Anode Plasma Ionized Magnetron Sputtering (APiMS)
An efficient PVD sputtering process is being investigated and developed in the Invest BW project „APiMS“, which should lead to a reduction in coating time and thus to electricity and CO₂ savings.
PVD (Physical Vapor Deposition) processes are among the most economical, environmentally friendly surface coating technologies. Although PVD is a proven technology, opportunities for further technological improvements are constantly being discovered. The project idea described in this research project combines recently discovered possibilities of additional plasma generation at an anode with the PVD process of cathode sputtering (also known as magnetron sputtering) for technological applications. This achieves a significantly higher ionization of both the working gas and the sputtered material. This leads to a more efficient flow of the sputtered species to the component to be coated, to better coating properties and thus to a significant reduction in coating time. The ecological benefits of this technological improvement lead to a significant reduction in electricity consumption and thus to CO₂ savings.
The higher ionization in the vacuum chamber will lead to an increase in coating adhesion and coating hardness. This improves the mechanical properties of the coating and thus the service life of coated tools or the wear properties of coated components.
Acknowledgement
The Invest BW project BW1 5038/02 of the fem Forschungsinstitut is funded by the Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg.
Entwicklung von Detektionssystemen mit elektrochemisch aktiven Oberflächen zur Online-Überwachung von Filteranlagen
Aufgrund steigender Anforderungen an reine Produktionsumgebungen liegt das Augenmerk in der Reinraumtechnik auf der Verringerung von chemischen Verunreinigungen (Airborne Molekular Contamination, AMC) in der Raumluft.
Die AMC-Filter bestehen aus unterschiedlichen Aktivkohlen oder Ionenaustauschern mit begrenzter Aufnahmekapazität. Ein Durchbruch tritt bei Überladung des Materials unbemerkt auf und kann zu erheblichen Produktionsausfällen führen. Daher müssen AMC-Filter in regelmäßigen Abständen bzw. vorsorglich vor Ende der möglichen Nutzungsdauer ausgewechselt werden. Dies verursacht hohe Kosten und große Abfallmengen. Ansätze für die Echtzeit-Überwachung von AMC-Kontaminanten durch aufwendige laserbasierte optische und nicht-optische Methoden liefert das europäische Verbundprojekt MetAMC. Einfache und kostengünstige Sensoren zur Echtzeit-Überwachung stehen aktuell nicht zur Verfügung.
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von einfach aufgebauten und kostengünstig herstellbaren Durchbruchsdetektoren mit elektrochemisch aktiven Oberflächen für die AMC-Kontaminanten Ammoniak und Formaldehyd. Nach dem Prinzip der Gas-Festkörperwechselwirkung soll eine Signalerzeugung detektiert werden. Hierfür sollen durch galvanische Abscheidung Nanopartikel mittels Pulse-Plating-Technik auf 3D-Trägermaterialien mit reaktiven Oberflächen abgeschieden werden. Als Nano-Metallpartikel sind u. a. Kupfer, Silber und Zinn angedacht. Um die unterschiedlichen elektrochemischen Aktivitäten zu erfassen, sollen auch Legierungen sowie neuartige Schichtsysteme mit leitfähigen Polymeren zum Einsatz kommen. Die vorgesehene Messtechnik zur Erfassung der Detektorsignale umfasst Impedanzmessungen sowie die Anwendung der 4-Leiter-Kelvin-Methode und den Aufbau von Brückenschaltungen.
Der Markt für die Sensoren ist groß, da Reinraumfilter in der Halbleiterindustrie, der Pharma- und Life-Science-Industrie, der Mikroelektronik, der Optik, Kosmetik- und Lebensmittelproduktion sowie der Gen- und Medizintechnik zum Einsatz kommen. Der Impuls zur Umsetzung in marktfähige Produkte folgt aus der verbesserten Kontrolle der Reinraumbedingungen und der Einsparpotentiale durch die effizientere Nutzung der AMC-Filter. Darüber hinaus würden die angestrebten Ergebnisse neue funktionale Anwendungen für die Beschichtungsbranche ermöglichen.
Acknowledgement
Das IGF-Vorhaben 21279 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Contact and long-term behaviour of self-lubricating coatings in current-carrying connections in electrical power engineering
The energy transition and the electrification of private transport are making the requirements for the safe and reliable transport of electrical energy even more important for society. A stable power grid requires a high degree of reliability from all components involved. Connections where electrical energy is transferred from one conductor to another are often critical points. Coatings on the individual contact partners have been state of the art for years. The increasing demands and challenges require the use of new materials with which existing equipment can be further developed. The requirements for coatings in the area of current-carrying plug connections in power grids have risen sharply in recent years. Due to the more compact design of devices and increasing power density, the temperatures in use are rising. If a high number of mating cycles is also required, the design and installation challenges are high. Connectors with a high number of mating cycles are currently pre-treated with a contact lubricant to minimise frictional wear during operation.
