Produktionstechnik für funktionale Oberflächen

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1 Titelthema Aufsatz Strategie, Produktionstechnik, Oberflächentechnik Produktionstechnik für funktionale Oberflächen Perspektiven, Forschungs- und Handlungsbedarf U. Heckmann, R. Bandorf, W. Diehl, H. Holeczek, U. Klotzbach, S. Kondruweit-Reinema, A. Leson, M. Metzner, A. Pflug, O. Zimmer Im Februar 2008 erschien die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Untersuchung Produktionstechnik zur Erzeugung funktionaler Oberflächen (Download im Internet unter: Um den Forschungs- und Handlungsbedarf in diesem Umfeld zu ermitteln, befragten die beteiligten Fraunhofer- Institute Experten aus Wirtschaft, Verbänden und Wissenschaft. In Diskussionsrunden, Interviews und mit der Auswertung einer um - fangreichen Befragung wurden drei wesentliche Handlungsfelder identi fiziert, die in diesem Beitrag kurz vorgestellt werden. Dr. Ralf Bandorf Dipl.-Ing. Wolfgang Diehl Dipl.-Phys. Ulrike Heckmann Dr. Simone Kondruweit-Reinema Dr. Andreas Pflug Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST Bienroder Weg 54 E, D Braunschweig Tel. +49 (0)531 / oder -581 Fax +49 (0)531 / ralf.bandorf@ist.fraunhofer.de oder ulrike.heckmann@ist.fraunhofer.de Internet: Dipl.-Ing. Harald Holeczek Dr. Martin Metzner Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA Nobelstr. 12, D Stuttgart Tel. +49 (0)711 / oder Fax +49 (0)711 / harald.holeczek@ipa.fraunhofer.de oder martin.metzner@ipa.fraunhofer.de Internet: Dr. Udo Klotzbach Dr. Andreas Leson Dr. Otmar Zimmer Fraunhofer-Institut für Werkzeug- und Strahltechnik IWS Winterbergstr. 28, D Dresden Tel. +49 (0) 351 / oder Fax +49 (0) 351 / andreas.leson@iws.fraunhofer.de oder otmar.zimmer@iws.fraunhofer.de Internet: Danksagung Die Untersuchung wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenkonzeptes Forschung für die Produktion von morgen gefördert und vom Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe (PTKA) betreut. Der besondere Dank gilt Dr. Isabella Wieczorek (BMBF) sowie Dipl.-Ing. Stefan Scherr (PTKA) für die intensive Betreuung des Projekts. Weiterer Dank gilt den Experten aus Industrie, Forschung und Verbänden für ihre Unterstützung und den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der beteiligten Institute für ihr außerordentliches Engagement. Manufacturing technology for functional surfaces Perspectives, needs for research and further activities An investigation about manufacturing technologies for functional surface s was published in February 2008 by three leading research institu tes of the Fraunhofer-Gesellschaft (download from: fraunhofer.de). Interviews and roundtable discussions with leading experts from science and industry and the analysis of a comprehensive questionnaire led to the identification of needs for further research and action in this field. The article gives a summary of the full report. 1 Einleitung Made in Germany das gilt auch heute noch als Qualitätsmerkmal eines Produkts. Doch die Konkurrenz wächst und damit Produkte aus Deutschland sich auch in der Zukunft auf dem Weltmarkt durchsetzen können, muss das Preis-Leistungsverhältnis stimmen: Eine kostengünstige Produktionstechnik muss mit hohem Kundennutzen, hoher Qualität und mit innovativen Produkten einhergehen. Nur mit Innovationen lässt sich erreichen, dass es bei der Produktion von morgen nicht nur Made in Germany, sondern Made AND INVENTED in Germany heißt. Ein Ansatz dies zu realisieren sind lokal funktionalisierte Oberflächen. Eine lokale Funktionalisierung kann durch Beschichtung, gezielte Modifikation und Aktivierung sowie über Strukturierung der Bauteiloberflächen erreicht werden. Diese Techniken sind sowohl einzeln als auch in Kombination einsetzbar (Bild 1). Um den aktuellen Stand der Produktionstechnik für funktionale Oberflächen, ihre Zukunftsperspektiven und den Forschungsbedarf festzustellen, wurde die Untersuchung Pro- Bild 1. Ausgewählte Technologien zum Erzeugen funktionaler Oberflächen Alle Rechte vorbehalten. Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf wt Werkstattstechnik online Jahrgang 98 (2008) H

