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21. Workshop des Anwenderkreises Atmosphärendruckplasma

Innovative Plasmaanwendungen zur Haftungsverbesserung, organisiert in Zusammenarbeit mit der Hessen Trade & Invest GmbH

Eine gute Haftung ist die Grundlage aller Kleb- und Lackierprozesse und einer Vielzahl weiterer Verbundtechnologien. Die Haftung hängt dabei von den verwendeten Materialien und dem Verhältnis der Oberflächenenergien der zu verbindenden Materialien und Stoffe ab. Atmosphärische Plasmen haben hier in den letzten Jahren ihr technologisches und ökologisches Potenzial bewiesen.

Die Reinheit der Oberfläche ist in der Fertigung meist von entscheidender Bedeutung, wenn es um die Qualität der Produkte geht. Haftfestigkeit und Fehlerfreiheit von Beschichtungen hängen maßgeblich von der vor dem Beschichtungsprozess durchgeführten Reinigung ab. Auf dem Markt existieren hierzu zahlreiche etablierte Verfahren, die jedoch dort an ihre Grenzen stoßen, wo es darum geht, Oberflächen restlos von organischen Rückständen zu befreien. Gerade die bei konventionellen Verfahren verbleibenden organischen Reste, wie die der eingesetzten Detergenzien, bilden einen dünnen, monomolekularen Film, welcher zwischen dem Substrat und der Beschichtung verbleibt und somit die Haftung verschlechtert.

In this column, I want suggest how cleaning and pre-treatment of metal and plastic parts will be done in a future beyond the horizon. I will describe a specific type of future metal finishing – surface modification to produce superhydrophobicity (SH). I believe superhydrophobicity will be a new type of metal finish. This outcome, produced in many ways for a like number of purposes, will become a dominant characteristic of products manufactured by the next generation of metal finishing operators. The two conferences Tenth International Symposium on Particles on Surfaces – Detection, Adhesion and Removal and Fifth International Symposium on Contact Angle – Wetability and Adhesion in June in Toronto – both directed by a well-known scientist in technology associated with surfaces Dr. K. L. Mittal - present many papers about superhydrophobicity, and others alluded to it. Superhydrophobicity is technology du jour. // 

Der vorliegende Beitrag befasst sich damit, wie die Reinigung und Vorbehandlung von Metallen in ferner Zukunft vor sich gehen könnte. Hierzu wird eine besondere Variante der Oberflächentechnik vorgestellt – die Methode zur Erzeugung der Superhydrophobie (SH). Es liegt nahe, die Superhydrophobie als neue Oberflächentechnik anzusehen. Diese an zahlreichen Beispielen aufgezeigte Möglichkeit wird eine tragende Säule der Oberflächenbehandlung bei zukünftigen Produkten werden. Die beiden Tagungen 10. Internationales Symposium über Partikel auf Oberflächen – Bestimmung, Haftung und Entfernung und 5. Internationales Symposium über Kontaktwinkel – Benetzung und Adhäsion in Toronto im Juni – beides unter der Schirmherrschaft des bekannten Oberflächentechnikers Dr. K. L. Mittal – stellten zahlreiche Beiträge zur Superhydrophobie und verwandten Themen vor. Superhydrophobie ist demnach hochaktuell.

Mit Hochdruck wird schon seit einigen Jahren am Chrom(VI)ersatz gearbeitet, da ab 2006 beziehungsweise 2007 kein Chrom(VI) mehr für Elektro-, Elektronik- oder Automobilteile verwendet werden darf. Für den Bereich der Verzinkung mit anschließender Passivierung wurde eine entsprechende Lösung gefunden. Die dreiwertige Dickschichtpassivierung erfüllt die Anforderungen der bisherigen Gelbchromatierung. Doch wie sieht es mit einem Ersatz von Chrom(VI) für die Aluminiumchromatierung aus? Ersatzstoffe der unterschiedlichsten Art wurden bereits getestet, doch meist waren Korrosionsschutz und teilweise auch Lackhaftung nicht annähernd so gut wie bei der chrom(VI)haltigen Chromatierung. Im Folgenden wird eine echte 1:1 Alternative zur sechswertigen Gelbchromatierung auf Aluminium vorgestellt.

