Anwendungen

Plasma-Oberflächentechnik ist im Bereich der modernen Fertigung heute nicht mehr wegzudenken. Höhere Qualitäts- und Produktionsanforderungen sowie neue Werkstoffe erfordern leistungsstarke Werkzeuge und stete Entwicklung von Hochleistungsoberflächen auf deren Oberflächen. Mittels Oberflächenbehandlung und Beschichtung werden Standzeiten der Werkzeuge erhöht, Ablagerungen vermieden und Selbstschmierungseffekte erzielt.

Zu diesem Themenfeld ist die INPLAS-Arbeitsgruppe »Werkzeugbeschichtungen« aktiv. Die Teilnehmer bestimmen Aufgaben, die gemeinschaftlich bearbeitet werden. Dazu zählen zum Beispiel:

• Initiierung und Umsetzung von Projekten zu anwendungsorientierten Anpassung von Werkzeugen
• Standardisierung, Richtlinien, Normen
• Umsetzung gesetzlicher Auflagen
• Testen der Bearbeitbarkeit neuer Werkstückstoffe
• Screening der Werkzeug-/Beschichtungsperformance
• Evaluierung neuer Beschichtungstechnologien und/oder
  Messmethoden
• Ringversuche z. B. zur Messung von Schichtdicke und/oder – haftung
• Tutorials für Zerspanungs- bzw. Beschichtungsgrundlagen,
  Analytikverfahren
• Marktforschung

Maschinenelemente unterliegen vielfältigen tribologischen Beanspruchungen und damit einer begrenzten Leistungsfähigkeit und Lebensdauer. Plasma-Oberflächentechnik bietet hier die Möglichkeit, Reibung und Verschleiß zu reduzieren. Im Kompetenzfeld Maschinenbau sind Firmen und Institutionen tätig, die sich mit der Oberflächenbehandlung und Beschichtung von Maschinenteilen vor allem auf dem Gebiet der Reibungsminderung, des Verschleiß- und Korrosionsschutzes beschäftigen. Oberflächenfunktionalisierungen, wie z.B. Antihafteigenschaften oder sensorische Fähigkeiten, bilden einen weiteren Schwerpunkt dieses Arbeitsbereiches. Typische Themen sind Leistungssteigerung bei Lagern und Antriebselementen, Reduzierung der Antriebsleistung von Kugelventilen oder Dünnschichtsensorik zur Kraft-, Weg-, Temperatur- und Verschleißmessung in den Beanspruchungszonen.

Die Defossilisierung von Gesellschaft und Wirtschaft erfordert umweltfreundliche, effiziente und kostengünstige Technologien zur Energieerzeugung, -wandlung und -speicherung.

Dabei spielen Material- und Oberflächenentwicklungen für z.B.

• Festkörperbatterien
• Wasserstoffpipelines, -tanks
• Bipolarplatten oder
• Trennmembranen

eine entscheidende Rolle.

Bei der Herstellung von Photovoltaik- oder Solarthermie-Anlagen werden Technologien der Plasmatechik an verschiedenen Produktionsschritten eingesetzt: z. B.

• dünne Schichten zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Wafer
• Gezielte Ätzwirkung auf Wafern zum kontrollierten Abtrag
• Zuverlässige Korrosionsschutzbeschichtung für solarthermische Spiegel von Solarkraftwerken
• Plasma-Kleben sorgt für langzeitstabile, witterungsbeständige Solarmodule
• Plasmabehandlungen zur Vermeidung von Biofilmen oder Schmutzanhaftungen

Oberflächenaktivierung und Funktionalisierung sind neben direkten Beschichtungen die Ziele im Bereich Kunststoff- und Textiltechnik. Durch Aktivierung der Oberflächen mittels Plasma können chemische Bindungen aufgebrochen werden. Die hohen Energien der Elektronen im Plasma sind dafür sehr gut geeignet. Die wirtschaftliche Bedeutung ist bereits enorm. Die Prozesse erfolgen bei Atmosphärendruck.

Anwendungen sind z. B. Plasmabehandlungen von Autostoßfängern, Folien- und Kunststoffverpackungen, Lebensmittelverpackungen oder Entkeimungen. Als nächster Schritt sind auch chemische Funktionalisierungen möglich. Damit können Werkstoffe für weitere Oberflächenprozesse vorbereitet werden. Zum Beispiel können technische Textilien, Schutzkleidung, Filtrations-und Transportsysteme wasser- und ölabweisend gemacht werden.

In der Medizintechnik, Biotechnologie und Umwelttechnik bietet die Plasma-Oberflächentechnik in den verschiedenen Einsatzbereichen enormes Potenzial. Bei der Auslegung von Oberflächen z.B. für OP-Bestecke, Implantate, Stents und Prothesen stehen Verschleißschutz, Biokompatibilität und antibakterielle Eigenschaften im Vordergrund. Gezielte Oberflächenmodifizierungen an Mikrofluidik- und Diagnostik-Komponenten (Hydrophilie, Hydrophobie, hohe Affinität für die Anlagerung von Biomolekülen) gewinnen stetig an Bedeutung.  Anwendungen sind z. B. Dialysegeräte, Katheter, Zellkulturwachstum oder Biosensoren. Sterilisationen mittels Plasma können ebenfalls besondere Anforderungen erfüllen.

In den Bereichen Biologie, Hygiene oder Medizin besteht ein großer Bedarf, Oberflächen zu behandeln. Mit gezieltem Einsatz von Plasmen können auch Heilungsprozesse der Haut beschleunigt oder Keime abgetötet werden. Gerade für Patienten mit chronische Wunden bestehen Heilungschancen.

In der Landwirtschaft und Ernährungswirtschaft sind ebenfalls zunehmend höhere Anforderungen zur Sicherstellung der Erträge oder Produkte spürbar. Plasmatechnik bietet hier ebenfalls Lösungen bei den Themen Keimfreiheit, Desinfektion, Sauberkeit oder Sensorik.

Diese Bereiche stellen immer höhere Anforderungen an Nachhaltigkeit, Lebensdauer, Belastbarkeit und Funktionalität ihrer Komponenten. Im Vordergrund stehen:

• Reibungsreduzierung sowie Verschleiß- und Korrosionsschutz
• eine hohe Leistungsfähigkeit bei geringem Gewicht und Bauraum
• die Realisierung optischer und sensorischer Fähigkeiten zur Sicherung lebenswichtiger Funktionen
• Substitution kritischer Substanzen
• Weitentwicklung von Energiespeichern
• Realisierung smarter Systeme mit integrierter Sensorik 
• Funktionalisierte Oberflächen zwecks Desinfektion mit antibakteriellen Schichten
• Entspieglung und Optische Systeme
• Eisfreie Oberflächen

Plasma-Oberflächentechnik ist ein Innovationstreiber für elektronische Komponenten. Datenspeicher und Displays basieren auf einer Vielfalt von magnetischen oder optischen Beschichtungen. In der Elektronik werden dünne Schichten z.B. bei feinstrukturierten optischen und elektrischen Leiterbahnen oder definierten Isolationssystemen (Hochohm- und Isolationsschichten als EMV- und ESD-Schutz) eingesetzt. Weitere Anwendungen sind Schaltungsträger für 3D-MID-Anwendungen, Lichtschrankensysteme, Bussysteme oder Mikroschalter.

Displays werden immer anspruchsvoller. Smartphones, Wearables oder TV verlangen spezielle Lösungen mittels neuartige Schichten um eine fortgeschrittene optische Leistung und Qualität zu erreichen.