Репортаж от Wedoany，Фраунгоферовский институт лазерной техники (Fraunhofer ILT) совместно с промышленными партнёрами в рамках четырёх проектов — RePEEK, EPOS, LEMBAS и pureWaterSeal — разрабатывает лазерные технологии нанесения высокоэффективных покрытий без PFAS для таких промышленных применений, как крупные металлические детали, подшипники скольжения, эластомерные валы и уплотнения. Эти технологии используют способность лазерной энергии воздействовать на поверхность материала точно, локально и в течение короткого времени, что позволяет надёжно наносить альтернативные материалы без PFAS на различные подложки, избегая при этом проблем традиционных печных процессов, таких как чрезмерное энергопотребление или термическое повреждение подложки.
Пер- и полифторалкильные вещества (PFAS) обладают чрезвычайно высокой химической и термической стабильностью, способны снижать трение, предотвращать износ и коррозию, исключать адгезию, а также обеспечивать аварийные характеристики при отказе смазочной плёнки. Руководитель группы технологии тонких плёнок института доктор Самуэль Мориц Финк (Dr. Samuel Moritz Fink) отмечает, что материалы, содержащие PFAS, обычно располагаются в местах деталей, испытывающих наибольшие нагрузки. Альтернативные материалы должны не только адгезироваться к металлическим, пластиковым или резиновым поверхностям, но и выдерживать высокие температуры, не отслаиваться под нагрузкой, а также обеспечивать экономичность нанесения на крупные детали. Такие материалы, как полиэфирэфиркетон (PEEK), обладают потенциалом по химическим и механическим свойствам, но не всегда достигают всех характеристик политетрафторэтилена (PTFE), поэтому простая замена материала недостаточна для решения проблемы.
Ключевое значение имеет технология нанесения покрытия. Руководитель отдела технологий поверхности и удаления материала института доктор Кристиан Веддер (Dr. Christian Vedder) указывает, что основное внимание в исследованиях уделяется не просто замене материала, а целенаправленному созданию инновационных слоистых систем с помощью лазерных технологий. Лазер позволяет структурировать поверхность, улучшать соединение альтернативного материала с деталью или локально изменять покрытие, избегая при этом сильного нагрева всей детали.
Проект RePEEK направлен на разработку покрытий на основе PEEK для подвижных высоконагруженных деталей в машиностроении, таких как крупные подшипники скольжения, уплотнения, поршни и электромагнитные клапаны. В крупных подшипниках скольжения ветроэнергетических установок вал обычно работает в слоистой системе, содержащей PTFE. При нагреве крупных металлических деталей целиком в печи энергопотребление высоко, а цикл длителен: нагревается значительно больше материала, чем фактически требуется для нанесения покрытия. Исследовательская группа сначала с помощью лазера создаёт на металлической поверхности целенаправленно шероховатый металлический слой, затем в той же технологической среде наносит порошок PEEK и локально расплавляет его, обеспечивая закрепление пластика на шероховатой металлической поверхности и формируя композитный материал, состоящий из металлического функционального слоя и верхнего слоя на основе PEEK. Для этого группа разработала и запатентовала технологию циклонного сопла, которое значительно замедляет воздушный поток, благодаря чему порошок ударяется о поверхность с низкой скоростью и не отскакивает, что повышает коэффициент использования материала и управляемость процесса.
Проект EPOS, возглавляемый Делилем Идрисом Демиром (Delil Idris Demir) из Фраунгоферовского института ILT, исследует возможность создания покрытий на основе PEEK на крупногабаритных подшипниках скольжения с высокой технологической надёжностью и в многослойном исполнении. Послойное нанесение позволяет достигать большей толщины покрытия без нагрева всей детали весом в несколько тонн. В проекте участвует компания ACS Coating Systems, которая с середины 1990-х годов постоянно разрабатывает такие подшипниковые покрытия и в настоящее время производит покрытия толщиной от нескольких микрометров до одного миллиметра. Её управляющий директор доктор Кристоф Штехер (Dr. Christoph Stecher) участвует в проекте с точки зрения структуры покрытия, промышленного применения и последующего серийного производства. Компания Polymer Service GmbH Merseburg (PSM) под руководством профессора доктора Катрин Райнке (Prof. Dr. Katrin Reincke) проводит испытания и оценку покрытий, уделяя особое внимание кристалличности PEEK, микроструктуре, термическому состоянию, а также механическим и термомеханическим свойствам, с целью согласования лазерной технологии с многослойной структурой покрытия, обеспечивая равномерную адгезию покрытия и его способность выдерживать нагрузки при работе подшипника скольжения.
