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Produktionstechnik Fachbereich 04 Neuartige PermaClean-Beschichtung: reduzierter Reinigungsaufwand durch effektive Antihaft-Wirkung Workshop der SBB zum Thema „Innovative Oberflächenbehandlung in der Metallverarbeitung“ Dipl.-Ing. Michael Steinfeldt Potsdam, 16. Juni 2011

Neuartige PermaClean-Beschichtung: reduzierter ... · Produktionstechnik Fachbereich 04 Neuartige PermaClean-Beschichtung: reduzierter Reinigungsaufwand durch effektive Antihaft-Wirkung

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Produktionstechnik

Fachbereich 04

Neuartige PermaClean-Beschichtung:

reduzierter Reinigungsaufwand durch

effektive Antihaft-Wirkung

Workshop der SBB zum

Thema „Innovative Oberflächenbehandlung in der Metallverarbeitung“

Dipl.-Ing. Michael Steinfeldt

Potsdam, 16. Juni 2011

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Nanotechnologiebasierte Produkte / Anwendungen am

Markt

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Funktionalisierte Oberflächen und deren Effekte

Antibeschlag / Antifinger / Antifog-Effekt

Verbesserte hydrophile (wasseranziehende) Eigenschaften

Verbesserte oleophile Eigenschaften

Antihaft / „Easy to clean“ / „Self clean“ / Lotuseffekt

Verbesserte (super)hydrophobe (wasserabweisende) Eigenschaften

Verbesserte oleophobe Eigenschaften

Antibakterielle Eigenschaften

Verbesserter UV-Schutz

Verbesserter Korrosionsschutz

Verbesserte Abriebfestigkeit, Hartschichten

Verschleißschutzschichten

Leitfähige Schichten

Catalytic to clean-Effekt

Selbstheilungseffekte

http://www.kompetenznetze.

de/netzwerke/bionik-

biokon/innovationshighlights

/de/Lotus-Effect/image

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Beschichtungstechnologien

In der Lackindustrie können derzeit drei Ansätze der Nanotechnologie

unterschieden werden:

– Einarbeitung von nanoskaligen Partikeln in Lackformulierungen, z.B.

anorganische Siliziumoxidpartikel zum Einstellen der Fließeigenschaften

und zur Erhöhung der Kratzfestigkeit

– Neuartige Synthesewege (Sol-Gel) für Bindemittel über nanoskalige

Kolloidpartikel,

z.B. auf Basis von Organosilanen

– Einstellung bestimmter Funktionalitäten durch geplante Syntheseplanung.

Weitergehende Werkstoffbehandlung:

– Einstellung bestimmter Funktionalitäten durch Gasphasen-/Vakuum

Verfahren, CVD, Plasmatechnik

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Beschichtungsanwendungen, Beispiele

• INM Leibniz-Institut für Neue Materialien

Nanomer®-Gleitlacke auf Basis organisch-anorganischer Nanokomposite; die

Verschleißbeständigkeit wird über die Verwendung der Nanokomposit-

Bindemittel-Matrix erzielt; durch Sprühapplikation auf beliebige Metalle

aufbringbar und bei milden Temperaturen aushärtbar

– Verschleißbeständigkeit eines Nanomer-®Gleitlackes im Vergleich zu

einem konventionellen, organisch gebundenen Gleitlack nach 1 Mio.

Belastungszyklen an einem Kolben eines Kupplungsgebers.

Abb. Konventioneller Gleitlack

(1 Mio. Zyklen)

Abb. Nanomer®-Gleitlack

(1 Mio. Zyklen)

Quelle: http://www.inm-

gmbh.de/de/technologien/applikationen/nano

mer-gleitlacke/

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Beschichtungsanwendungen, Beispiele

