Grundlagen und Ansatzpunkte für Metall Bearbeitende Betriebe...© Fraunhofer IAO, IAT Universität...

© Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart

Grundlagen und Ansatzpunkte fürMetall Bearbeitende Betriebe

Innovationspotenziale der Nanotechnologie

NANOTECHNOLOGIE IN DER OBERFLÄCHENBEHANDLUNGSeminar für Metall bearbeitende Betriebe

4. November 2009, Stuttgart

Dr.-Ing. Daniel HeubachFraunhofer IAO


Nanotechnologie – SMALL IS BEAUTIFUL

»Rather than looking for a nanotech market, it is better to look at the effect that nanotechnology has on other areas. It’s like looking at thedonut instead of the hole.«

Oingrong Huang (State University of New Jersey Rutgers) im Interview mit Tim Harper (Cientifica)


Agenda

Grundlagen der Nanotechnologie


Anwendungsbeispiele der Nanotechnologiefür Metall bearbeitende Unternehmen


Definition der NanotechnologieBMBF (2006)Nanotechnologie beschreibt die Untersuchung, Anwendung und Herstellung von Strukturen, molekularen Materialien und Systemen mit einer Dimension oder Fertigungstoleranz typischerweise unterhalb von 100 Nanometern. Allein aus der Nanoskaligkeit der Systemkomponenten resultieren dabei neue Funktionalitäten und Eigenschaften zur Verbesserung bestehender oder Entwicklung neuer Produkte und Anwendungsoptionen.


Blick in die kleinsten Teile mit großer Zukunft…Siliziumdioxid- und Titandioxid-Nanopartikel

RedispergierbareSiliziumdioxid (SiO2)-Nanopartikel

Agglomerierte Silber-NanopartikelAnti-mikrobielle Eigenschaften

Bilder: Fraunhofer ISC (Li) und Fraunhofer IFAM (Re)


Blick in die kleinsten Teile mit großer Zukunft…Nano-Cubes

Metal Organic FrameworkNano-Cubes (von BASF)

Chemische/Absorptive Wasserstoff-Speicherungfür Brennstoffzelle(3.400 m2/g Oberfläche)

Bild: BASF


Blick in die kleinsten Teile mit großer Zukunft…Kohlenstoff-Nanoröhren – Carbon Nano Tubes

Kohlenstoff-Nanoröhren –Carbon Nano Tubes (CNT)

Durchmesser ≥ 1nm(1000mal kleiner als ein Haar)

Extrem hohe Zugfestigkeiten,hervorragende thermische und elektrische Leitfähigkeit, elektrostatische Eigenschaften

