Vakuumbeschichtung für starke Leistung

Was bedeutet Vakuumbeschichtung?

Im Vakuum-Beschichtungsverfahren werden metallische oder keramische Beschichtungen mit einer Schichtdicke von wenigen Mikrometern, z.T. sogar nur Nanometern in einer Vakuum-Anlage abgeschieden.

Unsere Beschichtungen basieren auf zwei fortschrittlichen Veredelungsverfahren: das kathodische Lichtbogenverdampfen und die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung.

Kathodische Lichtbogenverdampfung

Das kathodische Lichtbogenverdampfen gehört zu den PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition = Physikalische Gasphasenabscheidung). Bei diesem Verfahren wird Metall (z.B. Chrom oder Titan) mittels eines Lichtbogens verdampft und der Metalldampf ionisiert. Diese Metall-Ionen werden anschließend in einem elektrischen Feld mit hoher Geschwindigkeit auf das Werkstück beschleunigt. Sie kondensieren als dünner Film auf dem zu beschichtenden Bauteil und bilden eine sehr fest haftende Schutzschicht auf dem Werkstück.

Mittels Zugabe reaktiver Gase werden keramische Beschichtungen auf Carbid-, Oxid- oder Nitrid-Basis erzeugt. Ihre Härte liegt bei über 100 HRC, also weit über denen von gehärteten Stählen. So bekommen Stahlbauteile einen quasi-keramischen Charakter. Die PVD-Schichten sind daher eine kostengünstige Alternative zu vollkeramischen Bauteilen. Der bekannteste Vertreter dieser Schichten ist die von den goldenen Bohrern her bekannte Titannitrid-Beschichtung.

Diese extrem harten und nur wenige Mikrometer dünnen Hartstoff-Schichten sind die perfekten Finish-Schichten für Werkzeuge und Bauteile aller Art, d.h. sie bedürfen keiner Nachbearbeitung. Der von galvanischen Schichten her bekannte Kantenaufbau tritt nicht auf, die Werkstück-Geometrien werden konturgenau abgebildet. Daher eignen sich solche Schichten hervorragend als Verschleiß- und Korrosionsschutz, als Antihaft-Schichten sowie zur Reib-Reduktion von Hochleistungs-Bauteilen.

Case Study: Inline-PVD-Beschichtung von PTLs und Bipolarplatten für Elektrolyseure

Im Rahmen eines Projekts in der Wasserstofftechnologie wurde ein innovativer Inline-PVD-Beschichtungsprozess für PTLs (Porous Transport Layer) und Bipolarplatten entwickelt. Ziel war es, eine hochpräzise Edelmetall-Nanobeschichtung mit Platin und weiteren Edelmetalle mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) zu realisieren.

Die Ausgangslage stellte eine erhebliche Herausforderung dar: Der Kunde benötigte eine reproduzierbare und skalierbare Lösung zur Beschichtung, die den Einsatz von Edelmetallen minimiert, ohne die elektrochemische Performance zu beeinträchtigen. Die bisherigen Batch-Prozesse erwiesen sich für industrielle Stückzahlen als ökonomisch ineffizient.

Die technischen Zielsetzungen des Projekts umfassten die Entwicklung eines Inline-fähigen PVD-Prozesses mit hoher Durchsatzrate, einer gleichmäßigen Schichtdicke unter 30 nm bei gleichzeitig hoher Haftfestigkeit sowie die Reduktion des Edelmetallverbrauchs bei gleichbleibender elektrochemischer Aktivität. Als zentrale Leistungskennzahlen wurden eine hohe Schichtdickenhomogenität, ein Edelmetallauftrag von weniger als 0,05 mg/cm² und eine serienfähige Prozesszeit definiert.