• Nanogate AG

Produktivitätsverbesserung mit Hilfe der Nanogate-Technologie® durch

Oberflächenveredelung von Rotationskörpern in Druckmaschinen, hier

insbesondere von Papierleitwalzen im Zeitungsdruck

– Veredelung der einem hohen Verschleiß ausgesetzten Walzenoberflächen

durch eine widerstandsfähige hauchdünne Schicht; reduzierte Ablagerung

von frischer Druckfarbe auf der Walzenoberfläche; Verlängerung der

Maschinenlaufzeit; geringerer

Verbrauch von Reinigungsmitteln

Quelle:http://www.nanogate.de/de/produktveredelung/beispiele/industrial-

systems/druckmaschinenindustrie.php

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Beschichtungsanwendungen, Beispiele

• Nanogate AG

Veredelung von Komponenten für Abgasrückführungssysteme bei Kfz-

Dieselmotoren mit Hilfe der Nanogate-Technologie®

Ergebnisse: Minimale Anhaftungen und Verringerung der Abzugskräfte;

geringerer Verschleiß; deutlich geringere Ausfallquote der Komponenten

(höhere Zuverlässigkeit)

Quelle:http://www.nanogate.de/de/produktveredelung/beispiele/industrial-

systems/automobilindustrie.php

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Beschichtungsanwendungen, Beispiele

• Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte

Materialforschung – IFAM, Bremen

– PermaCLEANPLAS®-Beschichtung: Beschichtung durch

Niederdruckplasmatechnik (ND-Plasmatechnik)

– Die Schichtdicke beträgt weniger als 0,5 μm

Eigenschaften:

– gute Beständigkeit gegen Säure/Alkali

(pH 2-12) und organische Lösemittel

– Antihaftwirkung gegenüber einer

Vielzahl von Lacksystemen (wasserbasiert,

lösemittelbasiert)

– Temperaturbeständigkeit bis 300 °C bei

Langzeit-, bis 350 °C bei Kurzzeitbelastung

– farblos, transparent

Quelle: Fraunhofer IFAM

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Ökobilanzieller Vergleich von Entlackungsverfahren

Entlackungsverfahren werden unterteilt in:

– Chemische Entlackung

– Thermische Entlackung

Pyrolyse bei 400 Grad

Nachverbrennen der Abgase bei 800 Grad

– Wasserhochdruckentlackung

Drücke bis 2000 Bar

Ziel: Ökobilanzieller Vergleich des thermischen Entlackungsverfahren mit

dem Wasserhochdruckverfahren der Fa. Hugo Claus GmbH Co. KG in

Kombination mit der Antihaftbeschichtung PermaCLEANPLAS® des IFAM

Untersuchter Bilanzraum: gesamter Lebenszyklus der

Entlackungsverfahren; d.h. inklusive Gitterrostherstellung, relevante

Vorketten z.B. der Stromerzeugung, Transporte, Entlackung etc.

Quelle:http://www.ifam.fraunhofer.de/2804/fachinfo/infoblaetter/Produktblatt-

2804-DE-Oberflaechentechnik-ND-Plasmatechnik-PermaClean.pdf

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Fachbereich 04

Randparameter für den bilanziellen Vergleich

Konventionelle

thermische Entlackung

CLAUSwhd-Verfahren

inkl. PermaClean

Betrachtungsgegenstand StahlgitterrostStahlgitterrost mit

Antihaftbeschichtung

Gewicht 29 kg + 2 kg Lack 29 kg + 2 kg Lack

Lebensdauer der

Gitterroste25 Zyklen 500 Zyklen

Entfernung von Lackier-

betrieb und Entlacker50 km 50 km

Funktionale Einheit: 5500 t Gitterroste; abgeschätzte Jahresmenge einer

Entlackungsanlage

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Prozessanalyse: Thermische Entlackung

Quelle: eigene Darstellung

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Prozessanalyse: Thermische Entlackung12

Energiebedarf Prozessschritte

Transport (Öl)

Thermische Entlackung (Gas)

Thermische Entlackung(elektrische Energie)

Sandstrahlen (elektrischeEnergie)

Stahlherstellung

Quelle: eigene Darstellung

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Prozessanalyse: Wasserhochdruckverfahren13

Quelle: eigene Darstellung

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Prozessanalyse: Wasserhochdruckverfahren14

