Laserbasierte Funktionalisierung von partikulären Polyetheretherketon-Beschichtungen auf Aluminiumsubstraten mittels Zwei-Strahl-Ansatz

Dahmen, Marius; Bergs, Thomas; Loosen, Peter

doi:42814

Laserbasierte Funktionalisierung von partikulären Polyetheretherketon-Beschichtungen auf Aluminiumsubstraten mittels Zwei-Strahl-Ansatz = Laser-based functionalization of particulate polyetheretherketone coatings on aluminum substrates with a dual-beam approach

Dahmen, Marius^RWTH*

2023 & 2024

VerantwortlichkeitsangabeMarius Dahmen

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-190-3

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Weitere Reihe: Edition Wissenschaft Apprimus. - Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Loosen, Peter (Thesis advisor)^RWTH* ; Bergs, Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-11-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-11484
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/974616/files/974616.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Technologie optischer Systeme (418910)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Beschichtung (frei) ; Laser (frei) ; PEEK (frei) ; Polyetheretherketon (frei) ; Polymer (frei) ; coating (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Reduzierung von Reibungsverlusten ist im Maschinen- und Anlagenbau nach wie vor von entscheidender Bedeutung und besitzt das Potential für enorme Einsparungen von Energie, Ressourcen, Emissionen und Kosten. Reibreduzierende Beschichtungen stellen eine Möglichkeit dar, die Reibung zwischen zwei Reibpartnern signifikant zu senken. Ein möglicher reibreduzierender Beschichtungswerkstoff ist das Hochleistungspolymer Polyetheretherketon (PEEK). Konventionell wird PEEK als Pulver oder Dispersion auf ein Bauteil aufgebracht und anschließend im Ofen über der Schmelztemperatur von PEEK (340 °C) bei Temperaturen von 380 bis 420 °C für einige Minuten bis Stunden erhitzt. Durch die große thermische Belastung des Bauteils ist die Beschichtung von temperaturempfindlichen Substraten (z. B. Aluminium EN AW-6082) nur unter signifikantem Härteverlust möglich. Ein zuvor am Fraunhofer ILT und Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme TOS der RWTH Aachen entwickelter Ansatz macht es möglich, PEEK-Schichten mit geringem Härteverlust auf das Substrat aufzubringen: Nach der Applikation mit partikulärem PEEK wird das Substrat mittels einer Heizplatte vorgeheizt, dann wird die PEEK-Schicht mittels Laserstrahlung aufgeschmolzen. Der Nachteil des Verfahrens ist, dass auch hier das gesamte Bauteil vorgeheizt wird, wenn auch auf kleinere Temperaturen als beim Ofenverfahren, was mit steigendem Bauteilgewicht zu einem größeren Energieverbrauch und Härteverlust im Substrat führt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die bisherige Aufheizung des Aluminiumsubstrates mittels einer Heizplatte durch die Aufheizung mittels einer zweiten Laserstrahlquelle zu ersetzen. Dadurch soll die Substratoberfläche mit einer einzelnen Überfahrt (Aufheizzeit: < 0,1 s) aufgeheizt werden, sodass der Härteverlust im Substrat weiter reduziert wird. Die zentrale Fragestellung ist, ob eine solche kurzzeitige und lokale Aufheizung aufgrund des Transmissionsgrades des PEEKs und der Zersetzung des PEEKs bei Bestrahlung mit großen Intensitäten möglich ist. Zwei mögliche Ansätze (Zwei-Strahl- Ansätze) werden untersucht: Eine vorgeschaltete Aufheizung der Substratoberfläche mittels Diodenlaserstrahlung vor dem Schmelzen der PEEK-Schicht mittels CO2-Laserstrahlung (Transmission durch partikuläre PEEK-Schicht) und eine nachgeschaltete Aufheizung der Substratoberfläche mittels Diodenlaserstrahlung durch die bereits mit CO2-Laserstrahlung geschmolzene PEEK-Schicht (Transmission durch geschmolzene PEEK-Schicht). Im ersten Teilaspekt der Arbeit wird die minimal notwendige Oberflächentemperatur des laservorbehandelten Aluminiumsubstrates bestimmt, um eine PEEK-Schicht haftfest auf der Substratoberfläche herzustellen. Eine Laservorbehandlung zum Aufrauen der Substratoberfläche erhöht die Verbundfestigkeit im Vergleich zur unbehandelten Substratoberfläche. Die minimal notwendige Oberflächentemperatur zum Erreichen einer Verbundfestigkeit von min. 5 MPa wird dadurch von 330 °C auf 260 °C reduziert. Eine weitere Vergrößerung der Oberflächentemperatur führt zu größeren Verbundfestigkeiten. Als zweiter Teilaspekt wird die maximale, kurzzeitig erreichbare Oberflächentemperatur des Substrates betrachtet, die durch drei Faktoren begrenzt wird: Den Transmissionsgrad der Schichten, die minimal erforderliche Vorschubgeschwindigkeit ohne Zersetzung der PEEK-Schicht und die Abnahme der Strahlungsintensität aufgrund von Streuung. Grundlegend darauf wird eine Simulation der Temperaturverteilung durchgeführt, um die maximalen Oberflächentemperaturen des Substrates für beide Ansätze zu ermitteln. Die nachgeschaltete Aufheizung (Transmission durch geschmolzene PEEK-Schicht) wird mit einer einzelnen Überfahrt (Aufheizzeit: < 0,1 s) umgesetzt. Für die vorgeschaltete Aufheizung (Transmission durch partikuläre PEEK-Schicht) werden mehrere Überfahrten (> 1 s) verwendet, da die notwendige Temperatur bei einer einzelnen Überfahrt nicht erreicht wird. Die Herstellung von haftfesten PEEK-Schichten ist mit dem Ansatz der nachgeschalteten Aufheizung nicht erfolgreich. Die PEEK-Schicht weist nach dem Schmelzen nicht den notwendigen Kontakt zur Substratoberfläche auf, um mit dem zweiten Laserstrahl haftfest angeschmolzen zu werden. Für die vorgeschaltete Aufheizung ist die Herstellung haftfester Schichten möglich. Die Verbundfestigkeit der Schicht und die Härte des Substrates ist abhängig von der Substrattemperatur ((7,0 ± 1,7) MPa bei 300 °C). Durch eine Reduzierung der Bearbeitungszeit bei einer konstanten Substrattemperatur von 300 °C kann der Härteverlust des Substrates auf 13,3 % im Vergleich zum Ausgangszustand reduziert werden.