2 PFT Produktionsforschung duktionstechnik zur Erzeugung funktionaler Oberflächen [1] von drei Fraunhofer-Instituten aus den Bereichen Produktions- und Oberflächentechnik durchgeführt. Das FraunhoferInstitut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS und das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST führten in diesem Rahmen einen Expertenworkshop, zahlreiche Experteninterviews und eine umfangreiche Befragung durch. Im Verlauf der Untersuchung wurden drei wesentliche Felder identifiziert, in denen ein konkreter Handlungs- und Forschungsbedarf besteht: Energie- und Ressourceneffizienz in Produkt und Prozess, fertigungsintegrierte Erzeugung funktionaler Oberflächen, Produktionstechnologie mit Hochleistungsprozessen. 2 Energie- und Ressourceneffizienz in Prozess und Produkt Energie und Rohstoffe sind knappe Güter. Ihre effiziente Nutzung ist eine weltweite Herausforderung. Damit lassen sich nicht nur Kosten einsparen, sondern gleichzeitig wird auch die Umwelt geschont. Die Lösung liegt insbesondere in Innovationen und technologischen Entwicklungen, die gleichzeitig die internationale Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands in Zeiten des Klimawandels sichern und stärken [2]. Die Oberflächentechnik ist in diesem Zusammenhang ein besonders wichtiges Handlungsfeld. Bild 2. Potentiale zur Energie- und Ressourceneffizienz in der Galvanotechnik bestehen unter anderem in der Reduzierung des Energiebedarfs und in der optimierten Rückführung von Schichtwerkstoffen These 1: Zur Sicherung und Stärkung der internationalen Marktposition Deutschlands ist eine Steigerung der Energieund Ressourceneffizienz in der Produktionstechnik notwendig. Um die Wettbewerbsfähigkeit auf den Weltmärkten auszubauen, muss das gesamte Potential funktionaler Oberflächen bei ihrer Herstellung und Anwendung genutzt werden. Schwerpunktmäßig besteht im Bereich Ressourcenschonung in der Produktion funktionaler Oberflächen folgender Handlungsbedarf: Reduktion der eingesetzten Materialmengen, verbesserte Rückführung und Rückgewinnung von Schichtwerkstoffen (Bild 2), Etablierung von Stoffkreisläufen, Entwicklung von energieeffizienten Prozessen, Reduzierung von Streubeschichtungen (zum Beispiel bei PVD-Prozessen) [3]. These 2: Durch die Verwendung von Produkten mit funktionalen Oberflächen lassen sich Ressourcen über die gesamte Lebensdauer einsparen. Dies gelingt am besten bei frühzeitiger und ganzheitlicher Berücksichtigung ihrer Möglichkeiten und Charakteristika in der Produktentwicklung. Große Einspareffekte lassen sich durch den Einsatz funktionaler Oberflächen selbst erzielen, denn sie tragen oft maßgeblich zur Verbesserung der Nachhaltigkeit über den gesamten Lebenszyklus der beschichteten Produkte bei. Experten aus Forschung und Industrie sehen einen Entwicklungsbedarf vor allem in folgenden Bereichen: Reibungsminderung zur Erhöhung von Langzeitstabilität und Kraftstoffeinsparung (Bild 3), Vermeiden, Reduzieren und Ersatz von Schmierstoffen, optische Beschichtungen für Wärme- und Sonnenschutzgläser, Alle Rechte vorbehalten. Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf Bild 3. Tribologische Beschichtungen von Motorbauteilen zum Erhöhen der Langzeitstabilität und zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs (Dünnschicht-) Photovoltaik zur Stromerzeugung, oberflächenintegrierte Sensorik und Aktorik [4]. 