Quelle: eigene Darstellung

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Prozessanalyse: Wasserhochdruckverfahren15

Energiebedarf Prozessschritte

Transport (Öl)

PermaCLEANPLASBeschichtung (elektr. Energieincl. Vorkette)

WHD-Verfahren 500(elektrische Energie inkl.Vorkette

Gitterrostherstellung

Quelle: eigene Darstellung

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Treibhausgasemissionen im Vergleich

[kg CO2-Äquivalente / FE]

Produktionstechnik

Fachbereich 04

Normierte Emissionen und Umweltwirkungen im

Vergleich, bezogen jeweils auf FE

Thermische Entlackung Entlackung WHD

KEA gesamt 186,66 EW 34,46 EW

Treibhauseffekt 241,22 EW 90,79 EW

Versauerungspotential 106,95 EW 18,79 EW

Blei 1.810,25 EW 4,45 EW

Cadmium 1.759,28 EW 19,67 EW

Staub 769,65 EW 1,92 EW

PM 10 Potenzial 552,51 EW 21,37 EW

Abfallentstehung 0,40 EW 1,31 EW

Abw asser

Fungizidbelastung

nicht qualif izierbar

Produktionstechnik

Fachbereich 04

Fazit

• Viele Beschichtungsverfahren können die Oberflächeneigenschaften

z.B. von Metalloberflächen gezielt verbessern und damit zur Steigerung

der Produktivität, der Materialeffizienz sowie zur Vermeidung von

Abfällen beitragen

• Das CLAUSwhd-Verfahren ist in den meisten Umweltkategorien

bedeutend besser als konventionelle thermische Entlackungsverfahren

• Insbesondere bei spezifischen Emissionen wie Blei, Cadmium und

Staub wird ein besonders hoher Nutzen erzielt

• Ursache hierfür ist unter anderem die große Ressourceneinsparung an

Stahl durch die erhöhte Reinigungszykluszahl der Gitterroste

• Die Umweltwirkungen für das Aufbringen der Antihaftbeschichtung

beeinflussen die Ökobilanz des CLAUSwhd-Verfahren nur minimal

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Team: Prof. Dr. Arnim von Gleich, [email protected]

Dipl.-Ing. Michael Steinfeldt, [email protected],

M. A. Christian Pade, [email protected],

Dipl.-Wi.-Ing. Henning Wigger, [email protected]

Projekte, Publikationen, Links:

• NanoSustain - Development of sustainable solutions for nanotechnology-based products

based on hazard characterization and LCA, im Auftrag der EU im Rahmen des FP7, Brüssel, in

Kooperation mit elf weiteren Partnern, 2010-2013

• Petschow, U.; Pade, C.; Rolf-Ulrich Sprenger, R.-U.; Steinfeldt, M.; Gleich, A. von; Ammon, U.

(2010): Umweltschutz, Umwelttechnik und Marktpotenziale – Chancen der Nanotechnologie

für NRW. Schriftenreihe des IÖW 195/10, Berlin.

• Steinfeldt, M.; Gleich, A. von; Petschow, U.; Pade, C.; Sprenger, R.-U. (2010):

Entlastungseffekte für die Umwelt durch nanotechnische Verfahren und Produkte. UBA-

Texte 33/2010, Dessau.

• Gleich, A. von; Steinfeldt, M.; Petschow, U. (2008): A suggested three-tiered approach to

assessing the implications of nanotechnology and influencing its development. In: Journal

of Cleaner Production, 16 (8), p.899-909.

• Steinfeldt, M.; Gleich, A.von; Petschow, U.; Haum, R. (2007): Nanotechnologies, Hazards and

Resource Efficiency. Springer Heidelberg.

• Steinfeldt, M.; Gleich, A. von; Petschow, U.; Haum, R.; Chudoba, T.; Haubold, S. (2004):

Nachhaltigkeitseffekte durch Herstellung und Anwendung nanotechnologischer Produkte.

Schriftenreihe des IÖW 177/04. Berlin.