PVD-belægning

Teknologisk Institut har investeret i to nye højteknologiske analyseudstyr, der skal hjælpe dem med at udvikle bedre overfladebelægninger til danske og udenlandske virksomheder. Det nye udstyr giver mulighed for at måle egenskaberne på både overflader og tynde belægninger meget præcist, hvilket er afgørende for udvikling af f.eks. slidstærke belægninger til værktøjer, maskindele og lignende.

Præcis måling af tynde belægninger

Det nye udstyr består af en nanoindenter og et specialiseret røntgendiffraktometer. Nanoindenteren er en meget avanceret hårdhedsmåler, som kan bestemme hårdhed og elasticitet på overflader af materialer og på tynde, funktionelle belægninger med tykkelser på ned til ca. 100 nanometer. Røntgendiffraktometeret kan bruges til at analysere materialers krystalstruktur.

"Med det nye udstyr kan vi nu karakterisere og måle på tynde overfladebelægninger, som ellers er ekstremt vanskelige at analysere," forklarer sektionsleder Christian Moeslund Zeuthen fra Teknologisk Institut.

[BOKS: Det nye udstyr bruges til avanceret materialekarakterisering og omfatter:

• En nanoindenter til måling af bl.a. hårdhed og elasticitet. Den er egnet til at måle på mange forskellige materialer som fx metaller, plast mv. hvor man er interesseret i at vide noget om de mekaniske egenskaber af overfladen eller en påført overfladebelægning.
• Et specialiseret røntgendiffraktometer til analyse af de strukturelle egenskaber af materialer og overflader på et atomart niveau]

Praktiske anvendelser for industrien

Det nye analyseudstyr skal bl.a. bruges til nyudviklig og optimering af PVD-belægninger, som er en stor aktivitet hos Teknologisk Instituts Tribologicenter. Ud over denne aktivitet tilbydes disse analyser også til kunder, som har behov for denne type målinger.

"Vi kan nu tilbyde langt mere detaljerede analyser af tynde belægninger, som ellers er meget vanskelige at måle på. Det giver virksomhederne mulighed for at optimere deres produkter hurtigere og mere præcist," forklarer Christian Moeslund Zeuthen, sektionsleder på Teknologisk Institut.

Styrker dansk industri

Udstyret er bl.a. særligt relevant til:

• Udvikling af mere slidstærke produktionsværktøjer
• Optimering af overfladebelægninger
• Kvalitetskontrol og analyse af belægninger
• Udvikling af nye overfladebelægninger til en bred vifte af anvendelser

"Vi kan nu meget præcist analysere helt ned til få 100 nanometer tynde belægninger. Det giver os mulighed for at optimere materialer og belægninger til f.eks. forøgelse af værktøjers funktion og holdbarhed eller til at udvikle nye overfladeløsninger til eksempelvis den grønne omstilling," udtaler seniorspecialist Klaus Pagh Amtoft.

Fakta om det nye udstyr:

• Nanoindenteren måler med kræfter fra 100 mikronewton til 1 newton
• Røntgendiffraktometeret kan analysere belægninger fra få nanometer til 50 mikrometers tykkelse
• Alle analyser udføres in-house hos Teknologisk Institut i Århus

Investeringen skal hjælpe danske og udenlandske virksomheder med at få større indsigt i overfladeegenskaber samt udvikle næste generation af overfladebelægninger og dermed styrke deres konkurrenceevne på det internationale marked.

Virksomheders brug af nye energikilder som brint og metanol stiller nye krav til motorernes overflader. Nye belægninger kan løse udfordringerne.

Virksomheders brug af nye energikilder som brint og metanol stiller nye krav til overfladerne i motorerne i overgangen fra fossile brændstoffer til de nye grønne energikilder, påpeger Teknologisk Institut. Samtidig kan virksomheder ved at have øget fokus på overfladebelægninger arbejde mod mindre friktion og slid, som ellers kan blive et dyrt bekendtskab i form af høj kassationsrate, højt energiforbrug, nye værktøjer og øget maskintid.

