Thermisches Spritzen auf dem Vormarsch:

Industrienahe Entwicklung innovativer Oberflächentechnologien

Kosten senken, Qualität verbessern und Ressourcen schonen: Auf den ersten Blick wirken die verschiedenen Anforderungen an ein modernes Unternehmen kaum vereinbar. Doch es gibt Wege, ihnen gleichzeitig gerecht zu werden. Eine Schlüsselrolle spielen häufig innovative Beschichtungstechnologien wie Thermisches Spritzen oder Dünnschichttechnik. Das Erfolgsrezept besteht darin, einen preiswerten Grundwerkstoff mit einer hochwertigen Funktionsschicht zu versehen. Die daraus resultierende Erhöhung der Standzeit senkt neben den Wartungskosten auch den Rohstoffverbrauch – zumal sich die Beschichtung oft mehrfach regenerieren lässt. Der Überzug schützt das Bauteil nicht nur gegen Angriffe durch Verschleiß, Korrosion oder Temperatur, sondern er kann auch weitere funktionelle Aufgaben in der Anwendung übernehmen. Beispiel: Durch Auftragen einer Schicht mit selbstschmierenden Eigenschaften erübrigt sich die Verwendung umweltschädlicher Schmierstoffe.

Das Einsatzgebiet dieser vielseitigen Beschichtungsverfahren umfasst alle Branchen: vom allgemeinen Maschinenbau über die Automobil-, Stahl-, Druck-, Textil- und Chemische Industrie bis hin zur Energie-, Medizin-, Luft- und Raumfahrttechnik. Dabei sind die technischen Möglichkeiten noch längst nicht ausgereizt. Die industrienahe Entwicklung und Applikation neuer Beschichtungssysteme zählt zu den Hauptanliegen des “Lehr- und Forschungsgebiets Werkstoffwissenschaften” der “Rheinisch-Westfälisch Technischen Hochschule” (RWTH) Aachen, eines der auf diesem Gebiet weltweit führenden Forschungsinstitute. Die Oberflächentechnik ist ein Hauptfach der Maschinenbauausbildung.

Neue Anwendungen durch praxisorientierte Forschung

Seit 1980 beschäftigt sich das Lehr- und Forschungsgebiet Werkstoffwissenschaften (WW) der RWTH Aachen neben seiner Lehrtätigkeit mit aktiver Forschungs- und Entwicklungsarbeit auf den Gebieten des Thermischen Spritzens, der Dünnschichttechnik, der Löttechnologie sowie der Modellierung und Simulation. Der Schwerpunkt liegt auf der Oberflächentechnologie, deren großes Potenzial und flexible Einsetzbarkeit vielen Ingenieuren noch immer nicht bewusst ist. Kein Wunder: “Wir sind die einzige wissenschaftliche Hochschule in Deutschland, an der das Thema Oberflächentechnik im Pflichtbereich der studentischen Ausbildung durch Vorlesungen und Übungen verankert ist”, erklärt Prof. Dr. techn. Erich Lugscheider, Gründer und Leiter des Instituts. Dabei lassen sich zum Beispiel mit thermischen Spritzverfahren heute Bauteile fast jeder Geometrie und Beschaffenheit beschichten, von Metallen über Kunststoffe bis hin zu Keramiken, von Dentalimplantaten über Gasturbinenschaufeln bis hin zu Druckwalzen. Als Spritzwerkstoffe, d.h. Beschichtungswerkstoffe, kommen ebenfalls die verschiedensten Werkstoffe aus dem Metall-, Keramik- oder sogar Hochleistungspolymerbereich in Frage. Entsprechend breit gefächert sind die Anwendungsgebiete, zu denen sich immer neue gesellen – häufig aufgrund der Tätigkeit Prof. Lugscheiders und seiner Mitarbeiter. Das Team verfügt über moderne Anlagen für alle etablierten Verfahren des Flamm-, Hochgeschwindigkeits-Flamm-, Plasma- und Lichtbogenspritzens sowie über zukunftsträchtige Neuentwicklungen. Es erarbeitet werkstoffwissenschaftliche Grundlagen zu den verschiedenen Beschichtungstechnologien und setzt diese in industrietaugliche Werkstoff- und Verfahrensentwicklungen um. Von der Projektidee über komplette Systemlösungen bis hin zur Nullserienfertigung geschieht dies in enger Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen. “Das Grundprinzip unserer Forschung ist Anwendungsnähe basierend auf fundierter Grundlagenforschung”, erläutert Prof. Lugscheider die Institutsphilosophie. “Daher verwenden wir für unsere Entwicklungen nicht nur Laboranlagen, sondern vor allem Industriesysteme der führenden Hersteller.” Damit ist die Übertragbarkeit der Ergebnisse in die Produktion von Anfang an gewährleistet. Die Industrie honoriert die praxisnahe Vorgehensweise durch Aufträge, aus denen sich das Institut zu rund 60 Prozent finanziert.

