InnoPlas - Innovative Atmosphärendruck-Plasmaprozesse für industrielle Anwendungen - Greifswald

Das ForMaT-Vorhaben

Mit dem Innovationslabor „InnoPlas“ forciert das Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie (INP Greifswald e.V.) die praxisnahe Weiterentwicklung der Anwendung seiner innovativen Atmosphärendruckplasmaquellen für die Industrie.

Plasma ist ein ionisiertes, elektrisch leitfähiges Gas und wird auch als der vierte Aggregatzustand der Materie bezeichnet. Rund 99% der für den Menschen sichtbaren Materie im Weltraum, z.B. die Sonne und andere Sterne, befinden sich im Plasmazustand, auch Blitze und Polarlichter sind natürlich auftretende Plasmen. Aufgrund der besonderen Eigenschaften seiner Bestandteile wird künstlich erzeugtes Plasma heute in vielen technischen Bereichen angewendet.

Etablierte Verfahren der Plasma-Oberflächenbearbeitung basieren bislang auf Niederdruckprozessen. Die erforderliche Vakuumtechnik ist einerseits wartungs- und kostenintensiv und andererseits aufgrund der Reaktorgrößen der limitierende Faktor für die Dimensionen der zu bearbeitenden Werkstücke. Zudem lässt sich die Niederdruckplasmatechnik aufgrund ihrer Komplexität nur sehr schwer in bestehende Fertigungsabläufe integrieren, was einen ökonomisch sinnvollen Einsatz der Plasmatechnologie erschwert.

Jüngste Forschungsergebnisse des INP zeigen, dass Atmosphären- bzw. Normaldruckplasmen wesentliche Nachteile der herkömmlichen Plasmatechnologien umgehen können und für eine Reihe von Niederdruckprozessen eine echte Alternative darstellen. Neben der Vereinfachung und besseren Integrierbarkeit bestehender Anwendungen erschließt sich aus dem Einsatz von Atmosphärendruckplasmen eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Oberflächenmodifikationen.

Die Ziele

Der Schwerpunkt des INP liegt in der anwendungsorientierten Grundlagenforschung. Beschichtungen und Oberflächenmodifikationen können vom Ultrahochvakuumbereich bis zu Normaldruckbedingungen sowohl an planaren und strukturierten Oberflächen als auch Pulvern vorgenommen werden. Neben der umfangreichen Erfahrung in der Erstellung und Anwendung von plasmatechnischen Anlagen besitzt das INP erhebliche Kompetenz auf dem Gebiet der Charakterisierung, Simulation und Diagnostik der Plasmen. Dies schließt eine ganze Reihe von oberflächenanalytischen Verfahren ein.

Die grundsätzliche Übertragbarkeit von Wirkmechanismen nichtthermischer Plasmen vom Niederdruck auf den Normaldruckbereich wurde bei weitem noch nicht für alle Anwendungen technisch nachvollzogen. Daraus ergibt sich für das INP ein großes Betätigungsfeld, dessen Rahmen zum einen der Stand der Wissenschaft und Technik sowie zum anderen das Marktpotenzial für die angestrebten Verwertungen bilden.

Mithilfe von InnoPlas strebt das INP nach einer wirtschaftsgetriebenen, kundenorientierten Ausrichtung seiner Forschungsarbeit, um den Verwertungsgrad der Forschungsergebnisse durch neue Impulse und verschiedene Sichtweisen zu erhöhen. InnoPlas dient der Etablierung einer Infrastruktur und Innovationskultur, in der systematisch Verwertungen gefördert werden, aber auch gefordert sind.

Die thematischen Schwerpunkte

In drei Pilotprojekten werden Verfahren zur plasmagestützten Pulverlackierung für Materialien aller Art, zur Beschichtung mit Silizium- und Metallschichten sowie Entwicklungswerkzeuge zur Optimierung von technisch genutzten Plasmen entwickelt.