- Normalt har vi været vant til, at vores motorer skulle køre på benzin eller diesel, ligesom vi havde olie til at smøre motorerne med. Går man over til ikke-fossile brændstoffer såsom metanol, der smører meget dårligt, kan man i stedet lave en overfladebelægning, der kan fungere som smøremiddel, siger Bjarke Holl Christensen, sektionsleder på Teknologisk og specialist i overfladebelægninger.

Hos Teknologisk Institut har man specialiseret sig i at lave overflader, som passer til det enkelte behov – fagområdet er kendt som Tribologi, som er viden om friktion, mekanisk slid og smøring. En tynd, specialiseret belægning over grundmaterialet kan optimere materialet og potentielt mindske friktion og spare energi.

Når man laver belægninger på Teknologisk Institut, bruger man en teknik, der hedder Physical Vapor Deposition - også kaldet PVD coating. Denne teknik er god til tribologiske belægninger, hvor den kan give friktions- og materialebesparelser - men den kan også bruges indenfor andre områder, fx under omstillingen til nye energikilder som brint og metanol. 

Kan mindske materialeforbruget
En vigtig brik, når man som virksomhed ønsker at optimere produktionen, er at reducere materialeforbruget. Her er emners slidstyrke helt essentielt, da den rigtige overfladebelægning er afgørende for at få en høj levetid på materialerne.

- Med en tribologisk belægning kan man få en overflade, der er mere slidstærk. Det betyder, at du kan få længere levetid på dit produkt og mindske behovet for at lave nye produkter, hvilket har en stor betydning i forhold til materialeforbrug, lyder det fra Bjarke Holl Christensen, som tilføjer:

- At dit udstyr ikke går så let i stykker med en tribologisk belægning taler samtidig ind i den nuværende problemstilling med "brug-og-smid-væk-kulturen": Kan et værktøj holde i længere tid, betyder det, at der ikke skal produceres end ny del, fordi man faktisk har fået det lavet ordentligt fra start af.

Et eksempel er en opgave for Michael Lundbeck A/S, som leverer plastelementer til medicinske produkter. De har gennem Innovationsfondsprojektet Super-Moulds med Teknologisk Institut fået belagt sprøjtestøbeforme med en nyudviklet coating, som gjorde det muligt at gå fra et scenarie, hvor plastelementerne ofte sad fast i formen til at kunne køre mere end 13.000 kørsler uden problemer.

Lettere at genbruge værktøj
Nye overfladebelægninger kan også gøre det lettere at genbruge værktøj. Når et værktøj ikke længere lever op til specifikationerne, bliver det oftest kasseret, og et nyt tages i brug. Men i mange tilfælde, hvor en coating har været brugt, kan denne fjernes, og en ny kan påføres. Ved gentagne cyklusser kan levetiden af værktøjet mangedobles.

- Der betyder det selvfølgelig noget, om man skal bruge ti skærende værktøjer, eller om man kan nøjes med ét skærende værktøj med tribologisk belægning.  Det vil nemlig betyde en stor besparelse i forhold til at skulle lave nye værktøjer, som vil være energi- og omkostningsmæssigt tunge, lyder det fra Bjarke Holl Christensen.

Et eksempel på forbedring af skærende værktøjer er Innovationsfondsprojektet Cutting-Edge, hvor det bedste produkt på markedet blev undersøgt for forbedringsmuligheder. Her blev flere dele af skæret optimeret, heriblandt PVD-belægningen. Det resulterede i 28,5 procent øget skærehastighed og 137 procent øget levetid i forhold til benchmark.

Mindre friktion kan give besparelser
Ud over forøget hårdhed kan belægningerne også give mindre friktion mellem bevægelige dele – helt uden andre smøremidler. Et eksempel herpå er blandt andet virksomheder, der producerer og håndterer dåser. Disse virksomheder vil ofte vælge værktøjer, som man er nødt til at smøre – men skal man smøre sit værktøj, betyder det også, at man efterfølgende vil have mange dåser, der skal rengøres.

- Mindre friktion kan skabe værdi på mange forskellige måder. Mindre friktion i pumper, motorer og gear kan give lavere energiforbrug og forøget levetid, mens belægningerne i andre situationer kan spare et smøremiddel væk. På den måde kan man mindske rengøring og spare vand og kemikalier, forklarer Bjarke Holl Christensen.