Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMTribologie und Oberflächendesign
Beanspruchungen in Fertigungsprozessen oder im Einsatz greifen häufig an den Oberflächen von Bauteilen an. Zudem bestimmen die Bauteiloberflächen oftmals die Funktionalität des damit verbundenen technischen Systems. Das Fraunhofer IWM verfügt über fundiertes Know-how sowie umfangreiche Methoden und Verfahren, um die Oberflächen von Bauteilen und Komponenten hinsichtlich der jeweils geforderten Eigenschaften einzustellen, beispielsweise für einen niedrigen Reibwert, eine verbesserte Beständigkeit oder eine gewünschte optische Anmutung.
Am Anfang einer kundenspezifischen Entwicklung steht meist die Aufklärung oberflächenbedingter Versagensmechanismen mithilfe moderner Versuchsstände oder der Aufbau von neuen, der jeweiligen Fragestellung angepassten Analysemethoden zur Oberflächencharakterisierung. Eine besondere Stärke des Fraunhofer IWM ist dabei die Begleitung der experimentellen Arbeiten mit vielfältigen Simulationsmethoden auf der Nano- und Mesoskala. Mit atomistischen DFT-Rechnungen können Vorhersagen zu Schicht- und Grenzflächeneigenschaften erstellt und material- und mikrostrukturabhängige Trends, beispielsweise zur Schichthaftung oder Diffusion, abgeleitet werden. Mit thermodynamisch-kinetischen Berechnungen der Interdiffusion zwischen verschiedenen Schichten oder zwischen Schicht und Substrat können im Einsatz veränderliche intermetallische Phasen berechnet werden. Basierend auf diesen Informationen können zum Beispiel Wärmebehandlungen bewertet, Schichteigenschaften vorhergesagt und Aussagen zur Langzeitstabilität der Schichten getroffen werden. So verkürzen sich die Zeiten für nachfolgende Schicht- und Verfahrensentwicklungen beziehungsweise ermöglichen diese erst.
Das Fraunhofer IWM untersucht unterschiedlichste Fragestellungen, beispielsweise aus dem Bereich der Lagerherstellung, um möglichst schnell stabile Reibungsverhältnisse zu erreichen, Notlaufeigenschaften sicherzustellen oder eine möglichst lange Lebensdauer zu erreichen. Im Anlagen- und Maschinenbau beantwortet das Fraunhofer IWM Fragen nach Korrosionsmechanismen, Barriereeigenschaften, Wirkungsgradverbesserungen sowie der Einsatzmöglichkeit von Materialpaarungen. Für die Spritzguss- und Optikherstellung werden Verfahren zur schadensfreien Entformung entwickelt, sowie Online-Temperaturmessungen auf der Formenwerkzeugoberfläche erarbeitet. Neben der Qualifizierung von Schichten erarbeitet das Fraunhofer IWM leistungsfähige Beschichtungsmethoden zur gezielten Einstellung geforderter Schichteigenschaften wie Reibverhalten, Barrierewirkung und Korrosionsstabilität.
Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IWM
Oberflächenfunktionalisierungen
Charakterisierung und Steuerung von Verschleiß, Benetzungsverhalten, optischer Anmutung, Glanzgrad oder Haptik von Bauteiloberflächen
Charakterisierung der Kontur und Topografie von Oberflächen:
Rasterkraftmikroskop AFM
Rasterelektronenmikroskop REM
Profilometer und Rauheitsmesseinrichtungen
Lichtmikroskope
Konfokal-Laserscanningmikroskop CLSM
Weißlichtinterferometer WLI
Interferometer mit Phasenschieber
Bestimmung der Oberflächenleitfähigkeit und wellenlängenabhängige Messung von Reflexion, Transmission und Farbe:
Hochohm-Widerstandsmessgerät
4-Punkt-Widerstandsmessung
Glasfaserspektrometer
Wellenfrontmessplatz
Beschichtung und Plasmabehandlung von Oberflächen mit verschiedenen Verfahren:
Reaktives Magnetron-Sputtern (HF, DC, Puls-DC)
Ionenstrahltechniken
Elektronenstrahlverdampfer
PECVD-Anlagen
Plasmaätzer
Chemisch-mechanische Eigenschaften
Bewertung, Anpassung und Optimierung der Korrosionsstabilität, Adhäsion, Katalyse, Materialverträglichkeit, Diffusivität von Bauteiloberflächen
Bestimmung der chemisch-strukturellen Zusammensetzung von Komponentenoberflächen und Schichten, ortsaufgelöst und tiefenabhängig sowie Phasenanalysen:
Konfokales Raman-Mikroskop
FTIR-Spektrometer
