Dünnschichttechnologie

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Unter dem Begriff Dünnschichttechnologie werden Beschichtungsverfahren zusammengefasst, die auf Werkstoffoberflächen Schichten oder Überzüge mit weniger als 1 µm Dicke erzeugen. Die Größenordnung liegt im Bereich von wenigen bis einigen hundert Nanometern. Daraus resultiert die oft verwendete Bezeichnung Nanotechnologie. Neben vielfältigen Anwendungen in unterschiedlichen Bereichen der Industrie greifen auch immer öfter Konversionsverfahren für den Korrosionsschutz auf diese Beschichtungstechnik zurück. Hier erfahren Sie, wie diese Verfahren ablaufen und welche Vorteile sich daraus ergeben.

Überblick über Verfahren und Anwendungsgebiete der Dünnschichttechnologie

Die Nanotechnologie basiert auf der Abscheidung von Stoffen aus Flüssigkeiten oder Gasen auf die Oberfläche von Werkstücken bzw. auf der chemischen Reaktion von flüssigen oder gasförmigen Stoffen mit dem Werkstoff. Dementsprechend unterscheidet die Dünnschichttechnologie physikalische und chemische Nanotechnologie.

Zur physikalischen Nanotechnologie gehören die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und die Galvanotechnik.

Anwendungsgebiete sind vor allem

• Messtechnik
• Medizintechnik
• Werkzeugbeschichtung
• Halbleitertechnik
• Membrantechnik
• Optik
• Korrosionsschutz

Anwendungsbeispiele nach Industriezweigen

Die Vielseitigkeit der Dünnschichttechnologie zeigt sich in ihrer breiten Anwendung in verschiedensten Industriezweigen. In der Automobilindustrie hat sich die Nanotechnologie besonders bei der Vorbehandlung von Karosserieteilen vor der kathodischen Tauchlackierung etabliert, wo sie trotz geringerer Schichtdicke vergleichbare oder sogar bessere Korrosionsschutzeigenschaften als konventionelle Phosphatierungen erreicht. Der Landmaschinenbau profitiert von der verbesserten Beständigkeit der Beschichtungen gegen extreme Witterungsbedingungen und aggressive Medien wie Düngemittel oder Salzlösungen. In der Möbelindustrie ermöglicht die Dünnschichttechnologie eine optimale Vorbereitung von Metallgestellen für die anschließende Pulverbeschichtung, wobei die niedrigen Prozesstemperaturen auch die Behandlung temperaturempfindlicher Bauteile erlauben. Besonders in der Elektronik- und Medizintechnik gewinnen ultradünne Beschichtungen an Bedeutung, da sie funktionale Eigenschaften wie Leitfähigkeit oder Biokompatibilität gezielt beeinflussen können, ohne die Bauteilgeometrie merklich zu verändern.

Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)

Die chemische Gasphasenabscheidung ist ein Verfahren der Dünnschichttechnologie, bei dem sich das zu beschichtende Werkstück und reaktionsfähige Gase in einer Reaktionskammer befinden. Das Werkstück wird elektrisch beheizt. Hat es eine bestimmte Temperatur erreicht, reagieren die Gase im Bereich der Werkstückoberfläche miteinander. Die Reaktionsprodukte setzen sich auf der Oberfläche ab und werden vom Material chemisch gebunden.

Dabei verbinden sich an der Grenzfläche Werkstoffatome und die Moleküle der Reaktionsprodukte miteinander. Dieser Vorgang wird als Chemisorption bezeichnet. Die chemische Gasphasenabscheidung zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass sich auch an komplexen Oberflächen mit Bohrungen und Hohlräumen eine äußerst gleichmäßige Schicht bildet.

Sol-Gel-Verfahren

Mit dem Sol-Gel-Verfahren lassen sich im Rahmen der Dünnschichttechnologie stabile organische Beschichtungen erzeugen. Sole, auch kolloidale Lösungen genannt, sind Mischungen aus sehr kleinen Feststoffpartikeln in einer Flüssigkeit. Sie nehmen eine Zwischenstellung zwischen Suspensionen und Lösungen ein.