Oberflächentechnologie als Voraussetzung für moderne Verkehrstechnik

Aus vielen Branchen ist die Oberflächentechnik schon längst nicht mehr wegzudenken. So wäre ohne sie moderne Verkehrstechnik nicht möglich. Superlegierungen etwa, aus denen Turbinenschaufeln für Flugzeuge bestehen, würden ohne keramische Hochtemperaturschutzbeschichtung im Betrieb schmelzen. Andererseits wäre es aufgrund der hohen Bruchneigung von Keramik nicht möglich, das Bauteil komplett aus diesem hitzebeständigen Werkstoff zu formen. Unter dem Hochtemperatur-Schutzüberzug der Turbinenschaufel befindet sich eine metallische Haftschicht, die Korrosion und Oxidation entgegenwirkt. Korrosions- und Verschleißschutz bilden die klassischen Bereiche der Oberflächentechnik, der so lange aktuell bleiben wird wie die intensive Nutzung von Eisenwerkstoffen: Beispielsweise verrostet alle 70 Sekunden weltweit eine Tonne Stahl. Zur Vermeidung dieser kostspieligen Schäden kommt heute noch häufig die Galvanotechnik zur Anwendung. Doch gewinnen andere, umweltschonendere Verfahren rasch an Bedeutung. So wird das Hartverchromen von Flugzeugfahrwerken bereits durch Schutzschichten ersetzt, die im Hochgeschwindigkeitsflammspritz-Verfahren (HVOF, engl.: High Velocity Oxygen Fuel) aufgebracht werden. Dieses moderne thermische Spritzverfahren basiert auf hohen Partikelgeschwindigkeiten im Verbund mit moderater thermischer Energie, wodurch sich sehr dichte, festhaftende und oxidarme Schichten herstellen lassen.

