Oberflächentechnik für die Mobilität von Morgen

– Verfahren und VergleichTeil 2

Bericht über das 38. Ulmer Gespräch

Oberflächentechnik für die Mobilität von Morgen – Verfahren und Vergleich war das Motto des 38. Ulmer Gesprächs am 12. und 13. Mai in Neu-Ulm, zu dem Prof. Dr. Wolfgang Paatsch mehr als 70 Teilnehmer begrüßen konnte. Auch wenn Elektrofahrzeuge derzeit noch einen verschwindend geringen Anteil einnehmen, ist doch ein großes Interesse bei den Kunden festzustellen. Im Vordergrund steht dabei das Thema Reichweite. Daraus ergeben sich für die Oberflächentechnik einige Veränderungen, vor allem bei der Beschichtung von Stahlteilen mit Zink und Zinklegierungen. Deutlich steigen wird der Bedarf nach elektrotechnischen Schichten oder Beschichtungen für Komposit-Teile. Es findet ein Wandel statt, zu dem die Themen des diesjährigen Ulmer Gesprächs mit technischen Inhalten beitragen. Weitere Schwerpunkte der diesjährigen Tagung waren die Anforderungen aus Reibung und Verschleiß mit möglichen Lösungs­ansätzen aus der Oberflächentechnik sowie intelligente Materialien. Vor allem bei den intelligenten Materialen wird deutlich, dass Entwicklungen im Bereich der Oberflächentechnik vor allem von fachübergreifenden Aspekten profitieren werden. Hier sind Anleihen in der Natur ebenso hilfreich, wie Forschungen auf dem Gebiet der organischen und anorganischen Werkstoffe.

Fortsetzung aus WOMag 06/2016

Tribologie von Kontakten

Die Vorträge über Reibung und Verschleiß eröffnete Tobias Dyck; er stellte tribologische Untersuchungen an zinnbeschichteten Kontakten mit unterschiedlichen Geometrien vor. Die untersuchten Kontakte werden beispielweise in hoher Zahl für Kontaktierungen von Leitungen für häus­liche Stromnetze eingesetzt, aber auch als Leiter­plattensteckkontakte. Dyck sieht einen deutlichen Anstieg derartiger Kontakte durch die zunehmende Elektromobilität; die Zinnschichten sind dabei als Alternative zu den bisher üblichen Gold- und Silber­oberflächen zu sehen.

Ausschlaggebendes Charakteristikum für Kontakte ist der Übergangswiderstand. Dabei beeinflusst die Verschleißbeständigkeit die Kontakteigenschaften über die Lebenszeit des Kontakts mit am stärksten.

Die Betrachtungen des Vortragenden bezogen sich vor allem auf die Geometrie eines Kontakts. Eine kugelförmige Kontaktgeometrie zeigt einen niedrigen Kontaktwiderstand, während eine zylinderförmige Geometrie einen geringen Verschleiß aufweist. Der erste Schritt des geschilderten Vergleichs basierte auf der Ermittlung des verfügbaren Verschleißvolumens für die beiden Geometrien, bei der die zylinderförmige deutlich besser abschneidet.

Für Versuche wurden Probekörper mit Kugel- und mit Zylinderkontakt mit 10 µm Zinn beschichtet und in einem Prüfstand belastet. Unterschiedliche Radien wirkten sich merklich auf die Verschleißbeständigkeit aus, mit besseren Werten für den Kontakt mit einem höheren Verschleißvolumen. Bei der Kombination einer Kontaktkugel mit einer flachen Geometrie zeigte es sich, dass die Erhöhung des Radius hier eine deutliche Verbesserung der Verschleißbeständigkeit ergibt, während sich dies bei der Zylinderform deutlich schwächer auswirkte.

Die Versuche zeigen, dass die theoretische Betrachtung eine gute Basis für die Simulation von möglichen Geometrien darstellt. Damit sollte es zukünftig möglich sein, kurzfristig die Ausführung von Kontakten an neue Werkstoffe oder veränderte Rahmenbedingen anzupassen.