Проект LEMBAS посвящён эластомерным валам и роликам, используемым в производстве плёнок, упаковочной промышленности, производстве бумаги и медицинской технике. Частицы на поверхности валов могут вызывать проблемы в высокоскоростных процессах; в отрасли часто применяются силиконовые покрытия для обеспечения антиадгезионных свойств, однако их долговечность не всегда удовлетворяет требованиям современных высокоскоростных процессов. Адам Эль-Сарут (Adam El-Sarout) из группы технологии тонких плёнок Фраунгоферовского института ILT отмечает, что силиконовые покрытия обеспечивают требуемые антиадгезионные свойства, но не всегда достигают долговечности, необходимой для современных высокоскоростных процессов. Группа в сотрудничестве со специалистом по покрытиям Rhenotherm разрабатывает лазерные технологии с использованием высокоэффективных полимеров, таких как PEEK, полиамид или полипропилен, которые более износостойки, более химически стойки и не содержат PFAS по сравнению с силиконом. Техническая сложность заключается в температурном окне: для плавления высокоэффективных полимеров требуются высокие температуры, тогда как эластомеры, такие как EPDM, обладают ограниченной термостойкостью; при нагреве резинового вала целиком подложка будет повреждена. Лазер создаёт высокую температуру лишь локально и кратковременно в материале покрытия, обеспечивая плавление функционального слоя при защите нижележащей эластомерной детали. Группа также разработала промежуточный слой для защиты эластомера и усиления соединения покрытия, а также адаптировала оптические и реологические свойства материала под лазерную технологию.
Проект pureWaterSeal реализуется совместно Фраунгоферовским институтом лазерной техники (ILT) и Фраунгоферовским институтом механики материалов (IWM) с целью создания устойчивых уплотнений, не требующих PFAS и способных работать с водными смазочными жидкостями. Специалисты IWM разработали алмазоподобное углеродное покрытие (Diamond-like carbon, DLC), специально предназначенное для пластиковых деталей без PFAS, после чего группа ILT структурирует покрытие с помощью лазера, локально снимая внутренние напряжения и механические нагрузки при сохранении общей стабильности покрытия. Сочетание лазерного структурирования и покрытия позволяет снизить трение, повысить износостойкость и продлить срок службы уплотнений. По словам руководителя группы структурирования поверхности института Маттиаса Ларманна (Matthias Laermann), в Германии ежегодно потребляется около одного миллиона тонн маслосодержащих смазочных материалов, и всего один литр может загрязнить до одного миллиона литров грунтовых вод. Первые прототипы уже работают в насосах геотермальных электростанций; исследовательская группа совместно с промышленными партнёрами адаптирует уплотнения для применения в легковых автомобилях, судовых гребных винтах, ветрогенераторах и зерноуборочных комбайнах, одновременно готовясь к переносу технологии на более крупное оборудование и промышленное серийное производство.
Общий вывод указанных проектов заключается в том, что отказ от PFAS не может быть достигнут только заменой материалов — необходимы сопутствующие технологии производства и обработки поверхности. Лазер выступает ключевым инструментом, позволяющим локально выполнять нанесение материала, плавление или структурирование функциональных слоёв, избегая излишней тепловой нагрузки на нижележащие детали. Предприятиям не нужно ждать единой альтернативы, способной заменить все применения PFAS; Фраунгоферовский институт ILT совместно с промышленными партнёрами разрабатывает индивидуальные слоистые системы под различные детали и требования применений, включая низкофрикционные поверхности для подшипников скольжения, износостойкие антиадгезионные покрытия для валов, а также безPFAS-уплотнительные системы в среде водных смазочных жидкостей.