SurTec 522 mit nanoskaligem Siliciumdioxid schützt Schrauben

Bei den Top-Coats bringt eine Neuentwicklung der Firma SurTec die größten Vorteile gleich im Dreier- pack. Die Beschichtung mit dem organischen Polymerfilm SurTec 522 mit Siliciumdioxid garantiert einfache Einstellbarkeit auf die Reibungszahl, hohen Korrosionsschutz und leichtes Abreinigen. Damit zeichnet sich dieses Produkt für Schrauben mit hohen Anforderungen aus. SurTec 522 ist eine wässrige Gleitbeschichtung (Polyethylendispersion) zum Auftragen auf metallische, dickschichtpassivierte Oberflächen, auch direkt in der Trommel. Sie bildet einen gleichmäßigen, farblosen, glänzenden Film, verringert die Reibungszahl der Oberfläche auf 0,10 bis 0,12 µ und verbessert deutlich den Korrosionsschutz. Die Beschichtung zeichnet sich durch eine exzellente Haftung aus. Für Schraubverbindungen fordert der Verband der Automobilindustrie eine Gesamtreibungszahl zwischen 0,09 und 0,14 µ (Prüfblatt VDA 235-101). Eine dickschichtpassivierte Oberfläche liegt jedoch üblicherweise in einem deutlich höheren Bereich (0,20 bis 0,28 µ).

Bericht zum 9. TAW-DFO-Gesprächskreis Bergisch Land in Wuppertal am 7. Dezember 2009

Die neunte Ausgabe des TAW-DFO-Gesprächskreises wurde von dem TAW-Kompetenzzentrum Farbe und Lacke veranstaltet, deren Träger die Technische Akademie Wuppertal (TAW) ist. Als Kooperationspartner leisten die Deutsche Forschungsgesellschaft für Oberflächenbehandlung (DFO), die Hochschule Niederrhein, das Fraunhofer IPA, die Evonik Tego Chemie GmbH und die BASF ihre Beiträge, um Weiterbildung, aber auch eine Plattform und ein Diskussionsforum zu einer Vielzahl von fachspezifischen Themen aus dem Bereich Farben und Lacken zu bieten. Der neunte Gesprächskreis befasste sich mit der Haftung aus juristischer Sicht und Fehlern im Beschichtungsprozess.

Die Einlagerung von Partikeln in eine Metallschicht ist eine der Möglichkeiten zur Modifizierung der Eigenschaften galvanischer Beschichtungen. Mit zunehmenden An­forderungen an die Schichteigenschaften hat diese Methode ständig an Bedeutung gewon­nen. Neben der klassischen Bildung von Nickeldispersionsschichten mit Mikropartikeln zum Verschleißschutz, hat in letzter Zeit besonders die Einlagerung von Nanoteilchen Interesse gefunden [1]. Auch in galvanischen Zinkschichten können Metalloxide eingelagert werden, zunächst mit der Absicht eine Verbes­serung der Haftung späterer Lackierungen zu erreichen [2]. Aber trotz praktischer Erfahrun­gen mit einer Vielzahl von Metallen, ist der Mechanismus der Einlagerung noch nicht voll verstanden. Eine Diskussion der offenen Fragen scheint daher angebracht.

Bericht über das 12. Leipziger Fachseminar der DGO-Bezirksgruppen Sachsen und Thüringen

Am 17. März 2005 fand das von den DGO-Bezirksgruppen Sachsen und Thüringen organisierte 12. Leipziger Fachseminar im Treff Hotel Leipzig statt. Eröffnet wurde das Programm mit dem Plenarvortrag Korrosionsschutzprüfungen – eine kritische Betrachtung. Die folgenden Vorträge befassten sich mit der Teilereinigung in wässrigen Elektrolyten und der Prozessgröße Oberflächenspannung zur Badüberwachung bei der Teilereinigung und galvanischen Metallabscheidung. In einem weiteren Vortrag wurde über Zink-Legierungen, Eigenschaften und Anwendungen, berichtet. Zur Nachbehandlung moderner Korrosionsschutzschichten wurde eine technologische Verfahrensweise und zur Gewährleistung der Prozesssicherheit wurden Analysensysteme in der Oberflächentechnik vorgestellt. Den Abschluss bildeten Ausführungen zur zivilrecht- lichen Haftung für Umweltschäden.