Zur Umsetzung wurde ein Inline-PVD-Verfahren mit rotierenden Substrat-Haltern und optimierter Target-Nutzung entwickelt. Die Beschichtungstechnologie trug zur Verbesserung der Haftung bei, während eine präzise Prozesskontrolle durch Schichtdickenmessung mittels RFA (Röntgenfluoreszenz-Analyse) sichergestellt wurde. Die Prozessentwicklung erfolgte in enger Zusammenarbeit mit Kunden und Anlagenbauern. Die Validierung der Ergebnisse erfolgte durch elektrochemische Tests wie Cyclovoltammetrie (CV) und ICE – Widerstandsmessungen (Interfacial Contact Resistance).

Ergebnis: Der Edelmetallauftrag konnte bei einem Beschichtungsbereich von 1100 x 780 mm (mit Einschränkungen bis zu 1600 mm) auf unter 0,05 mg/cm² reduziert werden. Der entwickelte Inline-Prozess wurde erfolgreich in die Serienproduktion überführt.

Es zeigte sich, dass unsere Inline-PVD-Beschichtung eine skalierbare und kosteneffiziente Fertigung von Hochleistungs-PTLs und Bipolarplatten für PEM-Elektrolyseure ermöglicht. Für die Zukunft ist eine Erweiterung des Prozesses auf weitere Produkte, sowie eine fortlaufende Optimierung zur weiteren Kostensenkung und Kapazitätssteigerung auf über 1 GW (beschichtete Elektrolyseur-Leistung) geplant.

Plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung (PECVD = Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)

Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem die chemische Abscheidung von reaktiven Gasen durch ein Plasma unterstützt wird. Das Plasma wirkt als Katalysator für die Reaktion der Reaktivgase, um schon bei unter 200°C eine dünne Schicht auf der Oberfläche des Werkstücks zu bilden, wodurch die Temperaturbelastung des Bauteils deutlich geringer ist als bei herkömmlicher chemischer Gasphasenabscheidung (CVD).

Diese Technologie eignet sich hervorragend zur Herstellung der extrem harten „Diamond-Like Carbon“-Beschichtungen (DLC).

Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten von PVD- bzw. PECVD-Schichten

Unsere Beschichtungen können eine Vielzahl von Problemen auf Bauteilen und Werkzeugen aller Art lösen:

Verschleißschutz
Korrosionsschutz
Senkung der Reibwerte
Hohe elektrische Leitfähigkeit
Oxidationsschutz
Anti-Haft-Wirkung
Hohe IR-Reflektion
Allergie-Reduzierung
Biokompatibilität
Katalytische Russ-Vermeidung
uvm.

Unsere innovativen Beschichtungsprozesse decken ein großes Feld von Einsatzmöglichkeiten ab. Deshalb sind unsere Beschichtungen in sehr vielen unterschiedlichen Branchen vertreten.

In der jungen Wasserstoff-Technologie erhöhen Sie die Leitfähigkeit von Bipolarplatten und PTL/GDL in Fuel Cells und Elektrolyseuren, und schützen diese vor langfristiger Degradation.

In Verbrenner-Motoren sind sie heute z.B. auf Kolbenbolzen und -Ringen, im Ventiltrieb und auf Getriebe-Komponenten im Serieneinsatz.

Unsere weltweit einzigartige cerid® 5N-Schicht verhindert zudem Rußablagerungen auf Kfz-Ventilen.

In der Medizin werden seit über 30 Jahren unsere biokompatiblen allergie-reduzierenden Beschichtungen auf Implantaten und chirurgischen Instrumenten eingesetzt und helfen jeden Tag, die Lebensqualität der Patienten nachhaltig zu verbessern.

NANOFINISH® – Nanobeschichtung mit Korrosionsschutz

NANOFINISH® ist eine nanofeine Antihaftbeschichtung, die selbst bei Beschädigungen unterwanderungsstabil bleibt – Gase und Flüssigkeiten dringen nicht ein, Defekte bleiben lokal begrenzt. Die konturtreue Beschichtung eignet sich ideal für hochpräzise Anwendungen und feinpolierte Oberflächen. Ob beim Entformen, als Schutzfilm oder zur Versiegelung: NANOFINISH® sorgt für zuverlässigen Korrosionsschutz und langlebige Funktionalität auf nahezu allen Substraten – z. B. in der Elektronik- und Medizintechnik.