Bestehen die Feststoffteilchen aus bestimmten organischen oder anorganischen Verbindungen, können sie gelieren. Während die Flüssigkeit mehr und mehr verdampft entsteht zunächst ein dickflüssiges Gel, das sich aus einem Grundgerüst und in den Poren eingeschlossener Flüssigkeit zusammensetzt. Die Beschichtung erfolgt unter anderem dadurch, dass das Werkstück in das Gel eingetaucht und langsam herausgezogen wird.

Erzeugung von Konversionsschichten

Zur Vorbereitung von Oberflächen auf die Lackierung werden vor allem auf Eisenmetallen und Aluminium Konversionsschichten erzeugt, in denen Werkstoffatome und Prozesschemikalien chemisch miteinander verbunden sind. Bekannt sind vor allem die Phosphatierung, die Zinkphosphatierung und die Chromatierung. Die Konversionsschicht verbessert den Korrosionsschutz und die Lackhaftung.

Als Alternative zu den konventionellen Konversionsverfahren, bei denen Schichtdicken von 1 bis 2 µm entstehen, bildet sich bei der Dünnschichttechnologie eine 0,1 bis 0,2 µm dicke Konversionsschicht. Geringste Verunreinigungen der Oberflächen würden hierbei sehr stören. Deshalb ist vor dem Einsatz von Nanotechnologien für die Erzeugung der Konversionsschichten eine besonders sorgfältige Teilereinigung erforderlich.

Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)

Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung kondensiert verdampftes Material in einer meist luftleeren Beschichtungskammer auf der Werkstoffoberfläche. Beim Abkühlen erstarrt die Beschichtung.

Dabei werden unter anderem thermisches Verdampfen, Ionenbeschuss oder Kathodenzerstäuben eingesetzt.

Galvanotechnik

Die Galvanik ist eine Beschichtungstechnik, die auf der elektrischen Leitfähigkeit von Salzlösungen beruht. Die Salzlösungen werden auch als Elektrolyt bezeichnet. In einem Stromkreis aus Spannungsquelle, Elektrolyt und Werkstück transportieren Metallionen elektrische Ladungen durch die Flüssigkeit. Am Werkstück angekommen, geben sie ihre Ladung an den Stromkreis ab und setzen sich als festes Metall auf die Werkstückoberfläche. Die anliegende Spannung, die Prozessdauer und die Badzusammensetzung entscheiden über die Dicke der Beschichtung. Durch die Wahl der einzelnen Parameter lassen sich metallische Überzüge herstellen, die den Anforderungen der Dünnschichttechnologie entsprechen.

Qualitätssicherung bei Dünnschichtbeschichtungen

Die extrem geringen Schichtdicken der Nanotechnologie erfordern hochpräzise Prüfverfahren zur Qualitätskontrolle. Während bei konventionellen Phosphatierungen die Schichtdicke noch mit einfachen Methoden messbar ist, kommen bei Nanobeschichtungen hauptsächlich die Röntgenfluoreszenz-Analyse und die Rasterelektronenmikroskopie zum Einsatz. Die Funktionalität der Beschichtung wird durch standardisierte Korrosionsschutzprüfungen wie den Salzsprühtest nach DIN EN ISO 9227 bewertet, wobei die Prüfdauer aufgrund der geringeren Schichtdicke oft angepasst werden muss. Besonders kritisch ist die Bewertung der Lackhaftung, da diese maßgeblich von der Gleichmäßigkeit der Nanobeschichtung abhängt. Moderne Inline-Prüfsysteme ermöglichen heute eine kontinuierliche Überwachung der Beschichtungsqualität während des Produktionsprozesses und sorgen für gleichbleibend hohe Standards.

