Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGPVideo by Marc Willenberg
© Holger Martens
Thermische Beschichtungssysteme
Arbeitsbereich
Die weltweiten Forderungen nach immer produktiveren und leistungsfähigeren hochkomplexen technischen Systemen führen zu einer stetigen Zunahme der Anforderungen an Materialien und Komponenten. Die Fertigungstechnologie des Thermisches Spritzens weist eine im Bereich der Beschichtungsverfahren unerreichte Flexibilität und Skalierbarkeit auf und ist daher als Schlüsselkomponente zur Erfüllung dieser Erfordernisse von essenzieller Bedeutung.
Neben klassischen Anwendungen für Luftfahrt oder Verschleißschutz rückt diese Verfahrensgruppe auch in anderen Bereichen der Industrie wie Schiff- und Stahlbau, On- und Offshore-Windenergie, Fahrzeugbau, Landwirtschaft und nachhaltigen Konzepten zunehmend in den Fokus.
Um die hohen Anforderungen unserer Kunden aus diesen Bereichen erfüllen zu können, verfügt der Fachbereich Thermische Beschichtungssysteme neben hochwertiger Laborausstattung über ein vollständig SPS-integriertes Beschichtungszentrum (Prozesse Lichtbogendrahtspritzen, atmosphärisches Plasmaspritzen, Pulverflammspritzen) zur Herstellung thermisch gespritzter Schichten nach modernsten Qualitätsstandards sowie dazugehöriges integriertes Prozessmonitoring. Die über Jahre aufgebaute Expertise aus Prozessmodifikationen, Schichtanalytik und deren Interaktionen fließen in die maßgeschneiderte Produktion und Entwicklung von komplexen Schichtsystemen ein. Dabei steht die zusammenhängende Betrachtung materialographischer, mechanisch-technologischer sowie verfahrenstechnischer und qualitätssichernder Aspekte des thermischen Spritzens als Gesamtsystem im Mittelpunkt und bildet die Leitlinie der täglichen Arbeit.
Projektübersicht Thermische Beschichtungssysteme
Thermisches Spritzen in der Landwirtschaft
Thermisches Spritzen in der Landwirtschaft
Entwicklung und Applikation eines Schichtsystems mit gesteigerter Verschleißbeständigkeit und integrierter optischer Verschleißanzeige
Das thermische Spritzen ist als Beschichtungsverfahren bereits im Verschleiß- und Korrosionsschutz etabliert. Die daraus bekannten Vorteile sollen im Projekt zur Steigerung der Verschleißschutzfestigkeit von Bodenbearbeitungswerkzeugen in der Landwirtschaft übertragen und erweitert werden. Durch den punktuellen und inhomogenen Verschleiß an den Scharrzinken von Grubbern kann oftmals die Verschleißgrenze der Bauteile nicht ermittelt werden. Bauteilversagen und unbekannter Verbleib der Zinken im Feld sind häufig die Folge. Mit der Entwicklung eines Schichtsystems aus verschleißanzeigender und widerstandsfähiger Beschichtung soll dem Landwirt ein wirtschaftlicherer Umgang mit den Werkzeugen ermöglicht werden. Neben u.a. vergleichenden Abrasionsprüfungen werden im Projekt auch Feldversuche durchgeführt.
Kohlenstoffbindung
Reduzierung von Methanemissionen durch Beschichtungstechnologie
Entwicklung von Kreislaufprojekten zur Kohlenstoffbindung mit optimierten Kontiki-Kilns durch innovative Beschichtungstechnologie (Kiln Coatings)
Der aufstrebende Biokohle-Sektor ermöglicht es landwirtschaftlichen Betrieben, große Mengen an CO₂ zu binden und verfügt über enormes Potenzial zur Bereitstellung von Carbon Dioxide Removal (CDR)-Zertifikaten. Abfallstoffe sind weithin verfügbare Ausgangsmaterialien für Biokohle.
Durch den Einsatz des thermischen Spritzens können Methanemissionen während des Pyrolyseprozesses von Biokohle reduziert werden. Hierfür werden Schichten entwickelt, die katalytische Eigenschaften besitzen und das Methan in weniger schädliche Gase umwandeln. Diese sind so konzipiert, dass sie kostengünstig auf Schlüsselkomponenten des Pyrolyseprozesses, wie Reaktoren, Öfen und Kammern, aufgebracht werden können.