Schon geringe Mengen an Verunreinigungen können bei Beschichtungen zu Haftungsproblemen und optischen Beeinträchtigungen führen. Daher ist die Kernaufgabe der Bauteilreinigung und Vorbehandlung die erforderliche Reinheit und Oberflächenfunktionalisierung für die nachfolgenden Prozesse herzustellen. Dieser Behandlungsschritt beeinflusst nicht nur die Qualität, sondern auch die Kosten der Produktion entscheidend. Zu den wichtigsten Anforderungen in der industriel- len Teilereinigung zählen die stabile Bauteilsauberheit und hohe Wirtschaftlichkeit. Somit ist eine qualitätssichernde Prozessführung in der Bauteilvorbehandlung eine wesentliche Voraussetzung für qualitativ hochwertige und haltbare Beschichtungen. Die Bauteilvorbehandlung kann mit unterschied- lichen Prozessen durchgeführt werden. Eine Methode hierfür ist die Reinigung und Aktivierung mittels Niederdruckplasma. // 

In the realm of surface coating already small amounts of impurities can lead to adhesion problems and optical impairment. The core task in component cleaning and pre-treatment therefore is to establish the necessary cleanliness and surface functionality for all subsequent processes. This process step decisively impacts not only the quality but also the cost of production. Among the most important requirements in industrial component cleaning are stable component cleanliness and high efficiency. Thus an appropriate process management assuring the quality level of component pre-treatment is a major condition for high-quality, durable coatings. Component pre-treatment may be carried out using different processes. One method is cleaning and activation via low pressure plasma.

Der Schutz von Oberflächen gegen äußere Einwirkungen wie Verschleiß und Korrosion sowie funktionale sensorische und optische Eigenschaften von Oberflächen gewinnen in jüngster Zeit zunehmend an Bedeutung. Vor allem Beschichtungen mit Dicken im Nanometer- bis Mikrometerbereich zeigen ein bisher unbekanntes Eigenschaftspotenzial für innovative Anwendungen von der Weltraumtechnik über die Medizintechnik und den Rennsport bis zum Maschinen- und Werkzeugbau. Derartige Schichtsysteme erfordern neue Herstelltechnologien, wie die Pulsed Laser Deposition (PLD), ein Verfahren aus der Gruppe der physikalischen Gasphasen-Beschichtungsverfahren (Physical Vapour Deposition, PVD), das als industrielles Beschichtungsverfahren am Laserzentrum Leoben der Joanneum Research Forschungsgesellschaft mbH (Österreich) entwickelt wurde. Durch Integration der Magnetron-Kathodenzerstäubung (Sputtern) und der Ionenstrahlbeschichtung konnte ein Hybrid-Beschichtungsprozess (HybridPLD) verwirklicht werden, dessen Anwendung die optimale Schichthaftung von bei Raumtemperatur mittels PLD abgeschiedenen Schichten erstmals auch für gesputterte Schichten erreichen lässt. Dadurch wird eine haftfeste, großflächige Hochratebeschichtung von Metallen und Kunststoffen bei Raumtemperatur möglich.

Am 21. April 2004 ist die Richtlinie EU-RL 2004/35/EG Umwelthaftung zur Vermeidung und Sanierung von Umweltschäden in Kraft getreten, die bis zum 30. April 2007 in nationales Recht umgesetzt werden soll. Damit erlässt die EU erstmals eine umfassende Haftungsregelung für Umweltschäden. Insbesondere führt sie die Haftung für Schäden an der biologischen Vielfalt ein, die bislang kein Mitgliedstaat vorgesehen hat. Das ist ein bedeutender Schritt nach vorn. Hierzu sind zwar noch fast zwei Jahre Zeit, die Richtlinie wirft aber in der jetzigen Fassung jede Menge Fragen auf.

Am MPI für Eisenforschung werden Plasmapolymerschichten sowohl für den Korrosionsschutz und die Haftungsvermittlung als auch für die Einstellung der Benetzbarkeit von Stahlbandoberflächen entwickelt. Die Korrelation von chemischer Zusammensetzung und Morphologie mit den Schichteigenschaften steht dabei im Vordergrund der Untersuchungen. Auf Basis siliziumorganischer Monomere wurden Schichten für verzinkten Stahl ent- wickelt, die an der Grenzfläche zwischen metallischem Überzug und organischer Beschichtung für einen sehr guten Korrosionsschutz sorgen. Morphologie und chemische Struktur der Schichten wurden durch Messung der elektrochemischen Impedanz mit ihren Barriereeigenschaften korreliert. In Korrosionsprüfungen zeigt sich, dass das hohe technische Niveau des Korrosionsschutzes mit Standardverfahren wie Phosphatierung und Chromatpassivierung durch die wenige zehn Nanometer dicken Plasmapolymere erreicht werden kann. Bereits korrosionsgeschützte Metalloberflächen wurden mit spezifisch rauen Plasmapolymeren beschichtet, um ultrahydrophobe Oberflächen herzustellen. Dazu wurden neben siliziumorganischen Monomeren auch fluorierte Monomere erfolgreich eingesetzt. Die Resultate zeigen, dass mittels der Plasmapolymerisation ein effektives Schichtdesign für Metallbleche durchgeführt werden kann.

