Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Oberflächen für mehr Funktionalität und Leistungsfähigkeit#
© Fraunhofer IWM
Tribologie 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