Schneller, heißer, präziser für die Erschließung neuer Märkte

Eine konsequente Weiterentwicklung des HVOF-Verfahrens stellt das Kaltgasspritzen dar. Unter der Bezeichnung “K3” (Kinetisches-Kaltgas-Kompaktieren) erforscht das Team von Prof. Lugscheider im Rahmen eines internationalen Konsortiums die Anwendungsmöglichkeiten dieser neuen Technologie. Wird das Prozessgas beim HVOF-Verfahren noch auf rund 3.000 ºC erwärmt, so erreicht es beim K3-Verfahren nur etwa 800 ºC. Die Partikeltemperaturen liegen bei maximal 300 ºC. “Damit wird K3 dem thermischen Spritzen neue Einsatzbereiche speziell in der Beschichtung duktiler, oxidationsempfindlicher Materialien erschließen”, prophezeit Dr.-Ing. Gregor Langer, Oberingenieur des Instituts. Da die Wirkungsweise von HVOF und K3 die Umwandlung von kinetischer Energie in einen Verformungsprozess als Grundlage hat, setzen diese Verfahren eine plastische Verformbarkeit der Spritzpartikel voraus. Für das Spritzen keramischer Stoffe, die diese Bedingung nicht erfüllen, eignen sich die verschiedenen Verfahren des Plasmaspritzens. Sie kombinieren geringere Partikelgeschwindigkeiten mit Temperaturen, die so hoch sind, dass jeder Werkstoff im Plasma vollständig aufgeschmolzen werden kann. Um die Auftragsraten zu erhöhen und die Schichtporosität zu reduzieren, entwickelte das Aachener Institut die konventionellen Plasmabrenner mit 45 kW Leistung weiter. Es entstanden Hochleistungs-Plasmaspritzsysteme, die mit Leistungen von 200 kW sehr hohe Gasgeschwindigkeiten erzielen. Dass sich somit die bis zu vierfache Materialmenge verarbeiten lässt, macht sich gerade bei großen Bauteilen sehr positiv bemerkbar – etwa bei Druckwalzen mit einer mehrere Quadratmeter großen Beschichtungsfläche.

Als derzeit einzige wissenschaftliche Einrichtung weltweit verwendet Prof. Lugscheiders Institut eine andere zukunftsträchtige Variante des Plasmaspritzens: Die RotaPlasmaTM-Technologie eines führenden Anlagenherstellers revolutioniert die Innenbeschichtung von Zylindern. Musste bisher das zylindrische Bauteil um den in seiner Mitte versenkten Plasmabrenner gedreht werden, so rotiert nun der wesentlich leichtere Brenner selbst. Bei der Beschichtung von Motorblöcken für die Automobilindustrie bedeutet das eine große Energieeinsparung. Wichtige Vorteile sind die Großserientauglichkeit sowie die Möglichkeit der Inline-Produktion.

Eine weitere Neuheit stammt aus der Ukraine. Das E.O. Paton Electric Welding Institute in Kiew, eines der führenden schweißtechnischen Institute der Welt, hat unter der Leitung von Prof. Yuri S. Borisov eine Mikroplasmaanlage entworfen, deren Prototyp jetzt die Aachener Kollegen zu einem industrietauglichen Beschichtungssystem weiterentwickeln. Der Brenner dieser Anlage zeichnet sich durch einen besonders feinen Plasmastrahl aus, mit dem sich sehr kleine Werkstücke wie Implantate für die Zahnmedizin hochpräzise und mit wenig Materialverlusten beschichten lassen. “Aus der ehemaligen Sowjetunion kommen viele gute Ideen”, berichtet Dr. Langer, “doch das so genannte industrielle Upscaling und die kommerzielle Umsetzung erfolgen häufig im Westen.”

Synergien nutzen durch weltweite Kooperationen

Die Arbeitsteilung mit der ukrainischen Einrichtung basiert auf einem Kooperationsvertrag, wie ihn das Institut mit vielen Forschungsanstalten abgeschlossen hat. “Wir setzen auf Synergien”, erklärt Prof. Lugscheider. “Unser Netz umfasst weltweit etwa 50 Universitäten sowie 300 bis 400 Unternehmen, mit denen wir zusammenarbeiten.” Wie fruchtbar die Bündelung von Kompetenzen sein kann, hat kürzlich der Forschungsverbund DACH bewiesen, zu dem sich das Aachener Institut mit dem Lehrstuhl für Werkstofftechnologie an der Universität Dortmund zusammengeschlossen hat. Gemeinsam mit dem Dortmunder Institut unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Friedrich-Wilhelm Bach verwirklichte Prof. Lugscheiders Team das Expo-2000-Projekt HIPERCOAT. An ihren jeweiligen Standorten boten die beiden weltweit anerkannten Forschungseinrichtungen einen guten Überblick über moderne Hochleistungsbe- und -entschichtungstechnologien.

