Funktionale Schichtsysteme

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

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Für die Beschichtung von Formgebungswerkzeugen, für die Sensorik, Medizin- und Mikrosystemtechnik sowie die Oberflächenfunktionalisierung von Komponenten werden Schichten entwickelt und für den industriellen Einsatz angepasst. Ein Schwerpunkt dabei bildet die Erforschung von selbstorganisierten Strukturbildungsphänomenen beim Schichtwachstum und deren gezielte Ausnützung zur Steuerung von Oberflächeneigenschaften wie Reflektion, Benetzung, Adhäsion und Haptik. Ein Alleinstellungsmerkmal des Leistungsbereichs bildet dabei das umfangreiche Wissen über den Zusammenhang zwischen Schichtabscheideparametern und -verfahren sowie den daraus resultierenden Schichtmikrostrukturen und Eigenspannungszuständen.

Auf dieser Seite:

Leistungen

  • Entwicklung temperaturwechselbeständiger, materialangepasster Werkzeugbeschichtungen für schnelle Spritzgieß- und Spritzprägeprozesse
  • Entwicklung von nanostrukturierten Schichten für Replikationswerkzeuge zur Erzeugung funktionalisierter Komponenten (Entspiegelung, Benetzung)
  • Entwicklung lötfähiger Schichten für Komponenten aus Gläsern, Kunststoffen und Silizium
  • Qualifizierung von Beschichtungen hinsichtlich der Benetzung mit Medien, thermomechanischer Beanspruchungen, Leitfähigkeit, optischer Antwort
  • Entwicklung hochtemperaturbeständiger antiadhäsiver Werkzeugbeschichtungen für das Blankpressen umweltverträglicher bleifreier Gläser
  • Entwicklung neuer biokompatibler Schichtmaterialien mit definierter Mikro- und Nanostruktur für medizinische Implantate
  • Untersuchung von Schichteigenschaften und Schichtfunktionen unter der Wirkung thermischer und mechanischer Belastungen

Beispiele

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Funktionale Nanostrukturen für Sensoric, Optik und Medizintechnik

Die Funktion von Bauteilen und Komponenten kann wesentlich durch gezielte Erzeugung strukturierter Oberflächen beeinflusst werden. Dabei erfordern Anwendungen in Optik, Medizin- und Werkzeugtechnik jeweils unterschiedlich ausgestaltete Oberflächentexturen auf der Mikro- und Nanoskala. Diese werden im Leistungsbereich durch die Ausnützung von Selbstorganisationseffekten beim Wachstum von PVD-Schichten erzeugt. So können zum Beispiel Oberflächen wasser- und schmutzabweisend ausgerüstet, die Zelladhäsion auf der Oberfläche von Implantaten gesteuert und Kunststoffkomponenten direkt im Formgebungsprozess entspiegelt werden.

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Schichten für die Formgebung

Für Heißformgebungsprozesse von Gläsern und Kunststoffen werden antiadhäsive, kontaktinerte und hochtemperaturbeständige Schichtsysteme entwickelt. Für die Beschichtung von Präzisionsformenwerkzeugen für die Mikrooptik werden vorwiegend klassische Hartstoffsysteme sowie edelmetallhaltige Schichten eingesetzt. So können auch neue bleifreie Glassorten mit hoher Brechkraft aber gleichzeitig hoher Erweichungstemperatur und chemischer Aggressivität verarbeitet und neue Optikdesigns ermöglicht werden. Bei der Kunststoffverarbeitung werden materialspezifische Beschichtungen für Formeinsätze entwickelt, die Entformungsbedingungen verbessert und deren Standzeit erhöht.

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Dekorative Beschichtungen mit hoher Beständigkeit

Die kostengünstige Funktionalisierung der Oberflächen von Komponenten aus Werkstoffen wie Metallen, anorganischen Gläsern und Kunststoffen wird für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen gefordert. Dazu werden im Leistungsbereich PVD- (physical vapor deposition) Prozesse entwickelt, eingesetzt und verifiziert. Für Anwendungen im Automobilinterieur werden so zum Beispiel Schichten mit hochwertiger optischer Anmutung, vorgegebenem Farbeindruck und guter Haftung auf Kunststoffkomponenten erzeugt. Über Hybrid-Technologien lassen sich die Farbschichten weiter funktionalisieren und beispielsweise mit einer transparenten, kratzfesten, schmutzabweisenden Schutzschicht versehen.