ICP-OES Optisches Emissionsspektroskop
Glimmentladungsspektrometer GDOES
Energiedispersives Röntgenspektroskop EDX
Röntgenphotoelektronenspektroskop XPS
Quadropolmassenspektrometer
Strukturaufklärung, und Eigenspannungsanalysen:
Röntgendiffraktometer (XRD)
Dünnschichtanalyse:
Röntgenreflektometrie (XRR)
Phasenanalyse:
Hochauflösendes EBSD gekoppelt mit EDX
Messung von Oberflächenenergien und Kontaktverhalten:
Prüfstände für Glas- und Kunststoffkontakt
Kontaktwinkelmessgerät mit Temperaturmesszelle
Direkte Messung des Korrosionsverhaltens:
Atlas-Zellen-Prüfstand (cold wall effect)
Hochspannungsporenprüfgerät Elcometer 266
Prüfstand für elektrochemisches Rauschen
Elektrolysezelle zur Messung der Wasserstoffdiffusion
Prüfstand zur Korrosion in heißen Salzschmelzen
Erfassung der chemischen Zusammensetzung von Flüssigkeiten und Gasen:
ICP-OES (optische Emissionsspektroskopie)
Quadrupolmassenspektrometer
Messung der H2-Diffusion:
Gaspermeationsprüfstand zur temperaturabhängigen Messung der Diffusion durch Membranen und Schichten
Elektrochemischer Permeationsprüfstand
Darstellung und Untersuchung von Schichtfolgen:
Präparation von Schliffen
Anwendungsspezifische Konditionierung von Oberflächen:
Beschichtungen
Strahlprozesse (Metalle, Keramiken)
Wärmebehandlungsverfahren
Mechanische Eigenschaften
Optimierung von Tribopaarungen, Bestimmung von Reibwert, Verschleißbeständigkeit, Notlaufeigenschaften, Schmierstoffstabilität, Frettingverhalten von Bauteilen im Einsatz
Bestimmung des tribologischen Verhaltens mit anwendungsspezifisch angepassten Tribo-Prüfständen:
Kolbenring-Liner Simulator mit Radionuklid-Technologie RNT
Stift-Scheibe-Tribometer mit RN-T Technologie
Gleitlager- und Komponentenprüfstand mit RN-T
Stift-Scheibe-, Wälzverschleiß- und Kugellagerprüfstände
Oszillierende Gleitverschleißprüfeinrichtung
Mikrotribometer
Tribokorrosionsprüfstand
Hysitron Triboindenter TI 950
Oberflächentester Tetra BASALT MUST, BASALT HOMAT
selbstentwickelte UHV Mikrotribometer und Multiskalentribometer
Eistribometer
Rheometer
Motorenprüfstand
Simultane Testung von Reibpaarungen:
Tribometerfarm (z. B. zur Schmierstoffentwicklung)
Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Randschichten und Beschichtungen wie Schichtdicke, Härte, Haftung, Eigenspannungen und E-Modul:
Schichtdickenmessung (Wirbelstrom, Magnetinduktiv)
ScanningScratchTest SST
Abreißtest
Nanoindenter
Rockwell-Eindruck, Kugeleindruck
Scratch
Zygo-Interferometer zur Verwölbungsmessung
Kugelschlag-Test
Mikromechanik-Prüfstand
Beschichtung und Konditionierung von Oberflächen
Verfahren zur Erarbeitung und Aufbringung anwendungsspezifischer Beschichtungen, ggf. in Kombination mit geeigneten Oberflächenkonditionierungen:
Reaktives Magnetron-Sputtern (HF, DC, Puls-DC) mit HF-Substratbiasing (Substrattemperaturen bis 1 000 °C)
Ionenstrahltechniken
Elektronenstrahlverdampfer
PECVD-Anlagen
Plasma-CVD-Beschichtungsanlagen CCP/ICP
Mehrkammerbeschichtungsanlage für Multilagenbeschichtungen und Hybridschichten
Plasmaätzanlagen
Nasschemische Beschichtungsanlagen (Spin-Coating, Rakelbeschichtung, Tauchbeschichtung)
Ionenätzanlage zur Probenpräparation und Oberflächenbearbeitung
Ultra-Präzisionsdreh-, -schleif und -fräsmaschine zur Diamantbearbeitung von Formgebungswerkzeugen
Kugelstrahlanlagen zur Verfestigung und Strukturierung von Oberflächen
Oberflächendesign und Funktionalisierung durch Mikrostrukturierung mithilfe von Zwei-Photonen-Lithographie
Konstruktion und Herstellung von hoch aufgelösten und detailgetreuen Mikrostrukturen auf festen oder flexiblen Substraten. Damit kann eine Anpassung der Oberflächenstruktur realisiert werden und somit die Benetzbarkeit gezielt eingestellt werden (Nanoscribe Photonic Professional GT)
Entwerfen von Mikrobauteilen, die unter bestimmten mechanischen Belastungen komplexe Reaktionen zeigen und damit wie ein technisches System reagieren können
Mikromechanik-Untersuchungen der additiv hergestellten Bauteile für Funktionsnachweise