“Der intensive Austausch mit Prof. Bach und seinem Team erbringt einen beachtlichen Innovationsschub für unsere Arbeit”, ist Prof. Lugscheider überzeugt. Neue Impulse sowohl für Lehre und Forschung als auch für Industrieprojekte zieht sein Institut auch aus der Mitarbeit in interdisziplinären Foren der RWTH Aachen sowie in Verbänden, Arbeitskreisen und Normenausschüssen. Professor Lugscheider gehört u.a. dem Vorstand der GTS Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.V. an, einer Interessenvereinigung von fast 120 Anwendern und Förderern dieses vielseitigen und entwicklungsfähigen Verfahrens. Ursprünglich auf Deutschland beschränkt, zählt die GTS mittlerweile viele Mitglieder in ganz Europa und darüber hinaus. Die Aachener Werkstoffwissenschaftler halten im Rahmen von GTS-Veranstaltungen die Anwender des Thermischen Spritzens durch Fachvorträge über den aktuellen Stand der Wissenschaft auf dem Laufenden. Davon profitieren besonders die vielen kleinen und mittleren Betriebe, die sich keine eigene Forschung leisten können. Natürlich ergeben sich über diese Kontakte wiederum Aufträge für das Lehr- und Forschungsgebiet Werkstoffwissenschaften (WW).

Vertrauen durch überprüfbare Qualität

Eine Vertrauensbasis bildet das GTS-Zertifikat, eine zusätzliche Personen- und Produktmittelprüfung, die weit über die Anforderungen der allgemeinen DIN ISO 9001 hinausgeht. “Dieser für alle nachvollziehbare, periodisch von unabhängigen Institutionen überwachte Qualitätsstandard gilt auch im Ausland als gute Referenz”, weiß Prof. Lugscheider zu berichten, dessen Institut bereits seit Dezember 1997 nach DIN ISO 9001 und seit Januar 1998 nach GTS QM RL zertifiziert ist.

 Eine neue Form der Qualitätssicherung beim Thermischen Spritzen ermöglichen verschiedene Diagnostikverfahren, mit deren Entwicklung und Nutzung sich die Aachener Wissenschaftler seit mehreren Jahren beschäftigen. Schon heute ist es möglich, während des Spritzprozesses die wichtigsten Parameter wie Geschwindigkeit, Temperatur, Größe und Aufschmelzgrad der Spritzpartikel online im Einzelergebnis zu messen, was unter anderem zu einem verbesserten Prozessverständnis führt. “Das Fernziel besteht in einer kompletten Online-Prozessregelung, doch das erfordert noch einige Jahre intensiver Forschungstätigkeit”, meint Dr. Langer.

Gegenseitige Befruchtung und Ergänzung:
Thermisches Spritzen und Dünnschichttechnik

Neben dem Thermischen Spritzen befasst sich das Institut auch mit der Dünnschichttechnik oder PVD (Physical Vapour Deposition)-Technologie. Hierbei wird das Bauteil in einer Gaswolke aus verdampftem Schichtwerkstoff platziert, der auf der Oberfläche des Werkstücks kondensiert. Auch auf diesem Gebiet verfügt das Aachener Institut über alle derzeit industriell eingesetzten Verfahrensvarianten, die sich hauptsächlich in der Art der Materialverdampfung unterscheiden. Während sich das mit einem Lichtbogen als Energiequelle funktionierende Arc-Ion-Plating (AIP) besonders für leitende Schichtwerkstoffe eignet, lässt sich mit dem Magnetron-Sputter-Ion-Plating (MSIP) beinahe jedes Material verarbeiten. “Hier erfolgt die Verdampfung über einen durch das Zünden eines Plasmas hervorgerufenen kinetischen Energieaustausch”, erläutert Oberingenieurin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin das Verfahren. Besonders interessant für das Aufbringen keramischer Werkstoffe ist das Elektronenstrahl-Verdampfen: Das Electronic Beam (EB)-Verfahren zeichnet sich durch hohe Schichtraten und für die PVD-Technologie vergleichsweise dicke Schichten aus. In den letzten Jahren hat es vor allem im Hochtemperaturbereich an Bedeutung gewonnen.

