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24. August 2019

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Die Schichten in der Industrie

Die Schichten in der Industrie© TUWien_NiklasStadler

Ein neues Christian Doppler Labor an der TU Wien beschäftigt sich mit High-Tech-Beschichtungen, die bei hochbeanspruchten Komponenten in Turbinen oder Energieanlagen die Einsatzmöglichkeiten verbessern und dabei auch beständiger sind.

(red/czaak) Die Materialwissenschaft kann nicht immer alle Anforderungen erfüllen, welche die Industrie an neuartige Materialien stellt. Das betrifft mehrheitlich Stabilität und Leichtigkeit, dazu eine hohe Widerstandskraft gegen Säuren oder auch gegen Hitze. Eine zentrale Rolle bei diesen Themen spielt die Beschichtung der Werkstoffe. Hier genügt es oft, Schichten im Mikrometerbereich aufzutragen, um die Eigenschaften eines Werkstücks wesentlich zu verbessern.

Physikalische Gasphasenabscheidung
„Bei unseren bisherigen Arbeiten standen sehr oft nur mechanische Eigenschaften wie Härte oder Elastizität im Vordergrund, etwa bei der Beschichtung spezieller Bohr- und Fräswerkzeuge für die Fertigungsindustrie. Nun möchten wir uns mit einer viel breiteren Palette an Materialeigenschaften beschäftigen“, sagt Helmut Riedl vom Institut für Werkstoffwissenschaften und -Technologie der TU-Wien.

Eine Schlüsseltechnologie dafür ist die physikalische Gasphasenabscheidung, wo verschiedenste Grundmaterialien in einer Beschichtungsanlage verdampft und auf atomarer Skala zerstäubt werden. Diese Atome setzen sich dann auf dem Werkstück fest, das beschichtet werden soll. Durch Parameter wie Druck und Temperatur oder auch durch Zugabe weiterer Gase kann der weitere Schichtaufbau beeinflusst werden.

Turbinenbau im Bereich Gas, Wasserkraft und Flugzeugbau
Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist dabei der Turbinenbau. Turbinen sind oft extremen Belastungen ausgesetzt, etwa Flugzeugturbinen, die der Hitze des verbrennenden Treibstoffs widerstehen und gleichzeitig Kollisionen mit Sandpartikeln oder gar Vögeln aushalten müssen. Gasturbinen für die Elektrizitätserzeugung müssen ebenfalls hitzebeständig sein, gleichzeitig soll die Dichte des Materials so gewählt werden, dass man bei geringstem Energieaufwand höchste Drehzahlbereiche und somit beste Performance erzielen kann. Turbinen von Wasserkraftwerken sollten wiederum der Kavitation widerstehen, das ist die Bildung kleiner Dampfbläschen im Wasser und einer damit verbunden Erosion des Materials.

„Die Auswahl an Beschichtungsmaterialien ist inzwischen groß. Oft werden spezielle Keramiken eingesetzt, aber wir arbeiten auch mit Metallbeschichtungen oder mit Kombinationen dieser Materialien“, sagt Helmut Riedl. Damit lässt sich in Folge auch Effizienz und Umweltbilanz einer Anlage deutlich verbessern. Eine speziell zusammengesetzte Schutzschicht kann etwa einen Verbrennungsprozess bei günstigeren Temperaturen ablaufen lassen oder eine Turbine kann bei gleicher Festigkeit leichter und somit energiesparender konstruiert werden und das geht hin bis zu ganzen Anlagen, die Jahrzehnte überdauert, während sie ohne Beschichtung viel häufiger gewartet werden müssten. 

Partnerschaft im Bereich angewandter Forschung stärkt Standort
Das soeben neu eingerichtetes CD-Labor an der TU-Wien erforscht nun genau diese Bereiche. Unterstützt wird das neue Labor vom Bundesministerium für Digitalisierung und Wirtschaft (BMDW) und den Firmenpartnern Plansee SE, Plansee Composite Materials und Oerlikon Surface Solutions.

„Durch den Einsatz von neuartigen Materialien kann die Produktion effizienter gestaltet und die Eigenschaft von Produkten entscheidend verbessert werden. Jeder Wettbewerbsvorteil, den unsere Firmen sich hier erarbeiten, stärkt die Wettbewerbsfähigkeit des Standortes, und daher ist dieses CD-Labor ein relevanter Faktor für die künftige Entwicklung der beteiligten Unternehmen“, unterstreicht Margarete Schramböck, Bundesministerin für Digitalisierung und Wirtschaft. 

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red/czaak, Economy Ausgabe Webartikel, 12.04.2019