Bild: Philips-Universität Marburg


1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

0,1 nm

1 nm

10 nm

0,1 μm

1 μm

10 μm

0,1 mm

1 mm

1 cm

0,1 m

Nutzungund Integration

biologischer Prinzipien,physikalischer Gesetze

und chemischer Eigenschaften

Beschichtung,Reinigungsmittel,

Komposite, Textilien, Kosmetik,

Displays, …

Materialdesign

Mikro-Elektronik

Elektrotechnik

Maschinenbau

Mechanik

QuantisierungAnwendungen derNanotechnologie

Zellbiologie

Molekularbiologie

Funkt. molekulares

Design

Komplexchemie

Supramolek. Chemie

Heute

Physik

Biologie

Chemie

Komplexierungindividueller

Bausteine

Individualisierung

Miniaturisierung

MIK

RO

MA

KR

ON

AN

O

Grundlagen der NanotechnologieKonvergenz von Biologie, Physik und Chemie


Vergrößerte Oberfläche

Was ist neu an der Nanotechnologie?„Neue“ Technische Physikdurch Änderung von

Farbe, TransparenzHärteMagnetismuselektrischer Leitfähigkeit

„Neue“ Bioanwendungendurch Kombination mit

SelbstorganisationReparaturfähigkeitAdaptionsfähigkeitErkennungsfähigkeit

„Neue“ Chemieprozessedurch Änderung von

Schmelz- und Siedepunktchemischer Reaktivitätkatalytischer Ausbeute

Quantenmechanisches Verhalten

MolekulareErkennung


Festkörper-eigenschaftenFestkörper-

eigenschaften

Volumen dominiertVolumen dominiert

Einfache Miniaturisierung

Einfache Miniaturisierung

Bindungs-eigenscnaftenQuantenmechanik

Bindungs-eigenscnaftenQuantenmechanik

Oberfläche dominiertOberfläche dominiert

Synthese & atomare ManipulationKombination mit

Selbstorganisationsprozess

Synthese & atomare ManipulationKombination mit

Selbstorganisationsprozess

Nanopartikel verlieren ihre typischenFestkörpereigenschaften

großes Molekül mit elektronischen, chemischen, optischen Eigenschaften

Nanopartikel verlieren ihre typischenFestkörpereigenschaften

großes Molekül mit elektronischen, chemischen, optischen Eigenschaften

Nanopartikel haben ein sehr großes Oberfläche-Volumen-Verhältnis

Oberflächenatome dominieren sowie deren Eigenschaften

Nanopartikel haben ein sehr großes Oberfläche-Volumen-Verhältnis

Oberflächenatome dominieren sowie deren Eigenschaften

SelbstorganisationsphänomenMiniaturisierung durch Prozesse in

Anlehnung an Mechanismen in der Natur

SelbstorganisationsphänomenMiniaturisierung durch Prozesse in

Anlehnung an Mechanismen in der Natur

Bisherige Betrachtungsweise

Neue Sichtweisedes Engineering durch Nanotechnologie

Neue Sichtweise des Engineeringdurch Nanotechnologie


Großes Oberflächen-Volumen-Verhältnis


Nano-Materialien und StrukturenPartikel, Formkörper, Schichten, Fasern

Partikel Formkörper

SchichtenFasern

TiO2, ZrO2, SiO2, Al-Oxid, ZnO, Antimon-Zinn-Oxid, Indium-Zinn-Oxid (ITO), Ag (Silber), …

Metalle, Keramiken, Nanopartikel in metallischen oder keramischen HartschichtenNanopartikel in Polymeren

Carbon Nanotubes (CNT), Polymer-Nanofasern

Nanolackschichten,anorg.-org. Hybridpolymere,

PVD/CVD-Schichtenstrukturierte Oberflächen

(Ätzstrukturen, Prägungen)


Nanotechnologie – das Spielen mit BausteinenBausteine – Baupläne – Systeme


Das Auge in die winzige WeltAnalyse- und Manipulationsinstrumente für den nm-Bereich

G. Binnig, H. Rohrer, IBM Zürich

Rasterkraftmikroskop

Hebelarm undatomare Spitze

Laser

Probe auf Piezo-Steuerquarz (x, y, z)

Detektor

Grafik: FCI

1986 erhalten Gerd Binning und Heinrich Rohrer den Nobelpreis für die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops Anfang der 1980er-Jahre. Damit ist es erstmals möglich, Oberflächen mit atomarer Auflösung abzubilden.Das Rasterkraftmikroskop ist eine Weiterentwicklung des Rastertunnelmikroskops


Herstellung von Nanomaterialien – Sol-Gel-VerfahrenChemische Nanotechnologie als Bottom-Up-Verfahren


Agenda





Nanotechnologiein unserem Alltag

Grafik: Siemens,Picture of the Future


Nano in der Produktion


Große Forschungsprogramme»Tendenz steigend «

Große Forschungsprogramme»Tendenz steigend «

Große Entwicklungsdynamik in der NanotechnologieWissensaufbau, Marktwachstum und Förderung