LH2 Tanks
Neue Tankkonzepte für Flüssigwasserstoff
Erhöhung der Speicher- und Transporteffizienz für Flüssigwasserstoff in Stahl-Faserverbundtanks durch thermisch gespritzte TBC-Schichten
Es gibt derzeit aufgrund des sich entwickelnden Marktes nur wenig Erfahrung mit dem Transport großer Mengen Flüssigwasserstoff (LH2). Die Tankkonstruktionen beziehen sich auf Standardanwendungen für die Lagerung und den Transport an Land mit vakuumisolierten, doppelwandigen Konstruktionen aus austenitischem Edelstahl, welche eine vergleichsweise hohe Wärmediffusivität und -leitfähigkeit sowie ein erhöhtes Gewicht aufweisen. Dies verringert derzeit die Effizienz aufgrund des gesteigerten Boil-Offs und der ungünstigen gravimetrischen Speicherdichte.
Für die maritime Erzeugung sowie den Transport von LH2 sind somit neue Tankkonzepte notwendig. Hierbei werden innovative technische Ansätze aus der Raumfahrt (Faserwicklungen) sowie für Hochtemperaturanwendungen (Wärmedämmschichten „TBC“) aufgegriffen und zusammengeführt.
Prozesstechnik
GTV Hochleistungsbeschichtungszentrum:
- SPS-integriert und steuerbar
- Erfassung, Überwachung und Dokumentation Prozessparametrie
- Manipulation mittels Sechs-Achs-Roboter (Brenner) und Drehkipptisch (Bauteil)
- diverse Werkstückaufnahmen bis 300 kg
- Prozesse und Brennertechnologien:
- Lichtbogendrahtspritzen (AS): Shark 400, Shark 400 HV
- Atmosphärisches Plasmaspritzen (APS): Delta
- Pulverflammspritzen (PFS): 6PII
- Variation Prozessgas für Lichtbogendrahtspritzen möglich
- NIR-Sensor für Partikeldiagnostik
- System zur In-Line-Schichtdickenmessung
Lichtbogendrahtspritzsystem Oerlikon Metco Smart Arc:
- mobile Komplettanlage mit Brennertechnologie PPG
Druckstrahlanlage MHG SMG 100:
- Moderne Druckstrahlanlage zur Bauteilvor- und nachbehandlung
Laborausstattung
Schichtmorphologie und Oberflächenanalytik:
- Auflichtmikroskop Zeiss DM6000
- Rasterelektronenmikroskop JEOL JSM-IT100 inklusive Sekundärelektronen und Rückstreu-Detektor sowie Niedervakuummodus für schlecht leitende Materialien
- 3D-Profilometer Keyence VR6000 z.B. für Rauheitsmessungen
Chemische Analysen:
- Energiedispersive Röntgenanalyse Detektortyp JEOL SD25
- Optische Funkenemissionsspektrometrie Spectromaxx
- Trägergasschmelzextraktion Bruker Galileo G8 für O, N, H-Bestimmung
Mechanisch-technologische Eigenschaften:
- Härteprüfer Innovatest Falcon 500
- Universeller mechanischer Tester / Nanoindenter Zwick-Roell ZHN für Nanohärte / E-Modul
- diverse Prüfmaschinen für statische und dynamische Prüfungen z.B. Haftzug-, Schichtzugfestigkeit, Biegeversuch, Schwingfestigkeit
- Kaltgasanlage Isotherm TG-L63/100 für kryogene Prüfregime
- Prüfstand für abrasiven Verschleiß nach ASTM G65
Funktionelle Schichteigenschaften:
- Widerstandsmessgeräte Mitsubishi Chemical Analytech Hiresta-UX (Messbereich 103 bis 1015 Ω) und Loresta-GX (Messbereiche 10-4 bis 107 Ω)
- Eigenspannungsmesssystem Stresstech Prism mit Bohrlochmethode und ESPI
- passive und aktive Thermografietechnik Infratec VarioCAM hr 675s
- Messsystem Kern EMB-2000-2V Laborwaage incl. Dichte-Set zur Ermittlung der wahren Dichte