Schaltbare adaptive Tribosysteme

Ulrich Dellwo befasste sich mit schaltbaren adaptiven Tribosystemen und deren Reibungs- und Verschleißverhalten. Anlass für die Untersuchungen waren die steigenden Anforderungen an Wälzlager, die oftmals einer deutlich wechselnden Belastung unterliegen. Für derartige Wechselbelastungen könnte ein veränderbares Reib- und Schmierverhalten sehr vorteilhaft sein.

Als Hilfsstoff für schaltbare Schichten eignen sich ionische Flüssigkeiten. Weitere­ Vorteile von ionischen Flüssigkeiten sind die gute thermische Stabilität über einen weiten Temperaturbereich, eine geringe Entzündlichkeit, ein niedriger Dampfdruck, eine akzeptable elektrische Leitfähigkeit sowie die Einstellbarkeit von Viskosität oder Löslichkeit.

Für die Untersuchungen wurden ionische Flüssigkeiten mit definierten Eigenschaften hergestellt und deren Gefährdungspotenzial sowie der Bereich der nutzbaren Eigenschaften ermittelt. Die Flüssigkeiten wurden mit Schmierstoffen gemischt und modifiziert, woraus sich zwei unterschiedliche Ölsysteme mit drei unterschiedlichen ionischen Flüssigkeiten als mögliche Kandidaten für weitere Untersuchungen ergaben. Die Systeme wurden auf ihre Toxizität hin bewertet, außerdem wurde ihr Korrosionspotenzial geprüft. Keines der Systeme zeigte ein erhöhtes Korrosionspotenzial.

Herausforderungen ergaben sich jedoch durch die Notwendigkeit, ein entsprechendes elektrisches Feld während der gesamten Bauteilprüfung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig (zur Bewertung der Untersuchungen) einen erkennbaren Verschleiß zu erhalten, um überhaupt Veränderungen der Parameter feststellen zu können. Die Versuche haben auch sehr komplexe Zusammenhänge aufgezeigt, da die Kombinationssysteme aus Ölen und ionischen Flüssigkeiten zum Beispiel mit der Bildung von neuen Verbindungen reagierten.

Dispersionsschichten

In Flugtriebwerken werden galvanisch abgeschiedene Dispersionsschichten als Dichtungselemente eingesetzt, die Josef Linska in seinen Ausführungen darstellte. Einführend informierte er über die einzelnen Elemente eines modernen Triebwerks mit deren Belastungen.

Ein wichtiger Bereich ist der Spalt zwischen Rotorblättern und dem Triebwerksgehäuse. Im Einsatz vergrößert sich aufgrund der vorliegenden Bedingungen im Triebwerk der Außendurchmesser des Turbinenschaufelwegs. Um den Spalt so klein wie möglich zu halten, wurden bisher weiche Schichten auf den Außenring aufgebracht, in den sich die Turbinenschaufel bei der Rotation­ eingraben kann. Im Gebrauch bewegt sich die Turbine auch in axialer Richtung und erzeugt so einen breiteren Graben. Dies erfordert nach einer beschränkten Lebens­dauer eine Nacharbeit. Eine härtere Verschleißschicht bringt hier keine längerfristige ­Lösung, sondern führt zur Zerstörung der Fan-Schaufeln.

Ein Ansatz zur Verbesserung dieser Situation kann das Auftragen von Verschleiß­schutzschichten auf die Enden der Schaufeln sein; allerdings sind aus Titan hergestellte Schaufeln schwer beschichtbar. Durch eine spezielle Vorbehandlung kann eine haftfeste Beschichtung in der Art eines Druckknopfeffekts erzielt werden. Eine besondere Herausforderung dabei ist, dass nur eine partielle Beschichtung der Außenkanten zulässig ist. Für die dafür entwickelte anspruchsvolle Lösung erfolgt eine aufwendige Abdeckung der gesamten restlichen Triebwerksoberfläche. Nach dem Beschichten müssen die überstehenden Kanten abgearbeitet werden. Auch für die außerordentlich verschleißbeständige Schicht konnte die Arbeitsgruppe des Vortragenden ein gut funktionierendes Verfahren entwickeln und in die Praxis umsetzen.