The contact lubricant must be stable over the long term and temperature-resistant so that the required operating times of several decades in some cases can be achieved. During assembly, care must be taken to dose the contact lubricant precisely so that the contact resistance is only moderately increased, but at the same time the coefficient of friction is reliably reduced. In addition, the materials used usually contain fluorochemicals, which are expensive to procure and problematic to produce and dispose of.
Silver dispersion coatings with embedded dry lubricants are an alternative to the pure silver coatings normally used, which are treated with contact lubricants. The aim of the project was to develop and investigate electroplated silver dispersion coatings with self-lubricating properties. The particles to be deposited were added to the metal matrix electrolyte in the form of powders and kept in suspension by appropriate electrolyte circulation. By selecting the appropriate process and electrolyte parameters, it was possible to control the incorporation of the particles into the coating.
In summary, the results of the project show that all investigated particle types can be incorporated into silver coatings when coating model geometries. The silver-graphite, silver-MoS2 and silver-WS2 systems stand out due to their good tribological properties. Values of around 0.2 are achieved for the average coefficients of friction, which remain stable even after thermal ageing for 2000 h at 180 °C. In addition, the incorporation of dispersoids slows down the drop in hardness as a result of heat treatment compared to pure silver coatings.
These results can also be confirmed in principle on the industrial test specimens. The maximum friction path of a silver dispersion layer up to failure increases by a factor of 3-6 (WS2), 5-10 (MoS2) or 10-18 (graphite) compared to a pure silver layer. However, the values of a silver surface treated with contact lubricant are not yet achieved. This could be the subject of further investigations.
Entwicklung eines neuartigen katalytisch aktiven Wärmeübertragers zur Totaloxidation von Kohlenwassserstoffen und Kohlenmonoxid in Abluftströmen, insbesondere für Gießereien
Einführung
Die Entwicklung eines katalytischen Wärmeübertragers zur Reinigung von lösemittelhaltiger Abluft von kleinen- und mittleren Unternehmen (KMU) war Forschungsgegenstand eines gemeinsamen Projektes des fem aus Schwäbisch Gmünd und dem IUTA aus Duisburg. Der neuartige Wärmeübertrager wurde als Rohrbündelwärmeübertrager mit integrierter katalytischer Funktion konzipiert, wobei die strukturierten Wärmeübertragerrohre an der Rohraußenoberfläche mit zu behandelnder Abluft umströmt wurden und die katalytische Beschichtung der Rohroberflächen durch einen einstufigen elektrochemischen Beschichtungsprozess erfolgte.
Ergebnisse
Industriekatalysatoren kommen in verschiedenen Bauformen zum Einsatz. Bekannt sind beschichtete monolithische Strukturen, wie sie beispielsweise in Autoabgaskatalysatoren eingesetzt werden. Beschichtete Wärmeübertrageroberflächen sind ebenfalls auf dem Markt verfügbar. Hierfür werden bevorzugt Plattenwärmeübertrager zu Katalysatoren aufgebaut. Plattenwärmeübertrager zeichnen sich durch einen hohen Wärmeaustausch bei geringer Baugröße aus. Nachteilig ist, dass sie nur für partikelarme Abluftmedien geeignet sind, da die Oberflächen nur sehr schwer zugänglich und somit schlecht zu reinigen sind. Ähnlich verhält es sich mit katalytisch beschichteten Röhrenwärmeübertragern. Die Beschichtung ist in den Röhren. Auch bei diesen Wärmeübertragern ist die Reinigung nach Exposition mit partikelhaltiger Abluft problematisch.
In diesem FuE-Vorhaben wurde daher ein Katalysatortyp entwickelt, der als Rohrbündelwärmeübertrager ausgeführt wurde, wobei hier die Rohre außen mit katalytisch aktivem Palladium beschichtet und mit Abluft umströmt wurden.
Zusammenfassung
Es konnte durch die beiden Forschungsstellen erfolgreich gezeigt werden, dass mit dem neuen Konzept für einen Wärmeübertrager lösemittelhaltige Abluftströme mit einem Stoffumsatz von bis zu 80–95 % oxidativ abgebaut werden können. Da bei diesem Reaktortyp eine Umströmung der WT-Rohre mit der zu behandelnden Abluft an der Rohraußenoberfläche stattfindet (und nicht wie üblich durch die Rohre), ist für eine gute Umströmung der Rohre und für einen hohen Stoffaustausch eine geeignete Oberflächenstruktur der WT-Rohre notwendig.
Acknowledgement
Das IGF-Vorhaben 19350 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.