Keramik Beschichtung

Beschichtung

Oberflächenbeschichtung für Metall und Kunststoff

Auf Basis unser bereits entwickelten Systeme, können wir Ihnen ein breites Spektrum an verschiedenen Oberflächenbeschichtungen für Keramik anbieten. Da jedes System – von der Wahl des Precursors bis hin zum fertigen Sol – bei uns im Haus entwickelt und synthetisiert wurde, ist eine funktionelle Optimierung unserer Sole auf Ihr besonderes Anliegen möglich. So ist es uns in der Vergangenheit oft gelungen, Laborprozesse zur Synthese und Beschichtung von Solen auf industrielle Anwendungen anzupassen. Im Rahmen von Machbarkeitsstudien bieten wir hierbei an, erste Beschichtungsscreenings auf Ihren Musterproben durchzuführen.

Zusätzlich stellen wir uns aber auch neuen Herausforderungen Keramikbeschichtungen möglich zu machen. Hierbei können Keramikbeschichtungen auf Basis von keramischen Schlickern oder Geopolymeren zu völlig neuartigen Beschichtungseigenschaften führen. Wir arbeiten täglich daran, unsere CerCoat®-Palette vielseitiger zu gestalten.

Keramische Schichten

Wann kommen keramische Schichten zum Einsatz?

Keramikbeschichtungen kommen immer dann zum Einsatz, wenn andere Werkstoffe an ihre werkstofflichen Grenzen stoßen. Z.B. herrschen an den Grenzflächen metallischer Konstruktionen häufig andere Bedingungen und Anforderungen, als im Volumen des Werkstoffes selbst. Hierbei kann es sich z.B. um thermische Belastung, übermäßigen Verschleiß, elektrische Leitfähigkeit oder den Kontakt zu Schmelzen handeln. In diesen Fällen kann durch eine keramische Beschichtung eine verbesserte und/oder zusätzliche Funktionalisierung der Oberfläche erreicht, Standzeiten von Bauteilen verlängert und Kosten eingespart werden. Durch die Auftragung von keramischen Schichten kommt es somit zu einer Funktionstrennung von Oberfläche und dem eigentlichen Werkstoff, mit dem Ziel die Oberflächeneigenschaften des Bauteils an die Umgebungseinflüsse optimal anzupassen.

Welche Eigenschaften bieten keramische Schichten?

Die möglichen Eigenschaften von keramischen Schichten sind so vielseitig wie die materialspezifischen Eigenschaften von keramischen Werkstoffen selbst:

  • Verschleißfestigkeit
  • hohe Härte
  • Hitze- und Kältebeständigkeit
  • Korrosionsbeständigkeit
  • elektrische Isolierung
  • geringe Wärmeleitfähigkeit
  • hohe Wärmeisolierung
  • Beständigkeit gegen saures und basisches Milieu
  • Beständigkeit gegen organische Lösungsmittel
  • piezoelektrische Eigenschaften
  • Biokompatibel

Kein keramischer Werkstoff kann alle o.g. Eigenschaften gleichzeitig abdecken. Die endgültige Eigenschaft der keramischen Beschichtung ist jedoch maßgeblich von den eingesetzten Ausgangsrohstoffen abhängig. Daher muss die Wahl der Rohstoffe sorgfältig auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt sein. 

Verfahren

Mit welchen Verfahren werden keramische Schichten erzeugt?

Mittlerweile haben sich eine ganze Reihe von Verfahren zur Herstellung von Keramikbeschichtungen etabliert. Üblicherweise unterscheidet man hierbei zwischen Dick- und Dünnschichttechniken. Zur Erzeugung von dicken Schichten (>30 µm) kommen vorzugsweise thermische Spritzverfahren wie Flamm- und Plasmaspritzen zum Einsatz, bei denen der zu beschichtende Werkstoff zuvor auf- oder angeschmolzen und mithilfe eines Spritzgerätes auf der Substratoberfläche aufgebracht wird. Zur Erzeugung von dünnen Schichten (<30 µm) wird hingegen mit Verfahren wie PVD, CVD, galvanischen Verfahren und in jüngster Zeit zunehmend durch das Sol-Gel-Verfahren gearbeitet. Beim PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) wird das Beschichtungsmaterial generell in einen dampfförmigen Zustand versetzt, um sich dann als dünne Schicht auf der Bauteiloberfläche anzulagern. Beim CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition) reagiert ein Gas mit den Beschichtungselementen in einer Reaktionskammer unter Wärmeeinfluss mit der Substratoberfläche, wodurch die gewünschte Beschichtung entsteht.