PLexc – plasmagestützte Pulverlackierungen

Im ersten Pilotprojekt sollen mit Plasmen Pulverschichten auf metallischen und hitzeempfindlichen Oberflächen erzeugt werden. Die im INP entwickelte, neuartige Mikrowellen-Plasmaquelle PLexc schließt hierbei die Lücke zwischen bestehenden Dünnschicht-Niedertemperaturverfahren und den Hochtemperatur-Dickschichtverfahren. PLexc bringt Farbpartikel in das Plasma ein, schmilzt sie auf und sprüht sie auf ein Werkstück. Spezifische Plasmabestandteile bewirken eine sofortige Aushärtung des Pulvers, wodurch das Werkstück ohne weitere Verfahrensschritte wie Aushärtung oder Abkühlung in den Verarbeitungsprozess eingebracht werden kann. Mit diesem Beschichtungsverfahren lassen sich Werkstücke jeder Größe beschichten, auch thermolabile Materialien sind behandelbar. Durch Modifikationen des Pulvers kann beispielsweise eine Beschichtung zur elektromagnetischen Abschirmung oder mit hydrophoben oder hydrophilen Eigenschaften realisiert werden.

Ein modularer und kompakter Aufbau der Plasmaquelle schafft zusätzliche Voraussetzungen für den mobilen Einsatz und eine weitestgehende Integrationsfähigkeit in bestehende industrielle Anlagen und Prozesse. Konkrete Anwendungsmöglichkeiten für ein mobiles Handgerät reichen vom Einsatz in Handwerksbetrieben bis zur Beschichtung großer Stahlkonstruktionen wie z.B. Brückenteilen im Rahmen von Baustellenfertigung.

ConPlas – Dünnschichten (Siliziumoxid- und Metallprecursor)

Im zweiten Pilotprojekt sollen mit dem neuartigen mobilen Kontaktplasma ConPlas dünne Schichten auf thermolabile und komplex geformte Werkstücke aufgetragen werden. Im Fokus steht die Aufbringung von Siliziumoxid- und Metallprecursor-Schichten zur Haftvermittlung und als Barriere. Anwendungspotenzial besteht beispielsweise im Schutz von optischen, mechanischen und mikroelektronischen Bauteilen, in der Verpackungsindustrie, als Ersatz für Niederdruckverfahren sowie in der Erzeugung biokompatibler Schichten.

Gegenüber der Beschichtung von Oberflächen durch herkömmliche nasschemische Verfahren und die Niederdruckplasmatechnologie bietet ConPlas eine umweltgerechte und ressourcensparende Alternative. Aufgrund der moderaten Temperaturen in nichtthermischen Plasmen können auch thermolabile Materialien behandelt werden. Ein zuverlässiges Atmosphärendruck-Plasmaverfahren eröffnet im Dünnschichtbereich zudem völlig neue Einsatzmöglichkeiten.

ProTool - Entwicklungswerkzeuge zur Optimierung von Plasmaverfahren und -quellen

Im dritten Pilotprojekt soll ein modulares Entwicklungswerkzeug namens ProTool zur Optimierung von Plasmaverfahren und zur Erforschung neuartiger Plasmaquellen samt zugeordneter Strategien entwickelt werden. Die Grundlage dazu bildet die Schaffung von wissenschaftlich-technischen Voraussetzungen für eine effektive und effiziente Entwicklung von Anwendungen nicht-thermischer atmosphärischer Entladungen. Hierunter sind insbesondere dielektrisch behinderte Entladungen (DBE) zu verstehen.

Mit Simulationstools, Diagnostik, einem Versuchstand sowie Modellen zur Optimierung von DBE-Plasmen zielt ProTool auf die Bearbeitung von F&E-Aufträgen aus der Industrie, ggf. in einem Spin-off des INP. Mögliche Anwendungsfelder erschließen sich beispielsweise aus der Begleitung der Entwicklung von innovativen Anlagen zur Ozonerzeugung und Abgasreinigung unter Verwendung von DBE-Plasmaquellen. Gegenüber teuren und zeitraubenden trial-and-error-Prozessen in der Entwicklung erleichtert ProTool einerseits das grundlegende Verständnis physikalischer Abläufe in den jeweiligen Plasmen und steigert andererseits die Effizienz entsprechender Entwicklungsaufgaben bei gleichzeitig besserer Vorhersagbarkeit des Projektaufwandes.

Die Partner

Das INP engagiert sich in zahlreichen Allianzen und Netzwerken mit KMU, Industrie, Hochschulen und anderen Forschungseinrichtungen, die in großen Teilen direkt auf Verwertung ausgerichtet sind. Diese Aktivitäten innerhalb etablierter Netzwerke bilden den organisatorischen Unterbau und Anknüpfungspunkt von InnoPlas.

Kontakt

Herr Göran Witt
Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie
Felix-Hausdorff-Str. 2
17489 Greifswald
Tel.: (03834) 55 44 55
Fax: (03834) 55 43 01
E-Mail: g.witt[at]inp-greifswald.de