3 Fertigungsintegrierte Erzeugung funktionaler Oberflächen Eine wichtige Voraussetzung für den Ausbau des technologischen Vorsprungs in Deutschland ist der Einsatz neuartiger Prozesse, um funktionale Oberflächen zu erzeugen. Speziell im internationalen Wettbewerb kann der Einsatz von Hochtechnologien Kostennachteile gegenüber der Fertigung in Niedriglohnländern kompensieren [5]. wt Werkstattstechnik online Jahrgang 98 (2008) H

3 PFT Produktionsforschung Bild 4. Beschichtungskopf für eine Atmosphärendruck-Plasma-CVD- Beschichtung: Mit dieser Technik können kostengünstig große Flächen beschichtet werden Fraunhofer IWS Bild 5. Strukturierte Kupferoberflächen, hergestellt mit einem gepulsten Galvanoprozess Fraunhofer IPA These 3: Hochintegrierte Prozesse sind die Voraussetzung für die nahtlose Einbindung von Oberflächenfunktionalisierung in Fertigungsabläufe. Durch das Verschieben von Prozessgrenzen und die deutliche Prozessintensivierung ergeben sich Möglichkeiten für neue Werkstoffe und Einsatzfelder. Um funktionale Oberflächen erzeugen zu können, sind Beschichtungs verfahren unabdingbar. Interessant sind technologische Varianten, bei denen Energie und Ressourcen besonders effizient eingesetzt werden. Wichtige Entwicklungsziele sind: industrietaugliche Pulsprozesse zum Verbessern von Oberflächenfunktionalitäten [6], Hochrateprozesse zur Reduktion von Prozesszeiten [7], Prozesse unter Atmosphärendruck (Bild 4) und im Grob - vakuum zur Kosten- und Energieeinsparung. Strukturen mit Abmessungen von wenigen Mikro- oder Nano metern zeigen ein anderes Oberflächenverhalten als makroskopi sche Flächen. Beispielhaft sei hier die Benetz - barkeit von flüssigkeitstragenden und -transportierenden Bauteilen genannt. Aus der Befragung der Experten ergibt sich im Bereich Strukturierung folgender Handlungsbedarf für die Zukunft: einfache, schnelle und kontinuierliche Prozesse für die Großserienfertigung [8] (Bild 5), Genauigkeit der Strukturabbildung, Reproduzierbarkeit auf großen Flächen, Reduzierung der Strukturgrößen [9], Haftfestigkeit und Langzeitstabilität der Strukturen. Die anwendungsorientierte Entwicklung und Bereitstellung von Verfahrenskombinationen zum Erzeugen funktionaler Oberflächen ist Voraussetzung für eine schnelle Integration in die industrielle Fertigung. Ein innovatives Beispiel für eine strukturierte Metallisierung von Kunststofffolien von Rolle zu Rolle ist das Plasma-Printing (Bild 6) bei Atmosphärendruck [10]. Handlungsbedarf besteht insbesondere bei der technologieübergreifenden Bewertung von Verfahrenskombination sowie der Weiterentwicklung von Einzelprozessen und deren produktionstauglicher Integration in den Gesamtprozess. 4 Produktionstechnologie mit Hochleistungsprozessen Eine flexible Fertigung und die Integration neuer Technologien in bestehende Prozessketten stellen aufgrund der Komplexität vieler Produktionsprozesse eine besondere Herausforderung dar. Bereits während der Entwicklung neuer Technologien muss daher eine mögliche spätere Prozessintegration berücksichtigt werden. In der modernen varianten - reichen Produktion, die sich durch kundenspezifische Bauteile und kleine Losgrößen auszeichnet, sind kurze Konfigura- Die Integration der einzelnen Verfahren zur Beschichtung, Strukturierung und Modifikation von Oberflächen in die Prozesskette bietet vielfältige Möglichkeiten zur Herstellung funktionaler Oberflächen. Über die prozesstechnische Kombination von Beschichtungs- und Strukturierungstechnologien zu einer Hybridtechnologie werden neue Wege zur Erzeugung innovativer Oberflächeneigenschaften zugänglich. These 4: Optimaler Energie- und Ressourceneinsatz bei gleichzeitig technisch anspruchsvollen Schichten oder Strukturen lässt sich oft ideal durch die Kombination von Verfahren erzielen. Insbesondere ungewöhnliche Kombinationen bieten völlig neue Möglichkeiten. Bild 6. Mikroplasma zur Erzeugung einer Interdigitalstruktur: Das Plasma- Printing -Verfahren kombiniert die Aktivierung der Kunststoffoberfläche mit einer chemischen und galvanischen Metallisierung Alle Rechte vorbehalten. Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf wt Werkstattstechnik online Jahrgang 98 (2008) H

4 PFT Produktionsforschung tionszeiten und die sichere Überwachung verschiedener Prozessvarianten sehr wichtig. These 5: Nur durch den Transfer neuartiger Beschichtungsund Strukturierungsverfahren in die industrielle Serienfertigung lässt sich das Innovationspotential funktionaler Oberflächen nutzen. Eine Vereinfachung und Kürzung der Fertigungsketten durch hochintegrierte Prozesse verringert die effektiven Prozesskosten. Die Schwerpunkte des Entwicklungsbedarfs liegen in folgenden Bereichen: einfache Integration neuer Anlagen in die bestehende Fertigungsumgebung, effiziente Anlagenkonzepte für kundenspezifische Bauteile und kleine Losgrößen sowie hohe Produktivität bei der Beschichtung und Strukturierung von Massenprodukten mit dem Einsatz von Durchlauf(Bild 7) und Rolle-zu-Rolle-Prozesse. These 6: Substanzielle Verbesserungen bei der Werkstoffentwicklung, Anlagenoptimierung und Produktion werden durch die Kombination verschiedener bisher separater Simulationsmodelle erreicht. Speziell die Verknüpfung von Werkstoff- und Prozessmodellen auf verschiedenen Größenskalen erlaubt die Optimierung komplexer Produktionsprozesse. Simulationen bieten vielversprechende Möglichkeiten, um bestehende Prozessketten zu optimieren beziehungsweise um neue Prozesse effizienter vorzubereiten [11]. Aufgrund der Komplexität der einzelnen Prozesse sind für die erfolgreiche Entwicklung und Anwendung von Simulationswerkzeugen großes Expertenwissen und viel Erfahrung erforderlich. Hochschulen und Forschungseinrichtungen sind daher als Kompetenzträger und Dienstleister in der Beratung und Problemlösung unverzichtbar (Bild 8). Folgender Handlungsbedarf wurde im Bereich Simulation ermittelt: Kopplung von Werkstoff- und Prozessmodellen zur Klärung des Zusammenhangs zwischen Werkstoffeigenschaften und Prozessparametern, Bild 7. Inline-Anlage zur Flachglasbeschichtung: Der modulare Aufbau bietet Erweiterungsmöglichkeiten für innovative Prozess- und Messtechnik Multiskalensimulation: Kopplung von Modellen für verschiedene Bereiche der Größenskala von der Wechselwirkung einzelner Atome bis zum automatisierten Beschichtungsprozess, Information der Unternehmen über verfügbare Werkzeuge zur Prozesssimulation und deren Einsatzgebiete. Bild 8. Die Modellierung der Sputterstromdichte auf Planartargets in Abhängigkeit vom Magnetfeld-Design zur Optimierung der Prozessführung: Vorzeitiges Durchsputtern des Targets wird vermieden Alle Rechte vorbehalten. Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf wt Werkstattstechnik online Jahrgang 98 (2008) H