Dünnschichtsensorik

Für die Automobilindustrie sind intelligente Dünnschichtsensoren interessant; mit deren Herstellung befasst sich Dr.-Ing. Saskia Biehl. Sie wies darauf hin, dass heute Fahrzeuge bereits mit einer Vielzahl an Sensoren im Bereich Infrarot oder Ultraschall ausgestattet sind. Viele dieser Sensoren werden mittels Schichttechnik hergestellt, zum Beispiel piezoresistive Druckaufnehmer oder Platin-Dünnschichtmesswiderstände. Zwar besitzen diese Sensoren eine hohe Funktionalität, sie sind aber aufgrund der Edelmetalle relativ teuer. Die Entwicklung von kostengünstigeren Varianten, beispielsweise durch hohe Miniaturisierung, ist daher von großem Interesse.

Lösungen bieten Modifikationen von Kohlenstoffschichten, die so erzeugt werden, dass sie eine hohe Verschleißbeständigkeit und einen zum Beispiel durch Druck veränderbaren elektrischen Widerstand aufweisen. Dazu werden Strukturen im Vakuum aus unterschiedlichen Einzelschichten in einer Gesamtdicke von etwa 10 µm abgeschieden.

Dr. Biehl stellte als Anwendungsbeispiel zunächst Sensoren für die Umformung vor, mit denen die Blecheinzugsgeschwindigkeit beim Ziehen ermittelt wird. Die Sensoren dienen zur Reduzierung von Rissen und Falten im Werkstück. Zum Einsatz kommen photolithographisch strukturierte Chromschichten. Ein derartiger Sensor wird für die Herstellung von Motorträgern eingesetzt und hat inzwischen mehr als 8000 Umformvorgänge in voller Funktion bestanden.

Weiteres Beispiel ist ein Druck- und Thermosensor für Ziehprozesse, also ein Sensor, der für zwei Messgrößen geeignet ist. Der Sensor hat in der Praxis zur Umformung von Aluminiumblech gute Ergebnisse gezeigt. So können Temperaturänderungen von wenigen Grad und Druckänderungen während der Umformung reproduzierbar erfasst werden.

Für das Kunststoffspritzen wurden ebenfalls in Dünnschichttechnik Sensoren zur Messung der Temperatur und Enthaftungskraft hergestellt, bei denen die Vier-Leiter-Technik angewandt wurde. Mit einem derartigen Sensor können die Zykluszeit optimiert und die Qualität der gespritzten Produkte erhöht werden. Die Sensoren erfüllen die geforderte Verschleißbeständigkeit.

Eine universell einsetzbare Anwendung ist die Sensorik in Unterlegscheiben für die statische und dynamische Messung von Schraubverbindungen zur Erhöhung der Verbindungssicherheit. Die Fertigung ist im Bereich von M3 bis M64 mit und ohne Kabelanschluss möglich. Die Technologie kann auch auf die Messung der Temperatur erweitert werden.

Schaltbare Oberflächen
für Greifersysteme

Innovative Greifersysteme auf Basis schaltbarer Oberflächen waren das Thema des Vortrags von Dr. René Hensel. Hier wird auf Vorbilder in der Natur zurückgegriffen, beispielsweise in Form von Saugnäpfen, Kapillarkraft, sich verhakenden Filamenten oder der Adhäsion auf Basis von Van-der-Waal-Kräften. Den letztgenannten Effekt nutzen beispielsweise Geckos; sie sind damit in der Lage, sich auf allen Oberflächen rückstandsfrei zu bewegen. Die Kontaktflächen eines Geckofußes sind aus sehr flexiblen ­Filamenten aufgebaut, die sich bestmöglich an die Grundfläche anpressen lassen und sehr große Kontaktflächen erzeugen.

Hergestellt werden entsprechende künstliche Strukturen durch photolithographische Prozesse. Die Messung von Belastungen einzelner Strukturen zeigt, dass eine Verbreiterung der Randflächen an den Strukturenden (mushrooming) zu einer deutlich besseren Haftung führt. Allerdings sind dazu Änderungen der Lithographietechnik­ erforderlich, wobei die 2-Photonen-Lithographie zum Einsatz kommt. Die Untersuchungen zur Funktion der Strukturen erfolgten sowohl auf glatten als auch auf rauen Oberflächen. Bei den rauen Strukturen ist ein Einfluss der Strukturhöhe sowie des Abstands zwischen den Strukturen ­erkennbar.