Publikationen»Exponentielles Wachstum«

Publikationen»Exponentielles Wachstum«

Marktwachstum»Jährl. Wachstum 10-15%«

Marktwachstum»Jährl. Wachstum 10-15%«

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

1991 1998 2005

USA

JapanDeutschland

Frankreich

England

VR ChinaSüdkorea

1.7221.200870andere

11.41210.1808.528Gesamt

2.6792.2302.290Japan

3.7063.7002.943US

3.3053.0502.425EU

200620052004Mio €

Um

satz

in M

rd. €

10.000

1000

100

10

Jahr2000 2005 2010 2015

Um

satz

in M

rd. €

10.000

1000

100

10

Jahr2000 2005 2010 2015

Um

satz

in M

rd. €

10.000

1000

100

10

Jahr2000 2005 2010 2015

Um

satz

in M

rd. €

10.000

1000

100

10

Jahr2000 2005 2010 2015

Um

satz

in M

rd. €

10.000

1000

100

10

Jahr2000 2005 2010 2015

Um

satz

in M

rd. €

10.000

1000

100

10

Jahr2000 2005 2010 2015

Daraus ergeben sich folgende Herausforderungen:

Menge an Informationen und die neuen verwendeten Termini erschweren die anwendungsorientierte Verarbeitung der Informationen

Das Wissen fehlt, welche Fragen in Bezug auf Anwendungen, Randbedingungen, Lösungsansätzen etc. zu stellen sind

Kostoff (2007); FCI (2005); EU (2005)


Wirtschafsfaktor NanotechnologieWertschöpfung mit Produkten

Marktpotenzial [Mrd. €]

500

50

0.05Wertschöpfungskette

0.5

5Materialien

z.B. Partikel, Tubes, ...

Komponentenz.B. modifizierte

Thermoplastics,Formulierungen, ...

Endproduktez.B. für Automobil,

Displays, Solarzellen,Textilien, ...

Nano-SilberMehrere 100.000 US$

Wundverband25 Mio. US$

BeispielMedizin

Bild-Quelle: BASF


Agenda





Nanotechnologie – Saubere Oberflächen, leichte ReinhaltungPassive Schichten mit niedriger Oberflächenenergie zur Oberflächenreinhaltung

Ziel/ NutzenDurch saubere Oberflächen werden Prozesse sicherer, Produkte optisch ansprech-ender und der Reinigungsaufwand reduziert, Funktionseigenschaften wie z. B. ein guter Wärmedurchgang (Wärmetauscher) können über längere Zeit erhalten werden

Technische GrundlagenEine niedrige Oberflächenenergie wird schon durch sehr dünne Schichten (< 2nm) erzielt, die chemischen Gruppen für niedrige Oberflächenenergie sind unpolar (Alkylgruppen) und teilweise fluoriert. Zur Stabilisierung werden oft Nanopartikel in Lacke eingebaut oder Hybridpolymere eingesetzt

AnwendungsmöglichkeitenAuf nahezu allen Oberflächen möglich.Z.B.: Formenbau, Trennmittel, Einhausungen, Umgang mit Flüssigkeiten in Tanks und Leitungssystemen, für Wärmetauscher und Klimaanlagen; Druckwalzen

EinschränkungenLangzeithaltbarkeit unter starker mechanischer Belastung ist nicht in allen Fällen möglich, allerdings sind Nanoschichten im Vergleich mit konventionellen Schichten (Teflon) meist deutlich besser.

Bildquelle: Firma De Cie (oben), Rittal (unten)


Nanotechnologie – Saubere Oberflächen, leichte ReinhaltungBeispiel für eine farbabweisende nanoskalige Sol-Gel-Schicht für die Beschichtung von Farbwalzen – oben ohne, unten mit Sol-Gel-Schicht

Bildquelle: Heidelberger Druckmaschinen AG


Nanotechnologie – Ressourcenschonung / UmweltschutzKorrosionsschutz

Ziel/ NutzenVerlängerung der Lebensdauer von metallischen Bauteilen: Korrosionsschutz (Konversionsschicht) und Haftgrund für metallische Werkstücke durch nanotechnologische Beschichtung, Ersatz von Cr(VI) für Aluminiumoberflächen zur Vermeidung der Filiformkorrosion Substitution der bisherigen Eisenphosphatierung mit anschließender Passivierung durch gebräuchliche Pulver- und Nasslackierungen. Umweltfreundlicheres Verfahren durch nanotechnologische Beschichtung.