5 PFT Produktionsforschung These 7: Optimale Regelung komplexer Prozesse ist nur durch Kopplung von Modellen, Simulation und Messtechnik möglich. Für eine präzise Überwachung von Hochleistungsprozessen werden kostengünstige, industrietaugliche und onlinefähige Messsysteme benötigt. Es besteht ein großer Bedarf an Messverfahren, die nicht nur im Labor, sondern auch in der industriellen Fertigung mit geringen Investitions- und Betriebskosten verbunden sind. Eine verbesserte Qualitätskontrolle und eine Steigerung der Zuverlässigkeit lässt sich nur durch eine angepasste Messtechnik und zwar in situ zur Prozesskontrolle und ex situ zur Qualitätskontrolle und Dokumentation er - reichen [12]. Eine besondere Herausforderung stellt beispielsweise die zerstörungsfreie Prozesskontrolle bei der Rolle-zu-Rolle-Fertigung komplexer Mehrschichtsysteme oder die Qualitätsüberwachung bei großflächigen Mikro- und Nano strukturierungen dar. 5 Ausblick Funktionale Oberflächen sind der Schlüssel zu innovativen Produkten mit hoher Wertschöpfung und liefern damit einen wichtigen Beitrag für eine erfolgreiche Volkswirtschaft. Damit Deutschland auch in Zukunft seinen technologischen Vorsprung halten und ausbauen kann, ist eine konsequente Weiter entwicklung der Produktionstechnik im Hinblick auf Ressourcenschonung notwendig. Hierzu müssen neuartige Prozesse zum Erzeugen funktionaler Oberflächen in die indus- Ansprechpartner für weitere Informationen Dr. Ralf Bandorf (Kontaktdaten siehe vorne) Dipl.-Ing. Stefan Scherr Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe Bereich Produktion und Fertigungstechnologien (PTKA-PFT) Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 D Eggenstein-Leopoldshafen Tel. +49 (0)7247 / , Fax +49 (0)7247 / stefan.scherr@ptka.fzk.de Internet: triellen Fertigungsabläufe integriert werden. Unterstützung für die Produktionstechnik bieten Simulationen zur Prozessoptimierung sowie angepasste Messverfahren zur Prozessund Qualitätskontrolle.? Literatur [1] Bandorf, R.; Diehl, W.; Heckmann, U.; Holeczek, H.; Klotzbach, U.; Kondruweit-Reinema, S.; Leson, A.; Metzner, M.; Pflug, A.; Zimmer, O.: Produktionstechnik zur Erzeugung funktionaler Oberflächen. Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig, 2008 (ISBN: ) [2] N. N.: BMBF (Hrsg.): Die Hightech-Strategie für Deutschland Erster Fortschrittsbericht. Bonn/Berlin, 2007 [3] Szyszka, B.; Pflug, A.; Berg, S.; Nyberg, T; Simons, C.; Weigert, M.; Kiriakidis, G.; Christoulakis, S.: Sputter Yield Amplification - a promising route towards more efficient coating technology. Thin Film Materials (Heraeus) 9 (2006), pp [4] Lüthje, H.; Nordmann, K.; Schmitz, R.: Intelligenter Drehmeißel. IDEE, Abschlussbericht, Braunschweig, 2003 [5] N. N.: DFO Deutsche Forschungsgesellschaft für Oberflächen - behandlung e.v. (Hrsg.): Forschungsagenda Oberfläche. Neuss, 2007 [6] Kouznetsov, V.: A novel pulsed magnetron sputter technique utilizing very high target power densities. Surface and coatings technology 122 (1999), pp [7] Ortner, K.; Birkholz, M.; Jung, T.: Neue Entwicklungen beim Hohlkatoden-Gasflusssputtern. Vakuum in Forschung und Praxis 15 (2003) No. 5, pp [8] Bolch, T.; Linde, R., Metzner, M.; Müll, K.: Innovative Oberflächenstrukturen durch elektrochemische Beschichtungsverfahren. Bad Saulgau: G. Leuze Verlag 2005 [9] N. N.: EU-Projekt Emerging Nanopatterning Methods (NaPa). Internet: Zuletzt aufgerufen am [10] Möbius, A.; Elbick, D.; Borris, J.; Thomas, M.; Zänker, A.; Klages, C.-P.; Weidlich, E.-R.; Feldmann, K.; Schüßler, F.: Plasma-printing and galvanic metallization hand in hand - a new technology for the cost-efficient manufacture of flexible printed circuits. Proceedings zur Konferenz Euro Interfinish 2007, Athen, Griechenland, 2007 [11] Lepski, D.; Mollath, G.; Szyszka, B.; Völlmar, S.: Simulation komplexer oberflächentechnischer Produktionsprozesse. JOT + Oberfläche. Journal für Oberflächentechnik 42 (2002) H. 1, S. IV VIII [12] Westkämper, E.: Beitrag zur Konferenz Manufuture Internet: x/img/32257/file/westkamper.ppt. Stand: Zuletzt aufgerufen am Alle Rechte vorbehalten. Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf wt Werkstattstechnik online Jahrgang 98 (2008) H