Mit schaltbaren Strukturen wird das Abheben vom Gegenkörper einfach dadurch erreicht, dass der Anpressdruck erhöht wird (im Vergleich zum Anpressen vor dem Aufnehmen). Die Strukturen werden dadurch geknickt, wodurch die einzelnen Elemente von der Oberfläche abgelöst werden. Ein vergleichbarer Effekt tritt bei der Verwendung von Memorylegierungen auf, bei denen durch Temperatureinfluss die Oberflächenform (z. B. kugelförmige Erhebungen) umgeschaltet wird, also zwischen glatt und strukturiert.

Derartige Greifersysteme werden zum Beispiel in der Halbleiterfertigung oder in der Medizintechnik angewendet.

Biomimetische Oberflächen

Im letzten Vortrag ging Prof. Dr. Timo Sörgel auf die Funktion und Herstellung von biomimetischen Oberflächen ein, bei denen auf die Funktionen der Natur zurückgriffen und diese nachgeahmt werden. Neben der Herstellung von lösbaren Haftungen ist die Erzeugung von temporär hydrophoben Oberflächen ein Anwendungsfeld. Mögliche Verfahren zur Herstellung solcher Oberflächen beruhen auf der Selbststrukturierung oder der Verwendung von Additiven.

Ein bekanntes Beispiel aus der Natur ist das Lotusblatt, das seine Eigenschaft aufgrund einer Strukturierung auf sehr unterschiedlichen Längeneinheiten hat. Die Strukturen lassen sich technisch nachbilden, wobei zum Beispiel die Wirkung von unterschiedlichen Gegenpartnern mit einbezogen werden kann, wie beispielsweise die Größe von Tropfen. Anwendung finden die Oberflächen als Schutz gegen Verschmutzung, Vereisung oder Bewuchs mit Mikroorga­nismen.

Hergestellt werden diese Oberflächen unter anderem durch Galvanoformung, Zementation, selektive und selbstorganisierende Inhibierung, Lithographie, Plasmabehandlung oder selektives Abtragen. Durch Ausnutzung der Bildung von porösen Strukturen beim Anodisieren von Aluminium bieten sich weitere Möglichkeiten. Selbstorganisierte Schichten ergeben sich durch den Einsatz von Polyelektrolyten, die im Tauchverfahren aufgebracht werden.

Sehr vielversprechende Anwendungen bieten schaltbare Oberflächen. Als Basis kann hierfür Zinkoxid dienen, das röhrenförmige Strukturen bildet, die wechselnde Eigenschaften durch Einwirkung von UV-Licht zeigen. Elektrisch schaltbare Oberflächen können durch abgeschiedenes Polypyrrol erzeugt werden, die zwischen superhydro­phobem und superhydrophilem Zustand wechseln.

Weitere Beispiele sind Mottenaugen mit der Eigenschaft, Licht nicht zu reflektieren. Dies wird durch variable Brechungsindizes erzielt. Antibakterielle Oberflächen entstehen Prof. Dr. Sörgel zufolge durch Strukturierung von Oberflächen, beispielsweise in Form von Stegen auf der Oberfläche im Bereich von wenigen Mikrometern Stegbreite.

Die Haftung von Insektenfüßen beruht auf dem Vorhandensein eines Haftfilms in Form einer Öl-Wasser-Emulsion. Hier kommen die besonderen Eigenschaften von Flüssigkeiten in Bezug auf Scherkräfte zur Wirkung. Das technische Gegenstück kann aus einer Polyimidoberfläche bestehen, die ein gewisses Aufnahmevermögen für Wasser aufweist.

Schließlich dient die besondere Struktur der Haifischhaut als Vorlage für technische Lösungen zur Verminderung des Luftwiderstandes. Angewandt werden können solche Lösungen beispielsweise bei Fahrzeugen oder den Flügeln von Windturbinen.

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