Sol-Gel

Was ist das Prinzip der Sol-Gel-Beschichtung?

DoD-Drucker zur Verarbeitung von Keramiktinten arbeiten üblicherweise mit Piezo-Druckköpfen, die eine Vielzahl einzelner Düsen besitzen, die einzeln angesteuert werden können. Hiervon leitet sich auch der Name ab: Tropfen werden bei Bedarf („on demand“) erzeugt und auf die Oberfläche geschossen. Hier ist es notwendig, dass der Abstand zwischen Druckkopf und zu beschriftender Oberfläche im Bereich von ca. 5mm liegt und in engen Grenzen konstant gehalten wird. Wenn dies gewährleistet werden kann, ist das Druckbild sehr scharf, eine Auflösung von 600x600dpi kann genutzt werden.

CIJ-Drucker arbeiten grundsätzlich anders: die Tinte wird kontinuierlich („continuous“) in einem Strahl versprüht. Dieser Strahl wird so abgelenkt dass einzelne Tropfen das Druckbild ergeben. Bei genauerem Hinsehen können diese Tropfen im Druckbild erkannt werden, je größer der Abstand zwischen Druckkopf und Oberfläche und je schneller die Druckgeschwindigkeit ist, desto stärker wird dieser Effekt sichtbar. Grundsätzlich ist das Druckbild also detail-ärmer verglichen mit DoD-Druckern. Der Abstand zwischen Druckkopf und Oberfläche kann jedoch stark variieren, ohne dass die Druckqualität sehr stark verschlechtert wird. Zudem sind die Druckköpfe verglichen mit DoD-Druckköpfen deutlich robuster, weshalb sich die CIJ-Drucker gerade in industriellen Umgebungen mit Staubaufkommen durchgesetzt haben.

Vorteile

Welche Vorteile hat die Sol-Gel-Beschichtung gegenüber PVD, CVD und Thermischen Spritzverfahren?

Der Vorteil des Sol-Gel-Verfahren gegenüber allen bekannten Beschichtungsverfahren liegt in erster Linie in den deutlich reduzierten Herstellungskosten der keramischen Schichten. Das Verfahren benötigt weder komplexe Anlagen oder geschlossene Kammern, noch muss ein hoher Energieaufwand betrieben werden. Von daher ist das Sol-Gel-Verfahren auch die nachhaltigste und umweltverträglichste Methode zur Aufbringung von keramischen Schichten. Zudem stellt das Verfahren im Gegensatz zu anderen kein Sicherheitsrisiko für seinen Anwender dar. Da bei der Sol-Gel-Beschichtung mehrere Verfahren (Dip-, Spin oder Spray-Coating) zur Anwendung kommen können, können einerseits relative dicke (bis 50 µm) und andererseits aber auch sehr dünne Schichten (ca. 500 nm) erzeugt werden, wodurch ein sehr breites Spektrum an Schichtdicken abgedeckt werden kann.

Welche Vorteile bieten dünne gegenüber dicken Schichten?

Eine keramische Beschichtung auf einem metallischen Substrat bietet nicht nur Vorteile, sondern birgt auch Gefahren. Durch das spröde Werkstoffverhalten, können keramische Schichten bei auftretenden Biegespannungen leicht abplatzen. Auch Unterschiede in der thermischen Dehnung können zum Versagen führen. Grundsätzlich kann man sagen, dass die Gefahr des Abplatzens mit der Schichtdicke zunimmt. Daher ist ein wesentlicher Vorteil dünner Schichten, ihre bessere Beständigkeit gegen Abplatzen.

Coating

Welche Coating-Verfahren bieten wir an?

Sol-Gel-Schichten werden bei uns mithilfe von zwei verschiedenen Verfahren aufgetragen:

Beim Dip-Coating-Verfahren wird das Bauteil automatisiert in das Sol eingetaucht. Durch das Herausziehen wird dann eine Schicht auf dem Bauteil aufgetragen. Wichtig bei diesem Prozess ist, dass beim Eintauchen, sowie beim Herausziehen, mit einer kontinuierlichen Geschwindigkeit gearbeitet wird, und es während der Beschichtung zu keiner Irritation des Sols kommt, um Inhomogenitäten und Fehlstellen bei der resultierenden Schicht zu vermeiden. Die Schichtdicke kann hierbei über die Geschwindigkeit beim Herausziehen gesteuert werden. Wird sie langsam eingestellt, ergibt sich eine dünnere Schicht. Wird sie schneller eingestellt, ergibt sich eine dickere Schicht. So können beim Dip-Coating Schichten von ca. 500 nm bis max. 2 µm appliziert werden, wobei sich das Verfahren selbst für eher einfachere Geometrien einsetzen lässt.