Bei der Dünnschichttechnik liegt der Schwerpunkt auf dem Verschleißschutz, vor allem im klassischen Bereich der Beschichtung von Werkzeugen für die spanabhebende Fertigung. Mittlerweile steigt jedoch die Nachfrage für andere Bauteile. Prof. Lugscheider sieht darin keine Konkurrenz zum Thermischen Spritzen, sondern betont die gegenseitige Ergänzung und Befruchtung: “In der Oberflächentechnik sollte man in Zukunft übergreifender denken. Dann können auch Hybridtechniken entstehen, die an der Schnittstelle zwischen zwei Technologien liegen und die Vorteile beider vereinen.”

Ein gutes Beispiel für eine fruchtbare Kombination von Thermischer Spritz- und Dünnschicht-Technik liefern künstliche Hüftgelenke. Die biokompatible PVD-Beschichtung der Kugel schützt einerseits vor Korrosion, Verschleiß und chemischen Angriffen; andererseits sorgt sie aufgrund ihrer Eigenschaften für eine gute tribologische Partnerschaft mit der Gelenkpfanne. Diese wiederum kann heute zementfrei implantiert werden, weil eine thermisch gespritzte keramische Schicht ein Zusammenwachsen des Hüftknochens mit dem Schaft der künstlichen Pfanne ermöglicht.

Sonderforschungsbereiche für innovative Technologien

Auch in der Werkzeugbeschichtung für so genanntes Thixoforming kommen beide Technologien zum Einsatz. Unter Thixoforming versteht sich die Formgebung von Bauteilen im teigigen Zustand, der zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand liegt. “Die Ansprüche an die Werkzeugoberflächen bezüglich Verschleiß- und Korrosionsschutz sowie Antihafteigenschaften sind dabei sehr hoch”, erklärt Dr. Bobzin.

Das Lehr- und Forschungsgebiet Werkstoffwissenschaften (WW) arbeitet an dieser innovativen Fertigungstechnik im Rahmen eines Sonderforschungsbereiches mit mehrjähriger Laufzeit mit. Ein weiteres Schwerpunktprojekt befasst sich mit tribologischen Schichten, die durch ihre selbstschmierenden Eigenschaften die Funktion von Schmierstoffen übernehmen und damit den Einsatz von umweltbelastenden Ölen und Additiven überflüssig machen. Auch in einer ganz anderen Welt bewähren sich PVD-Schichten: In der Mikrosystemtechnik, wo winzige Bauteile gelötet werden müssen, deren Ausmaße einen Bruchteil der Dicke eines menschlichen Haares aufweisen. Mit Hilfe von Schablonen lässt sich der Lötwerkstoff per Dünnschicht-Technik hochexakt und in der richtigen Menge aufbringen.

So erschließen sich der Oberflächentechnik immer neue Anwendungsbereiche. Als eines der weltweit bedeutendsten Kompetenzzentren auf diesem Gebiet wird das werkstoffwissenschaftliche Institut der RWTH Aachen dabei weiterhin eine große Rolle spielen.

Weitere Informationen sind erhältlich bei

GTS Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.V.
Werner Krömmer
c/o Linde AG, Geschäftsbereich Linde Gas
Carl-von-Linde-Str. 25, D-85716 Unterschleißheim
per Fax: +49-(0)89-31001-5364
per E-Mail: info@gts-ev.de
Internet: www.gts-ev.de

RWTH Aachen
Werkstoffwissenschaften
Herrn Prof. Kirsten Bobzin
per Tel.: +49/241/1 66 02 0
per Fax: +49/241/1 66 02 17

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