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Produktionstechnik
Fachbereich 04
Neuartige PermaClean-Beschichtung:
reduzierter Reinigungsaufwand durch
effektive Antihaft-Wirkung
Workshop der SBB zum
Thema „Innovative Oberflächenbehandlung in der Metallverarbeitung“
Dipl.-Ing. Michael Steinfeldt
Potsdam, 16. Juni 2011
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Funktionalisierte Oberflächen und deren Effekte
Antibeschlag / Antifinger / Antifog-Effekt
Verbesserte hydrophile (wasseranziehende) Eigenschaften
Verbesserte oleophile Eigenschaften
Antihaft / „Easy to clean“ / „Self clean“ / Lotuseffekt
Verbesserte (super)hydrophobe (wasserabweisende) Eigenschaften
Verbesserte oleophobe Eigenschaften
Antibakterielle Eigenschaften
Verbesserter UV-Schutz
Verbesserter Korrosionsschutz
Verbesserte Abriebfestigkeit, Hartschichten
Verschleißschutzschichten
Leitfähige Schichten
Catalytic to clean-Effekt
Selbstheilungseffekte
http://www.kompetenznetze.
de/netzwerke/bionik-
biokon/innovationshighlights
/de/Lotus-Effect/image
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Beschichtungstechnologien
In der Lackindustrie können derzeit drei Ansätze der Nanotechnologie
unterschieden werden:
– Einarbeitung von nanoskaligen Partikeln in Lackformulierungen, z.B.
anorganische Siliziumoxidpartikel zum Einstellen der Fließeigenschaften
und zur Erhöhung der Kratzfestigkeit
– Neuartige Synthesewege (Sol-Gel) für Bindemittel über nanoskalige
Kolloidpartikel,
z.B. auf Basis von Organosilanen
– Einstellung bestimmter Funktionalitäten durch geplante Syntheseplanung.
Weitergehende Werkstoffbehandlung:
– Einstellung bestimmter Funktionalitäten durch Gasphasen-/Vakuum
Verfahren, CVD, Plasmatechnik
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Beschichtungsanwendungen, Beispiele
• INM Leibniz-Institut für Neue Materialien
Nanomer®-Gleitlacke auf Basis organisch-anorganischer Nanokomposite; die
Verschleißbeständigkeit wird über die Verwendung der Nanokomposit-
Bindemittel-Matrix erzielt; durch Sprühapplikation auf beliebige Metalle
aufbringbar und bei milden Temperaturen aushärtbar
– Verschleißbeständigkeit eines Nanomer-®Gleitlackes im Vergleich zu
einem konventionellen, organisch gebundenen Gleitlack nach 1 Mio.
Belastungszyklen an einem Kolben eines Kupplungsgebers.
Abb. Konventioneller Gleitlack
(1 Mio. Zyklen)
Abb. Nanomer®-Gleitlack
(1 Mio. Zyklen)
Quelle: http://www.inm-
gmbh.de/de/technologien/applikationen/nano
mer-gleitlacke/
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Beschichtungsanwendungen, Beispiele
• Nanogate AG
Produktivitätsverbesserung mit Hilfe der Nanogate-Technologie® durch
Oberflächenveredelung von Rotationskörpern in Druckmaschinen, hier
insbesondere von Papierleitwalzen im Zeitungsdruck
– Veredelung der einem hohen Verschleiß ausgesetzten Walzenoberflächen
durch eine widerstandsfähige hauchdünne Schicht; reduzierte Ablagerung
von frischer Druckfarbe auf der Walzenoberfläche; Verlängerung der
Maschinenlaufzeit; geringerer
Verbrauch von Reinigungsmitteln
Quelle:http://www.nanogate.de/de/produktveredelung/beispiele/industrial-
systems/druckmaschinenindustrie.php
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Beschichtungsanwendungen, Beispiele
• Nanogate AG
Veredelung von Komponenten für Abgasrückführungssysteme bei Kfz-
Dieselmotoren mit Hilfe der Nanogate-Technologie®
Ergebnisse: Minimale Anhaftungen und Verringerung der Abzugskräfte;
geringerer Verschleiß; deutlich geringere Ausfallquote der Komponenten
(höhere Zuverlässigkeit)
Quelle:http://www.nanogate.de/de/produktveredelung/beispiele/industrial-
systems/automobilindustrie.php
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Beschichtungsanwendungen, Beispiele
• Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte
Materialforschung – IFAM, Bremen
– PermaCLEANPLAS®-Beschichtung: Beschichtung durch
Niederdruckplasmatechnik (ND-Plasmatechnik)
– Die Schichtdicke beträgt weniger als 0,5 μm
Eigenschaften:
– gute Beständigkeit gegen Säure/Alkali
(pH 2-12) und organische Lösemittel
– Antihaftwirkung gegenüber einer
Vielzahl von Lacksystemen (wasserbasiert,
lösemittelbasiert)
– Temperaturbeständigkeit bis 300 °C bei
Langzeit-, bis 350 °C bei Kurzzeitbelastung
– farblos, transparent
Quelle: Fraunhofer IFAM
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Ökobilanzieller Vergleich von Entlackungsverfahren
Entlackungsverfahren werden unterteilt in:
– Chemische Entlackung
– Thermische Entlackung
Pyrolyse bei 400 Grad
Nachverbrennen der Abgase bei 800 Grad
– Wasserhochdruckentlackung
Drücke bis 2000 Bar
Ziel: Ökobilanzieller Vergleich des thermischen Entlackungsverfahren mit
dem Wasserhochdruckverfahren der Fa. Hugo Claus GmbH Co. KG in
Kombination mit der Antihaftbeschichtung PermaCLEANPLAS® des IFAM
Untersuchter Bilanzraum: gesamter Lebenszyklus der
Entlackungsverfahren; d.h. inklusive Gitterrostherstellung, relevante
Vorketten z.B. der Stromerzeugung, Transporte, Entlackung etc.