Durch Umwelteinwirkung verursachte Schäden

Als Umweltschäden werden im vorliegenden Zu- sammenhang durch Umwelteinwirkung verursachte Schäden verstanden. Nach der Begriffsbestimmung in § 3 Abs. 1 Umwelthaftungsgesetz (UmweltHG) setzt dies voraus, dass ein Schaden durch Stoffe, Erschütterungen, Geräusche, Druck, Strahlen, Gase, Dämpfe, Wärme oder sonstige Erscheinungen verursacht wird, die sich in Boden, Luft oder Wasser ausgebreitet haben. Charakteristisch ist demnach die Entstehung des Schadens über die Umwelt- medien Boden, Luft oder Wasser. Solche Schäden können als Personen-, Sach- und Vermögensschäden auftreten, oder als allgemeine ökologische Schäden (Artenrückgang, Klimaveränderung u. a.). Voraussetzung für die Geltendmachung zivilrechtlicher Ansprüche ist jeweils die Zurechenbarkeit des Schadens zu einem individualisierbaren Schädiger [1]. Diese ist etwa bei so ge- nannten Summations- und Distanzschäden, die auf ununterscheidbar vermischten Emissionsbeiträgen beruhen und in großer Entfernung von den Emis- sionsquellen auftreten, oder bei allgemeinen ökologischen Schäden nicht gegeben [2].

Räumlich spritzgegossene Schaltungsträger (3D-MIDs, 3D-moulded interconnect devices) werden zukünftig in der Lage sein, herkömmliche zweidimensionale Leiterplatten sinnvoll zu ergänzen. Das LPKF-LDS- Verfahren (Laser-Direkt-Strukturierung) geht von dotierten Kunststoffen aus, die nach der Laserstrukturierung einen additiven Leiterbahnaufbau durch stromlose Metallisierung ermöglichen. Die Grundidee dieser Technologie besteht darin, dass bei Einwirkung der Laserstrahlung spezielle metallorganische Substanzen im Kunststoff aktiviert werden und eine nachfolgende stromlose Metallisierung ermöglichen. Bei der Laserstrukturierung wird gleichzeitig die erforderliche Oberflächenstruktur an der Grenzfläche Kunststoff - Metall erzeugt, die für eine hohe Haftung (> 8 N/cm) verantwortlich ist. Es wird über die dotierten, laseraktivierbaren Kunststoffe berichtet, auf die Laser- und Verfahrensparameter bei der stromlosen Metallisierung eingegangen und die praktische Anwendung am Beispiel eines teilaromatischen, hochtemperaturbeständigen Polyamids (PA6/6T) gezeigt. Messungen der Haftfestigkeit am Kunststoff-Metallverbund und Veränderungen der Oberflächenenergie nach der Laserstrukturierung werden vorgestellt.

Zur Inbetriebnahme einer Egaclean Anlage bei der Firma Ionbond

Kohlenwasserstoffe – A3 Lösemittel (nicht chloriert) – entfetten ausgezeichnet. Die wässerige Reinigung löst Salze und andere polare Verunreinigungen. Nur beides kombiniert kann eine einwandfreie Reinigung gewährleisten. Deshalb hat sich die Firma Ionbond entschieden, diese Technologie vor der PVD und CVD Abscheidung einzusetzen.

Feinstreinigung

Ionbond (Olten) gehört zu den führenden Unternehmen im Bereich der CVD- und PVD-Beschichtung. Um die Haftung der harten Schicht sicherzustellen, ist die Oberflächenreinheit der Teile vor der Schichtabscheidung von größter Bedeutung. Bis zirka 1991 wurde bei Ionbond wässerig, anschließend mit R113 gereinigt und am Schluss getrocknet. Nach dem Verbot des R113 wurden die An- lagen umgebaut. Im vorliegenden Fall wurde eine Anlage mit wässeriger Reinigung und anschließender Isopropanol-Trocknung verwendet.

In Maschinenbau, Elektrotechnik und Medizintechnik spielen Diamant- und diamantartige Schichten aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften (z. B. Härte, Verschleißbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit, chemische Beständigkeit, Biokompatibilität) eine zunehmend wichtige Rolle. Infolge des verschärften Produkthaftungsgesetzes muss die Qualität der Schichten im Einsatz dauerhaft gewährleistet werden, um die Produktsicherheit des Schichtverbundsystems während des gesamten Produktlebenszyklus sicherzustellen und den Beschichter vor finanziellen Risiken aus Haftungsansprüchen zu schützen. Die Schichtdicke zählt zu den wichtigsten Parametern einer dünnen Schicht und beeinflusst in der Regel die wesentlichen Funktionseigenschaften und damit die Produktqualität. Es sind daher etliche Verfahren der Schichtdickenmessung, je nach technischer Anwendung, entwickelt und in Normen detailliert spezifiziert worden (Tab. 1).

