Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Lasergehärtete anorganische Schichten für die industrielle Produktion

Im Forschungsprojekt wird der Temperprozess beim Sol-Gel-Tauchbeschichten durch den Einsatz von Laserstrahlung durchgeführt. Hierdurch soll die Schichtporosität verringert, die Energieeffizienz und der Durchsatz verbessert und das Produktspektrum von Sol-Gel-Beschichtungen erweitert werden.

Das Forschungsprojekt wird von zwei Instituten bearbeitet. Dabei bringt das Fraunhofer Institut für Silicatforschung (ISC) seine Kompetenz in der Materialentwicklung und Charakterisierung von Sol-Gel-Schichten ein, um im Projekt laseroptimierte Sole zu entwickeln.

Das Laser Zentrum Hannover e. V. (LZH) wird bei der Entwicklung des laserbasierten Sol-Gel-Beschichtungsprozess federführend sein. Die System-, Prozess- und Materialentwicklung wird iterativ in enger Zusammenarbeit beider Institute und dem projektbegleitenden Ausschuss durchgeführt, um eine industrienahe Lösung zu gewährleisten.

Im Projektzeitraum soll das Lasertempern von anorganischen Schichten für Einschicht-, Mehrschicht und ortsaufgelösten Schichtsystemen entwickelt werden. Dabei soll im Vergleich zum konventionellen Ofentempern die Energieeffizienz und der Durchsatz verbessert werden, da Laser keine Vorlaufzeit benötigen und nur die Oberfläche selektiv aufgeheizt wird. Die Schichtporosität soll verringert werden, da mit dem Laser mehrstufig dünne Einzelschichten aufgetragen werden können. Das Produktspektrum von Sol-Gel-Beschichtungen soll durch ortsaufgelöste Beschichtungen und durch Mehrfachbeschichtungen mit Solen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung erweitert werden. Die Projektergebnisse fließen in die Konzeptionierung einer laserbasierten Sol-Gel-Beschichtungsanlage ein. Aufgrund des Wegfallens der ofenbedingten Vorlaufzeit verbessert sich die Wettbewerbsfähigkeit von KMU aus der Beschichtungstechnik durch eine Erhöhung der Energieeffizienz und Flexibilität der Produktionslinie. Die verbesserte Schichtqualität und die Erweiterung des Sol-Gel-Produktspektrums eröffnet KMU zudem neue Anwendungsfelder.

Ergebniszusammenfassung:

Es konnte gezeigt werden, dass ein Aushärten von Sol-Gel-Schichten mittels einem CO2-Laser möglich ist und vergleichbare Eigenschaften hinsichtlich Brechzahl, Schichtdicke und Gefüge aufweisen wie eine im Ofen ausgehärtete Schicht.

Es wurden vier verschiedene Sol-Gel-Schichten untersucht: zwei verschiedene Titandioxid-, Zirkoniumdioxid- und Indium-Zinnoxid-Schichten (ITO). Titandioxid wird u. a. für antimikrobakterielle Anwendungen und Zirkoniumdioxid für verschleißresistente Schichten verwendet. ITO-Schichten können für beheizbare Gläser oder zum Abschirmen von Funkwellen eingesetzt werden.

Die lasergehärteten Schichten zeigten makro- und mikroskopisch eine ähnliche Qualität wie die ofengehärtete Referenzprobe. Es konnte eine Korrelation zwischen Laserleistung und thermischer Behandlung (Ofen) für die erzielten Schichtdicken und Brechzahlen beobachtet werden. Mithilfe eines Galvanometer-Scanners konnten die Sol-Gel-Funktionsschichten ortsaufgelöst ausgehärtet werden, wodurch eine selektive und einseitige Beschichtung von Gläsern möglich ist.

Röntgendiffraktometrieuntersuchung (XRD) der lasergehärteten Zirkoniumdioxidschichten zeigten neben der tetragonalen, welche auch bei der thermisch ausgelagerten Probe zu sehen war, eine monokline Phase.

Für die lasergehärteten Titandioxidschichten wurden im Vergleich zu thermisch ausgelagerten Proben eine Rutil-Phase anstelle einer Anatas-Phase beobachtet.

Im Gegensatz zu den anderen Sol-Gel-Funktionsschichten wurden für die ITO-Schichten ein zweistufiger Laserprozess gewählt, um ähnliche optische und elektrische Eigenschaften zu erzielen wie die ofengetemperte Referenzprobe. Im ersten Schritt wurde die Schicht verdichtet und behielt dabei ihre Transparenz, während durch den zweiten Prozessschritt der elektrische Flächenwiderstand reduziert werden konnte.

Somit ist es möglich verschiedene Sol-Gel-Funktionsschichten mit dem Laser auszuhärten, welche eine ähnliche Qualität besitzen wie eine vergleichbare ofengetemperte Probe.