Reducing friction losses continues to be of crucial importance in mechanical engineering industry and has the potential for enormous savings in energy, resources, emissions and costs. Coatings can significantly reduce friction between two friction partners. One possible friction-reducing coating material is the high-performance polymer polyetheretherketone (PEEK). Conventionally, PEEK is applied to a component as a powder or dispersion and then heated in an oven at temperatures of 380 to 420 °C for minutes to hours above the melting temperature of PEEK (340 °C). Since there is high thermal load on the component, the coating of temperature-sensitive substrates (e.g.,aluminum EN AW-6082) is only possible while the hardness decreases significantly. An approach previously developed at Fraunhofer ILT and Chair for Technology of Optical Systems TOS at RWTH Aachen makes it possible to melt particulate PEEK layers onto the substrate with reduced hardness loss: First the substrate is pre-heated by means of a hot plate then the PEEK-layer is melted using laser radiation. The disadvantage of the process is that the entire component is also pre-heated, although to lower temperatures than in the oven process, which leads to higher energy consumption and hardness loss in the substrate as the component weight increases. The present work aims to replace the hot plate with a second laser beam source for heating the substrate. Thus, the substrate surface should be heated with a single overpass (heating time: < 0.1 s), so that the hardness loss is further reduced. The central question is whether such local and brief heating is possible due to the transmittance of the PEEK and decomposition of the PEEK when high laser intensities are used. Two possible dual-beam approaches are investigated: a pre-heating of the substrate with diode laser radiation before melting the PEEK layer with CO2 laser radiation (transmission through particulate PEEK layer) and a post-heating of the substrate with diode laser radiation through the PEEK layer already melted with CO2 laser radiation (transmission throughmolten PEEK layer). The first aspect of the work identifies the minimum surface temperature of the laser-pretreated aluminum substrate to bond the PEEK layer on the substrate. Laser-pretreatment of the substrate surface increases the bond strength compared to that of the untreated substrate surface. The minimum surface temperature of the pretreated substrate required to achieve a bond strength of at least 5 MPa is thereby reduced from 330 °C to 260 °C. A further increase of the surface temperature results in higher bond strengths. As a second aspect, the maximum surface temperature of the substrate is investigated, which can be achieved in a single overpass (heating time: < 0.1 s) for both dual-beam approaches. The maximum surface temperature is limited by the three factors: Transmittance of the layers, the minimum required feed rate without decomposition of the PEEK layer and the decrease of the radiation intensity due to scattering. Based on these factors, a simulation of the temperature distribution is performed to identify the maximum surface temperatures for both approaches. The post-heating approach is implemented with a single overpass (heating time:< 0.1 s). For the pre-heating approach, several overpasses are used (heating time: > 1 s) because the necessary temperature is not reached with a single overpass. The production of adhesive PEEK layers is not successful with the post-heating approach, because after melting, the PEEK layer does not have the necessary contact to the substrate surface to adhere the layer to the substratewith the second laser beam. The pre-heating approach could be implemented by producing adhesive PEEK layers on the substrate. The bond strength of the layer and the hardness of the substrate depend on the temperature of the substrate ((7.0 ± 1.7) MPa at 300 °C). By reducing the heating time at a constant substrate temperature of 300 °C, the hardness loss of the substrate can be reduced to 13.3 % compared to the initial state.

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