Projekt 03871/01

Reinigung von technischen Oberflächen für plasmaunterstützte Beschichtungsprozesse

Projektdurchführung

Plasma Technik Grün GmbH
Postfach 210643
57030 Siegen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Reinigung und Vorbehandlung industrieller Produkte für die Beschichtungstechnik erfordert ökonomisch und ökologisch vertretbare Verfahren, die ein Höchstmaß an Reinigungsqualität, Flexibilität und Zuverlässigkeit liefern. Daher war es Ziel dieses Forschungsvorhabens, neue und bekannte Vorbehandlungsverfahren hinsichtlich unterschiedlicher Werkstoffe und Verschmutzungen zu bewerten, mit dem Beschichtungserfolg zu korrelieren und den beteiligten Industriepartnern praxistaugliche Handlungsempfehlungen zu liefern.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenUnter der Berücksichtigung eines breiten Werkstoffspektrums an Metallen, Glas, Kunststoff und Hartmetall sollten geeignete Systemlösungen erarbeitet werden, die eine beschichtungsgerechte Substratvorbehandlung für unterschiedliche Schichtsysteme liefern und somit zu einer weiteren Verbreitung der Schicht- und Oberflächentechnik in alle relevanten Industriefelder beitragen. Gleichzeitig muss aber ein umweltgerechter Einsatz dieser Reinigungsverfahren gefordert werden, der mit geringstmöglichem Aufkommen an Abfall, Abwasser und Emissionen verbunden ist.
In der ersten Projektphase wurden die bekannten Reinigungssysteme (Kohlenwasserstoffe, halbwässrige Kaltentfettung, wässrige Reinigung) und weniger oft eingesetzte Verfahren wie die Plasmareinigung und Ozonreinigung anhand einer definierten Verschmutzung von ausgewählten Substraten (Wälzlagerstahl, Kaltarbeitsstahl, Hartmetall) miteinander verglichen. Als Beurteiligungskriterien dienten die Oberflächenenergie bzw. Benetzbarkeit und die chemische Analyse eventueller Rückstände auf den gereinigten Oberflächen sowie die Haftfestigkeit aufgebrachter Beschichtungen. Für die zweite Projektphase wurde festgelegt, die wässrige, halbwässrige und kohlenwasserstoffbasierte Reinigung neben bzw. in Kombination mit der Plasmareinigung zu untersuchen, um daraus konkrete Handlungsempfehlungen und Konzepte für die industrielle Praxis abzuleiten. Dabei sollen praxistaugliche Handlungsempfehlungen für spezifische Anwendungsfälle abgeleitet und optimiert werden. Die Anlagenkonzepte sollen eine größtmögliche Anwendungsbreite und Flexibilität aufweisen, was mit einem minimalen Einsatz an Reinigungschemie und Spülwasser erzielt werden soll. Nach Möglichkeit soll das Spektrum der untersuchten Werkstoffe erweitert und auf reale, großformatige Bauteile ausgedehnt werden. Das Zusammenspiel der bereits bekannten Einflussgrößen, Chemikalienkonzentration, Temperatur, Behandlungsdauer und mechanische Unterstützung soll detaillierter untersucht werden, mit dem Ziel, eine ökonomische und ökologische Prozessführung mit hoher Stabilität zu erreichen. Zur Beurteilung und Überwachung der Bad- und Spülwasserqualität und ihres zeitlichen Verlaufes müssen geeignete Untersuchungsmethoden ausgewählt und herangezogen werden.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen dieses zweiphasigen Projektes wurden die bekannten nasschemischen Reinigungsverfahren auf der Basis von Wasser und Kohlenwasserstoffen bzw. die halbwässrigen Systeme miteinander verglichen. Ziel war eine qualitative Verbesserung und umweltgerechte Substratvorbehandlung für die plasmagestützte Beschichtungstechnik (PVD, PACVD) zu entwickeln. Die bislang weniger bekannten Reinigungsverfahren, die mit Plasma oder Ozon arbeiten, wurden ebenfalls untersucht.
Durch gezielte Optimierung der Prozessparameter konnte eine deutliche Steigerung der Schichthaftung von Hartstoffschichten (TiN, DLC, Me-DLC) erreicht werden. Dabei erwiesen sich die wässrigen Reiniger durchweg als besser geeignet, da sie ein größeres Spektrum an Verschmutzungen entfernen und ihre Produktvielfalt eine größere Flexibilität zulässt. Ein großes Potential und weitere Steigerung der Beschichtungsqualität wurde durch die Kombination mit der verfahrensimmanenten Plasmareinigung erzielt, die vor allem organische Reste der unvermeidlichen Wiederverschmutzung beim Transport entfernt. Allerdings stellt die Plasmareinigung eine zwar notwendige Ergänzung aber keine Alternative zur Nassreinigung dar.
Für einzelne Werkstoffe wurden gezielte Reinigungsprozeduren entwickelt, so dass bei Hartmetallen die Kobaltauswaschung drastisch minimiert und korrosionsempfindliche Stähle mit einem Schutzfilm versehen werden. Bei Gläsern und Kunststoffen ist besonders auf eine hohe Qualität des Wassers zu achten. Aus den Untersuchungen der Projektpartner wurden Konzepte für neue Reinigungsanlagen entwickelt und umgesetzt, die bei den finanziellen Vorgaben ein Höchstmaß an Flexibilität und Qualität liefern. Dabei wurde besonders auf eine signifikante Ersparnis an Reinigungsmitteln und Wasser bei gleichzeitiger Steigerung der Badlebensdauer geachtet.
Die Erwartungen eine universelle, zuverlässige Methode zur Beurteilung der gereinigten Oberflächen zu finden, erfüllten sich nur teilweise mit der Bestimmung der Oberflächenenergie bzw. Benetzung und der Restfettanalyse durch IR-Spektroskopie. Ein größeres Potential scheint demgegenüber in der Überwachung der Badqualität durch Messung der Leitfähigkeit und der dynamischen Oberflächenspannung zu liegen.
Die umfangreichen Untersuchungen zur Aufbereitung gebrauchter Reinigungsmedien ergab bessere Ergebnisse für die Kohlenwasserstoffe im Vergleich zu den wässrigen Systemen. Durch verschiedene Maßnahmen konnte die Trennleistung der Fraktionierkolonnen stark verbessert werden, wobei in der zukünftigen Entwicklung der völlige Verzicht auf Amin- und Silikonverbindungen empfohlen wird.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Eine Publikation ist in der Zeitschrift mo 06/2001 erfolgt.


Fazit

Die (plasmagestützte) Beschichtung ist ohne die geeignete Reinigung und Vorbereitung nicht durchführbar, die daher als unverzichtbarer Bestandteil der Fertigungskette anzusehen ist. Eine sorgfältige Reini-gung trägt dazu bei, die Schichtqualität zu verbessern und Schichtfunktionen zu verwirklichen. Durch erhöhte Lebensdauer und Produktivität beschichteter Produkte werden Rohstoffe und Kosten gespart, was sich auf die Umwelt und die Wettbewerbssituation der meist mittelständischen Unternehmen positiv auswirkt. Um das Potential dieser Verfahrenstechnik optimal zu nutzen, müssen Reiniger und Reinigungsabläufe auf das jeweilige Substrat bzw. den Werkstoff und die jeweilige Verschmutzung abgestimmt werden, damit soviel Reinigung wie nötig erfolgen kann. Durch eine gezielte Adaption des Verfahrens auf die konkrete Fragestellung, dazu gehört auch der nachfolgende Prozess, werden Reinigungsmittel und Auf-bereitung eingespart.