solar eficaz en las ventanas. Alexander Kraft, de ChromoGenics AB (Suecia), presentó el vidrio electrocrómico como tecnología de ahorro energético para la envolvente de los edificios. Se aplica una película electrocrómica entre los cristales de las ventanas. La película se colorea mediante control electrónico. Hasta ahora, todas las ventanas tenían que cablearse individualmente, lo que lleva mucho tiempo y es caro, pero pronto habrá cristales dinámicos sin cables.
Jolanta Szelwicka, del Instituto Fraunhofer de Electrónica Orgánica, Tecnología de Haz de Electrones y Plasma FEP, presentó los recubrimientos termocrómicos a base de VO2 sobre vidrio ultrafino para el ahorro inteligente de energía en edificios con una elevada proporción de ventanas y fachadas acristaladas. Los recubrimientos termocrómicos se aplican a vidrios finos mediante un proceso de rodillo a rodillo. Las propiedades ópticas de las capas termocrómicas cambian en función de la temperatura.
Materiales en contacto con hidrógeno
La ponencia principal de este año, a cargo de Christian Elsässer, del Instituto Fraunhofer de Mecánica de Materiales IWM, se centró en el tema "El hidrógeno como elemento clave para la transición energética". El hidrógeno "verde" se produce por electrólisis. La producción, distribución y utilización del hidrógeno plantean grandes exigencias a los materiales. Esto se debe a que el hidrógeno molecular o atómico puede penetrar en los materiales y provocar cambios mecánicos o químicos que, a su vez, pueden provocar el fallo de los componentes. En la conferencia se presentaron métodos experimentales para medir y comprobar el comportamiento mecánico de los materiales en contacto con el hidrógeno. El ponente también habló de modelos teóricos y simulaciones por ordenador de la física y la mecánica de los materiales.
Capas y superficies finas para herramientas y componentes
Exposición industrial con vistas al Elba. 68 empresas, 5 institutos de investigación y 2 asociaciones se presentaron aquíLas superficies funcionalesdeterminan las propiedades de uso, la vida útil y la funcionalidad de los componentes en muchos ámbitos del desarrollo de productos, es decir, el rendimiento y, por tanto, el valor para el usuario. El uso de tecnologías del campo de la tecnología de superficies industriales permite refinar las superficies hasta tal punto que se crea un importante valor añadido.
La aplicación de recubrimientos de carbono amorfo tetraédrico (material ta-C) a las cadenas de las motos reduce el coeficiente de fricción de aprox. 0,7 a aprox. 0,1 en los rodillos de la cadena (al piñón de la cadena y a la rueda) y en los manguitos (al interior de los rodillos), reduciendo así el desgaste hasta tal punto que ya no es necesario volver a tensar las cadenas de las motos, como dijo Franz-Josef Wetzel, de BMW Group Motorrad.
La resistencia a la temperatura de las capas de carbono diamante puede aumentarse mediante el dopaje variable con silicio. Julia Wöckel, de Robert Bosch Manufacturing Solutions GmbH, explicó el tema con el ejemplo de componentes de inyectores recubiertos con capas de protección contra el desgaste que contienen carbono, las llamadas capas de "carbono diamante" (DLC o a-C:H). Se ha desarrollado un recubrimiento a-C:H:Si que cumple el requisito de una mayor resistencia térmica con la misma protección contra el desgaste. Aún no se ha probado la resistencia a los aceites.
Ricardo Brugnara, Schaeffler Technologies AG & Co KG, presentó estudios sobre la optimización de la eficacia tribológica de componentes de rodamientos con recubrimientos de ta-C modificados. Se analizaron diferentes elementos de dopaje en el tribocontacto lubricado. Además de analizar las propiedades mecánicas y topológicas, se compararon los distintos sistemas de recubrimiento de ta-C dopados con un recubrimiento de ta-C no dopado. Se demostró que el elemento dopante tiene una influencia significativa en la rugosidad.
Con HiPIMS (pulso de alta energía por pulverización de magnetrón), se ha logrado un innovador salto adelante. La estructura densa y de grano fino de los recubrimientos HiPIMS (12 µm) no sólo presenta tenacidad, sino también dureza y resistencia al desgaste, como subrayó Christoph Schiffers, de CemeCon AG. Los revestimientos pueden adaptarse con precisión a la geometría de la herramienta mediante los parámetros de pulsación. Por ejemplo, se produjeron recubrimientos superduros de TiAlSiN en microherramientas con el mayor contenido de Si para tecnología médica.
Daniel Barnholt, de voestalpine eifeler Vacotec GmbH, presentó una innovadora protección antidesgaste para mecanizado, tallado de engranajes y conformado. Los materiales de alta aleación, resistentes al calor o a la corrosión, plantean grandes exigencias al mecanizado y el conformado. Los recubrimientos PVD (deposición física de vapor) a base de AlCrN son muy adecuados para las herramientas, ya que tienen una excelente resistencia a la oxidación, a la abrasión y al desgaste por deslizamiento. Para mejorar la adherencia, el recubrimiento se aplica en una mezcla gaseosa de argón y nitrógeno, por lo que no sólo se utiliza AlCrN, sino también AlTiN.
Tim Krülle, TU Dresden, habló de los conceptos de revestimiento PVD para los retos del mañana. Los recubrimientos duros de PVD llevan décadas protegiendo las herramientas del desgaste y desempeñan un papel clave en la determinación de sus características de rendimiento. A este respecto, son cruciales una elevada dureza y resistencia térmica del revestimiento. El crecimiento del recubrimiento puede verse influido por los parámetros de proceso adecuados y ahora es posible producir bordes afilados. También puede adaptarse la composición química (por ejemplo, AlCrSiN/TiN).
Inteligencia artificial
La digitalización ha avanzado rápidamente en el último año. Klaus Böbel, de Robert Bosch Manufacturing Solutions GmbH, presentó la fabricación totalmente en red - producción inteligente para procesos de superficies. La conexión en red ofrece grandes oportunidades en la técnica de superficies para optimizar la calidad y aumentar la productividad. Es necesario tener en cuenta toda la cadena de producción. Las instalaciones de producción inteligentes hacen que la producción sea "inteligente". Gracias a la correlación de datos de producción, hoy en día ya se dispone de puntos de partida para la optimización. Por ejemplo, se pueden analizar factores ambientales relevantes como la temperatura, la humedad, la carga de partículas o el estado de inspección del sistema de recubrimiento y establecer la correlación con la calidad alcanzada. La productividad puede aumentarse mediante una planificación inteligente de la producción, que tenga en cuenta la entrada de mercancías, la planificación de las entregas, la utilización del personal, los tiempos de procesamiento y el seguimiento en línea. El uso de la inteligencia artificial requiere datos de alta calidad.
El simposio y la exposición industrial reunieron a empleados de institutos de investigación, proveedores de metales y materiales de alto rendimiento, fabricantes de sistemas industriales de revestimiento al vacío y fabricantes de componentes. Se presentaron las tendencias actuales y los resultados más recientes. En un taller se realizaron demostraciones prácticas de los sistemas de von Ardenne GmbH en Dresde. La oportunidad de conocerse e intercambiar ideas en persona en un evento presencial garantizó un intenso intercambio de experiencias y fue muy bien acogida por los participantes.