Mit dem Spray-Coating-Verfahren können demgegenüber deutlich komplexere Geometrien beschichtet werden. Hierbei wird mithilfe einer Sprühpistole und Luftdruck das Sol in feinzerstäubter Form auf dem Bauteil aufgetragen. Das Verfahren erlaubt dabei ein mehrmaliges Auftragen, wodurch die gewünschte Schichtdicke sehr genau eingestellt werden kann. So können Schichtdicken von ca. 1- 50 µm realisiert werden.

Im Falle beider Verfahren, werden die Bauteile mit den aufgetragenen Schichten nach dem Beschichten zuerst getrocknet und müssen anschließend im Ofen bei moderaten Temperaturen ausgehärtet werden, wobei die endgültigen Eigenschaften der Beschichtung entstehen.

Welche Keramikbeschichtungen bieten wir an?

Unsere Beschichtung basieren vorwiegend auf SiO2-Systemen, für deren Herstellung unterschiedliche Precursoren zur Anwendung kommen. Die Wahl des Precursor, der für die Synthese eines Sols eingesetzt wird, hat dabei entscheidende Auswirkung auf die endgültigen Eigenschaften der Beschichtung. So wurden von uns verschiedene Systeme mit unterschiedlichen Eigenschaften entwickelt, die unter der Bezeichnung CerCoat® laufen.

CerCoat®– H formt eine hauchdünne, glasartige, transparente Beschichtung, welche sich durch eine hervorragende Härte auszeichnet. Zusätzlich werden beschichtete Metalloberflächen optisch veredelt.

Die Charakteristika von CerCoat®-H sind:

  • erhöhte Kratzfestigkeit (je nach Anforderung ist die Härte einstellbar)
  • sehr geringe Schichtdicke (< 1µm)
  • Spülmaschinenresistent
  • Lösungsmittelresistent
  • Erleichtert den Reinigungsprozess
  • Einbrenntemperatur > 180°C

CerCoat®-H wird bei uns standardmäßig über das Dip-Coating-Verfahren aufgetragen.

Durch die Beschichtung mit CerCoat®-Y können hydrophobe Eigenschaften auf einer Bauteiloberfläche erreicht werden. Das System verzichtet hierbei auf die übliche Fluormodifizierung, wodurch es deutlich umweltverträglicher ist.

CerCoat®-Y weist folgende Eigenschaften auf:

  • Transparente Schicht
  • Hydrophobe Eigenschaften,
    Kontaktwinkel von 90° bis 110° gegenüber Wasser
  • Verringerung der Haftung von
    Kunststoffschmelzen im Spritzgießprozess
  • Erleichtert den Reinigungsprozess
  • Chemikalien-, Lösungsmittelresistent
  • Einbrenntemperatur >200°C

Als Beschichtungsverfahren sind sowohl Dip-Coating als auch Spray Coating geeignet. Spray-Coating wird häufig bevorzugt, da dadurch ebenfalls komplexe Geometrien beschichtet werden können.

CerCoat® – P ist ein System, bei welchem dem Sol keramische Partikel dem Sol zugesetzt werden. Dadurch wird eine Strukturierung der Oberfläche erreicht. Die Schichtdicke kann durch den Füllgrad und/oder die Anzahl der aufgebrachten Lagen variiert werden. Die Verschleißbeständigkeit ist gegenüber ungefüllten Solen deutlich erhöht. Zusätzlich werden die elektrische Isolation und Durchschlagsfestigkeit erhöht

CerCoat®-P weist folgende Eigenschaften auf:

  • Transparente bis farbige Beschichtung, je nach Art und Füllgrad der Partikel
  • Hydrophobe Eigenschaften
  • Kontaktwinkel von 90° bis 110° gegenüber Wasser
  • Durch Zusatz von keramischen Partikeln wird eine Schichtdicke bis ≥ 80 µm erzielt
  • Verschleißbeständigkeit, hängt vom Füllgrad mit Partikel ab
  • Elektrische Isolierung ≥ 1,5kV
  • Einbrenntemperatur > 200°C bis 300°C

CerCoat® – P wird mittels Spray-Coating aufgetragen.

Ansprechpartner

Tatjana Wiens