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Schichtanalytik Beschichtungsperformance

Tribochemie

Das Einsatzverhalten von Schichten wird wesentlich von der Substratvorbehandlung, den Abscheide­bedingungen bei der Schichtaufbringung und den daraus resultierenden Materialeigenschaften wie Härte, chemische Zusammensetzung, Mikrostruktur und Spannungszustand bestimmt. Zur Charakterisierung dieser Eigenschaften ist eine umfangreiche und moderne Analytik vorhanden. Zur Bestimmung der Schichthaftung auf unterschiedlichen Substraten wurde ein Chevron-Test entwickelt. Zur Charakterisierung der tiefenabhängigen Materialzusammensetzung wird die optische Glimmentladungsspektroskopie eingesetzt. Die Analysen tragen dazu bei, Versagensmechanismen aufzuklären und Beschichtungsprozesse zu optimieren.

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Patente

Patent DE 100 39 208 A1 Fh-IWM: Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs, das zur Schaffung optisch wirksamer Oberflächenstrukturen im sub-µm Bereich einsetzbar ist, sowie ein diesbezügliches Werkzeug

DE 102 00 40 19951 A1 Fh-IWM: Vorrichtung mit einer kratzbeständigen und über optimierte Benetzungseigenschaften verfügenden technischen Oberfläche sowie Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung

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Publikationen

Projekt-Abschlussberichte

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Über den Link gelangen Sie zur Seite von Fraunhofer Publica, auf der Sie unsere Veröffentlichungen recherchieren können: Fraunhofer Publica

Liste der Veröffentlichungen der Gruppe Funktionale Schichtsysteme:

  • Gurr, M.; Fromm, A.; Burmeister, F.; Herstellung funktionaler Oberflächen; Konstruktion 6 (2013) IW 5-7; 587/2013

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  • Hagen, J.; Burmeister, F.; Rendtel, A.; Kübler, M.; Burr, A.; A novel composite ceramic material as heating elements in injection molding processes; cfi – ceramic forum international 88/4 (2011) E23-E26; M42/2011

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  • Burmeister, F.; Hagen, J.; Denter, J.; Wirth, M.; Fromm, A.; Kleer, G.; Hybrid inorganic-organic functional coatings for injection molding applications; Plasma Processes and Polymers 6 (2009) 1-5; M 46/2010, Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Hagen, J.; Burmeister, F.; Fromm, A.; Manns, P.; Kleer, G.; Iridium coatings with titanium sub-layer deposited by RF magnetron sputtering: Mechanical properties and contact behavior with RoHScompliant glass melt; Plasma Processes and Polymers 6 (2009) 678-683; M 41/2010
  • Kohn, C.; Hug, M.; Kübler, R.; Krappitz, M.; Kleer, G., Increase of the strength of screen printed silicon solar cells by post Treatments; in Proc. of 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition; WIP-Renewable Energies, München (2010) 2062-2065; M 210/2010

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  • Burmeister, F.; Hagen, J.; Von der Einfachschicht zu funktionalen Hybridschichtaufbauten; Konstruktion 11-12 (2008) IW 15
  • Burmeister, F.; Hagen, J.; Denter, J.; Wirth, M.; Fromm, A.; Kleer, G..; Hybrid inorganic-organic functional coatings for injection molding applications; Plasma Pol. Surf. Sci, submitted
  • Burmeister, F.; Kohn, C.; Kuebler, R.; Kleer, G.; Bläsi, B.; Gombert, A.; Applications for TiAlN- and TiO2-coatings with nanoscale surface topography; Surface and Coatings Technology 200 (5-6)(2005) 1555–1559
  • Burmeister, F.; Schäffer, E.; Kleer, G.; Döll, W.; Bläsi, B.; Gombert, A.; Investigation of structured TiAlN- and TiO2-coatings with moth-eye like surface morphologies; Surface and Coatings Technology 200 (1-4) (2005) 1088–1092; M 57/2005
  • Hagen, J.; Burmeister, F.; Fromm, A.; Manns, P.; Kleer, G..; Iridium coatings with titanium sub-layer deposited by RF magnetron sputtering: Mechanical properties and contact behavior with RoHS-compliant glass melt; Plasma Pol. Surf. Sci, submitted

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