Elektrolytische Entfettung

Frage: Wir vernickeln Teile, die beim Gebrauch auf Vibration beansprucht werden und daher eine besonders gute Haftung der Nickelschicht erfordern. Ein Problem, das uns aus bestimmten Gründen derzeit besonders beschäftigt, ist der Einfluss der elektrolytischen Entfettung auf die Haftung: also die Teile kathodisch oder anodisch schalten, was bringt Umpolung, welches ist die optimale Temperatur usw.?

Einführung

Biologisch zählt Magnesium zu den wichtigsten Elementen, die für Menschen, Tiere und Pflanzen unbedingt notwendig sind. Magnesium, ein silbrigweiß-glänzendes Metall, zeigt eine große Affinität zu Nichtmetallen wie Sauerstoff und Chlor und überzieht sich an Luft mit einer grauen passivierenden Oxidschicht, die es vor weiteren Reaktionen schützt [1]. Von kaltem Wasser wird Magnesium nur langsam, von heißem Wasser deutlich schneller angegriffen. Mit Säuren reagiert Magnesium sehr heftig unter Freisetzung von Wasserstoff und Bildung der entsprechenden Salze. Von Laugen wird Magnesium hingegen nicht angegriffen. Mit einer Dichte von 1,74 liegt Magnesium deutlich unter der Dichte des schon leichten Aluminiums (d = 2,7 g/cm3 ) und gehört somit zur Gruppe der Leichtmetalle (Dichte < 4,5 g/cm3). Die geringe Dichte und eine ökologische Unbedenklichkeit sind die herausragenden Eigenschaften, die den verstärkten Einsatz von Magnesium als Konstruktionswerkstoff fördern. Die oben genannte Reaktionsfähigkeit von Magnesium resultiert aus dem unedlen Charakter des Metalls, der sich in der Stellung des Magnesiums in der elektrochemischen Spannungsreihe widerspiegelt (Tab. 1).

Optimale Haftung von Geckos und Insekten beruht auf Formoptimierung und Größenreduzierung der Haftkontakte, berichten Stuttgarter Max-Planck-Forscher. Die Haftstrukturen an den Füßen von Geckos und vielen Insekten bestehen aus nur wenige hundert Nanometer feinen Härchen. Diese Nanostrukturen haben sich vermutlich im Laufe der Evolution entwickelt, um die Haftung der Insekten auf Substraten zu optimieren. Dies zeigen jüngste Forschungen am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart: Danach hängt eine optimale Haftung davon ab, dass diese Härchen an ihren Kontaktflächen optimal geformt sind. Doch diese starke Formabhängigkeit kann durch eine Minimierung der Haftkontakte ausgeglichen werden. Denn unterhalb von 100 Nanometer haften die Kontakte optimal – unabhängig von Formveränderungen der Kontaktflächen. Eine optimale, fehlertolerante Haftung lässt sich also über eine Kombination aus Größen- reduzierung und Formoptimierung erzielen. Dabei gilt: Je kleiner die charakteristische Größe des einzelnen Haftkontakts, desto weniger wichtig ist seine Form. Das macht auch plausibel, warum Haarkontakte von biologischen Haftungssystemen nur zwischen einigen hundert Nanometern und wenigen Mikrometern groß sind. Diese Erkenntnisse sind wichtig für das Design von Haftsystemen in der Technik [1].

Workshop der Europäischen Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e.V. (EFDS)

Die EFDS ist bekannt durch ihre Aktivitäten zum Technologietransfer, zum Netzwerkmanagement und die Durchführung hochinteressanter Workshops zu aktuellen Praxisthemen. In einer solchen Veranstaltung wurde ein für jeden Oberflächentechniker seit Urzeiten heißes Thema, die Messung der Schichthaftung, angefasst. Diskutiert wurde über Kenngrößendefinition, Standards, effektive, anwendungsbezogene und aussagekräftige Prüfverfahren, deren Vergleichbarkeit sowie die Vermeidung von Fehlerquellen. Von den Teilnehmern wurde angeregt, auch zu diesem brisanten, branchenübergreifenden Schlüsselthema ein langfristiges Podium für Erfahrungsaustausch und Projektentwicklung innerhalb der EFDS zu schaffen.