Dünnschichttechnologie bei Kluthe

Kluthe bietet als Alternative für die Eisen- und Zinkphosphatierung die DECORRDAL 900er- und DECORRDAL 600er-Reihe für die Dünnschichttechnologie an. Damit steht Chemie für die Erzeugung einer Konversionsschicht auf unterschiedlichsten Metallen zu Verfügung. Die Produkte sind multimetall-fähig. Die chemische Nanotechnologie dieser Beschichtungstechnik beruht auf dem Einsatz von Oxiden und Zirkonium. Diese Prozesschemikalien bilden zusammen mit dem Grundwerkstoff die hauchdünne Konversionsschicht.

Breite Anwendung finden sie beim Bau von Landmaschinen, Flurförderfahrzeugen, Baumaschinen, Druckmaschinen und in der Möbelindustrie. Die qualitativ hochwertigen, leistungsfähigen Verfahren der Nanotechnologie sind durch niedrige Ansatzkonzentrationen, geringe Verbräuche und die Wirksamkeit bei niedrigen Temperaturen bis hin zu Raumtemperatur gekennzeichnet. Sie sind dadurch wesentlich umweltfreundlicher als die konventionellen Verfahren.

Vorteile der Dünnschichttechnologie

Die Vorteile der Dünnschichttechnologie liegen hauptsächlich im Einsatz nachhaltiger Chemie. Das liegt einerseits an der energiesparenden Prozessführung und dem niedrigen Rohstoffverbrauch. Die Nanotechnologie ist schon bei Temperaturen ab 25 °C wirksam. Der niedrige Rohstoffverbrauch resultiert vor allem aus der geringen Schichtdicke und dem nahezu vernachlässigbaren Anfall von Produktionsschlämmen. Dadurch reduzieren sich auch der Aufwand für Wartung und Instandhaltung sowie das Abfallaufkommen.

Umweltvorteile der Dünnschichttechnologie

Die Dünnschichttechnologie leistet einen erheblichen Beitrag zur Verbesserung der Umweltbilanz in der Oberflächentechnik. Durch die niedrigen Prozesstemperaturen zwischen 25 und 60 Grad Celsius entstehen bis zu 70 Prozent geringere CO₂-Emissionen im Vergleich zu konventionellen Verfahren, die oft Temperaturen von 80-95 Grad Celsius erfordern. Der drastisch reduzierte Schlammanfall – teilweise um über 90 Prozent – verringert nicht nur die Entsorgungskosten, sondern schont auch natürliche Ressourcen. Chromfreie Formulierungen eliminieren zudem die Entstehung von Sondermüll und verbessern die Recyclingfähigkeit behandelter Werkstücke erheblich. Die geringeren Chemikalienverbräuche reduzieren sowohl die Umweltbelastung bei der Herstellung als auch die Transportemissionen. Viele Dünnschichtverfahren arbeiten bereits heute klimaneutral, wenn sie mit erneuerbaren Energien betrieben werden, und tragen damit aktiv zu den Klimazielen der Industrie bei.

Marktentwicklung und Zukunftsperspektiven der Nanotechnologie

Die Dünnschichttechnologie verzeichnet weltweit ein kontinuierliches Wachstum von jährlich etwa 8-12 Prozent. Treibende Faktoren sind verschärfte Umweltauflagen, steigende Energiekosten und der zunehmende Druck auf Unternehmen, nachhaltigere Produktionsprozesse zu etablieren. Besonders in der Automobilindustrie steigt die Nachfrage nach chromfreien Alternativen zu herkömmlichen Konversionsverfahren, da die REACH-Verordnung den Einsatz von Chrom(VI)-Verbindungen stark einschränkt. Experten prognostizieren, dass bis 2030 etwa 40 Prozent aller Konversionsbehandlungen auf Dünnschichttechnologie umgestellt werden. Die Entwicklung geht dabei in Richtung noch dünnerer Schichten bei gleichzeitig verbesserter Funktionalität, wobei hybride Verfahren an Bedeutung gewinnen, die verschiedene Nanotechnologien miteinander kombinieren.