Quelle:http://www.ifam.fraunhofer.de/2804/fachinfo/infoblaetter/Produktblatt-
2804-DE-Oberflaechentechnik-ND-Plasmatechnik-PermaClean.pdf
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Randparameter für den bilanziellen Vergleich
Konventionelle
thermische Entlackung
CLAUSwhd-Verfahren
inkl. PermaClean
Betrachtungsgegenstand StahlgitterrostStahlgitterrost mit
Antihaftbeschichtung
Gewicht 29 kg + 2 kg Lack 29 kg + 2 kg Lack
Lebensdauer der
Gitterroste25 Zyklen 500 Zyklen
Entfernung von Lackier-
betrieb und Entlacker50 km 50 km
Funktionale Einheit: 5500 t Gitterroste; abgeschätzte Jahresmenge einer
Entlackungsanlage
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Prozessanalyse: Thermische Entlackung12
Energiebedarf Prozessschritte
Transport (Öl)
Thermische Entlackung (Gas)
Thermische Entlackung(elektrische Energie)
Sandstrahlen (elektrischeEnergie)
Stahlherstellung
Quelle: eigene Darstellung
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Prozessanalyse: Wasserhochdruckverfahren13
Quelle: eigene Darstellung
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Prozessanalyse: Wasserhochdruckverfahren14
Quelle: eigene Darstellung
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Prozessanalyse: Wasserhochdruckverfahren15
Energiebedarf Prozessschritte
Transport (Öl)
PermaCLEANPLASBeschichtung (elektr. Energieincl. Vorkette)
WHD-Verfahren 500(elektrische Energie inkl.Vorkette
Gitterrostherstellung
Quelle: eigene Darstellung
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Normierte Emissionen und Umweltwirkungen im
Vergleich, bezogen jeweils auf FE
Thermische Entlackung Entlackung WHD
KEA gesamt 186,66 EW 34,46 EW
Treibhauseffekt 241,22 EW 90,79 EW
Versauerungspotential 106,95 EW 18,79 EW
Blei 1.810,25 EW 4,45 EW
Cadmium 1.759,28 EW 19,67 EW
Staub 769,65 EW 1,92 EW
PM 10 Potenzial 552,51 EW 21,37 EW
Abfallentstehung 0,40 EW 1,31 EW
Abw asser
Fungizidbelastung
nicht qualif izierbar
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Fazit
• Viele Beschichtungsverfahren können die Oberflächeneigenschaften
z.B. von Metalloberflächen gezielt verbessern und damit zur Steigerung
der Produktivität, der Materialeffizienz sowie zur Vermeidung von
Abfällen beitragen
• Das CLAUSwhd-Verfahren ist in den meisten Umweltkategorien
bedeutend besser als konventionelle thermische Entlackungsverfahren
• Insbesondere bei spezifischen Emissionen wie Blei, Cadmium und
Staub wird ein besonders hoher Nutzen erzielt
• Ursache hierfür ist unter anderem die große Ressourceneinsparung an
Stahl durch die erhöhte Reinigungszykluszahl der Gitterroste
• Die Umweltwirkungen für das Aufbringen der Antihaftbeschichtung
beeinflussen die Ökobilanz des CLAUSwhd-Verfahren nur minimal
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Team: Prof. Dr. Arnim von Gleich, [email protected]
Dipl.-Ing. Michael Steinfeldt, [email protected],
M. A. Christian Pade, [email protected],
Dipl.-Wi.-Ing. Henning Wigger, [email protected]
Projekte, Publikationen, Links:
• NanoSustain - Development of sustainable solutions for nanotechnology-based products
based on hazard characterization and LCA, im Auftrag der EU im Rahmen des FP7, Brüssel, in
Kooperation mit elf weiteren Partnern, 2010-2013
• Petschow, U.; Pade, C.; Rolf-Ulrich Sprenger, R.-U.; Steinfeldt, M.; Gleich, A. von; Ammon, U.
(2010): Umweltschutz, Umwelttechnik und Marktpotenziale – Chancen der Nanotechnologie
für NRW. Schriftenreihe des IÖW 195/10, Berlin.
• Steinfeldt, M.; Gleich, A. von; Petschow, U.; Pade, C.; Sprenger, R.-U. (2010):
Entlastungseffekte für die Umwelt durch nanotechnische Verfahren und Produkte. UBA-
Texte 33/2010, Dessau.
• Gleich, A. von; Steinfeldt, M.; Petschow, U. (2008): A suggested three-tiered approach to
assessing the implications of nanotechnology and influencing its development. In: Journal
of Cleaner Production, 16 (8), p.899-909.
• Steinfeldt, M.; Gleich, A.von; Petschow, U.; Haum, R. (2007): Nanotechnologies, Hazards and
Resource Efficiency. Springer Heidelberg.
• Steinfeldt, M.; Gleich, A. von; Petschow, U.; Haum, R.; Chudoba, T.; Haubold, S. (2004):
Nachhaltigkeitseffekte durch Herstellung und Anwendung nanotechnologischer Produkte.
Schriftenreihe des IÖW 177/04. Berlin.