AnwendungsmöglichkeitenKorrosionsschutz (Konversionsschicht) und Haftgrund als Vorbehandlung von Metall-Teilen (z. B. kalt gewalzter Stahl, galvanisierter Stahl, Aluminium, Zink): Reinigung der Teile, Haftgrund für die Lackierung, besseren Korrosionsschutz; Multimetall-Vorbehandlung (Stahl, Alu, Zink).Z.B.: Schutz von Bauteilen in der Produktion mit erhöhter chemischer oder mechanischer Beanspruchung; Verbesserung des Haftgrundierungs- und Konversionsbeschichtungsprozesses in der Produktion.

EinschränkungenFehlende Langzeiterfahrung

Technische GrundlagenKonversionsschicht basiert auf Metalloxiden (Titan, Zirkonium) und komplexen Fluoriden (Zr-oxyfluoroglas ZrOxFy) mit Beschichtungsdicken von 20 bis 30 nm. Nanoskalige Hybridpolymerlacke. Aktiver Korrosionsschutz mit Nanopartikeln.

Bonderite® NT-1Fe-Phosphat

Bildquelle: Henkel


Nanotechnologie – Ressourcenschonung / UmweltschutzThermische Schutzschichten

Ziel/ NutzenVerlängerung der Lebensdauer von Materialien bei hohen und höchsten Temperaturen.

Technische GrundlagenDünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln.Nanoporöse Schichten sind sehr gute Wärmeisolatoren.Dünnstschichten lassen sich sehr leicht umformen.

AnwendungsmöglichkeitenSchutzschichten für Metalle, Stahl.Z.B.: Wärmetauscher, Turbinen, Stahlbleche etc.

EinschränkungenTeilweise Kostenprobleme

Bildquelle:Uni Kassel, Firma Volkswagen,Thyssen-Krupp und Firma Nano-X


Nanotechnologie – Ressourcenschonung / UmweltschutzVerbesserte Luft- und Abwasserreinigung

Ziel/ NutzenEffektivere Reinigung von Abluft und Abwässern, von Raumluft in der Produktion, von Trinkwasser oder von chemischen Hilfsstoffen (Bsp. Altöl).

Technische GrundlagenDünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln, Photokatalytische Reinigung, Einsatz von neuen polymeren Nanofasern als Filtergewebe.

AnwendungsmöglichkeitenVerbesserte Effektivität durch höhere Oberflächen der Nanomaterialien als Schichten, Pulver bzw. Fasern.Z.B.: Schmierölfilterung, Reinluftfiltration

EinschränkungenHöherer Preis der Produkte

Bildquelle: Hollingsworth & Vose


Nanotechnologie – Erhöhung der BetriebssicherheitAntistatische und transparentleitfähige Schichten

Ziel/ NutzenVerhinderung der elektrischen Aufladung von isolierenden Oberflächen z. B. bei Kunststoffen, Transparente Elektroden.

Technische GrundlagenDünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln Transparente Anti-Statik-Beschichtung durch Flammen-CVD mit einer Zinkoxidschicht und Fluor-Dotierung erreicht Widerstand von 10 kΩ. Diese hochohmige Schicht ist für die Ladungsabfuhr ausreichend.Mit Antimon-Zinn-Oxid (ATO) oder Indium-Zinn-Oxid (ITO) lässt sich eine permanente leitfähige Beschichtung auf Kunststoff realisieren. ITO wird für die antistatische Ausrüstung der transparenten Abdeckscheiben von Flachbildschirmen eingesetzt. Modifizierte Hybridpolymere (ORMOCER®e) mit stabil verankerten polaren Gruppen für Antistatik

AnwendungsmöglichkeitenAntistatik für Kunststoffe, Transparent leitfähige Schichten (TCO) für DisplaysZ.B.: Fertigung oder Produktion von Kunststoffteilen bzw. Führung von Kunststoffteilen in Transport- / Schienensystemen.

EinschränkungenKosten

Bildquelle: Fraunhofer


Nanotechnologie – Erhöhung der BetriebssicherheitAnti-Beschlag-Eigenschaften

Ziel/ NutzenVerhinderung des Beschlagens durch Wasser und damit verbunden Einschränkung der Sicht.

Technische GrundlagenDünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln, Superhydrophile TiO2-Schichten, Hybridpolymere.

AnwendungsmöglichkeitenFür nahezu alle Substrate.Z.B.: Schutzbrillen, Visiere, Einhausung von Anlagen

EinschränkungenKombination mit Kratzfestigkeit bei Kunststoffen teilweise problematisch, Kosten, Langzeitbeständigkeit meist nur bei rein anorganischen Schichten möglich, diese sind aber für Kunststoffoberflächen nicht geeignet oder zu teuer

Bildquelle: Fraunhofer


Nanotechnologie – Erhöhung der BetriebssicherheitGeruchs- und Schadstoffabsorption und -zersetzung

Ziel/ NutzenGeruchs- bzw. Schadstoffminderung z. B. Verringerung der NOx-Belastung

Technische GrundlagenDünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln (Katalytisch aktive bzw. zur Absorption –sehr große Oberflächen), Abbau von organischen Stoffen oder Schadgasen wie NOx oder Formaldehyd

AnwendungsmöglichkeitenWand- und Bodenbeläge, Tapeten, ÖfenZ.B.: Wände, Böden, Gehäuseteile, Öfen

EinschränkungenKatalysatoren teilweise recht teuer, wenig Erfahrung über Langzeitverhalten der Effekte.

Bildquelle: ItN Nanovation


Nanotechnologie – Verbesserung der Qualität, QualitätssicherungGenaueres DosierenZiel/ NutzenRestentleerbarkeit und Flüssigkeitsablauf verbessern.

Technische GrundlagenDünne Antihaftschichtschichten mit niedriger Oberflächenenergie, Hybridpolymerschichten, Sol-Gel-Schichten, Plasmapolymere

AnwendungsmöglichkeitenFür alle flüssigkeitsführenden GebindeZ.B.: Verbesserung Restentleerbarkeit von Gebinden, Leitungen etc.

EinschränkungenLangzeiterfahrung fehlt

Bildquelle: Degussa


Nanotechnologie – Verbesserung der Qualität, QualitätssicherungFälschungssichere Kennzeichnung von ProduktenZiel/ NutzenSicherung des technologischen Vorsprungs durch fälschungssichere Kennzeichnung vonProdukten sowie Verpackungen

Technische GrundlagenZugabe speziell dotierter Nanopartikel (z. B. Fluoreszenzpartikel, Bakteriorhodopsin u. a.) oder Einsatz von Nanomultischichten (Holographische Label)

AnwendungsmöglichkeitenFür alle Produkte sowie VerpackungenZ.B.: Aufdrucke auf Verpackungen, Siegel

EinschränkungenTeilweise noch recht teuer, Integration in Produktionsprozesse noch nicht in allen Fällen möglich.

Bildquelle: Uni Marburg

Grundlagen und Ansatzpunkte für Metall Bearbeitende Betriebe...© Fraunhofer IAO, IAT Universität...

Documents

Transcript of Grundlagen und Ansatzpunkte für Metall Bearbeitende Betriebe...© Fraunhofer IAO, IAT Universität...