Anspruchsvolle Oberflächen

Gläser, die in Sandstürmen nicht blind werden oder unter verschiedenen Blickwinkeln die Farbe ändern, sind faszinierend. Ermöglicht werden diese über Beschichtungen und Oberflächenmodifikationen. Das Ergebnis: Stabile Prozesse für innovative Kundenlösungen.

Inkjet-Drucker ermöglichen eine hohe Design-Flexibilität. Das SCHOTT Know-how liegt in der Chemie der keramischen Tinten.

Gläser, die in Sandstürmen nicht blind werden oder unter verschiedenen Blickwinkeln die Farbe ändern, sind faszinierend. Ermöglicht werden diese über Beschichtungen und Oberflächenmodifikationen. Das Ergebnis: Stabile Prozesse für innovative Kundenlösungen.

Unsere Motivation ist es, neue Eigenschaften zu entwickeln und Rätsel zu lösen“, bringt es Dr. Eveline Rudigier-Voigt auf den Punkt. Dabei geht es weniger um klassische Rätselaufgaben, als vielmehr naturwissenschaftlich-technische Fragestellungen: Wie können Gläser, die Beanspruchungen wie Korrosion, Verschleiß und vielem anderen ausgesetzt sind, durch die Veränderung ihrer Oberflächen besser werden? Wie können insbesondere Glasoberflächen so verändert werden, dass zum Beispiel Licht anders reflektiert oder gar nicht mehr? Welche Verfahren eignen sich dafür? Und wie erreicht man neben neuen Eigenschaften vor allem stabile und wirtschaftliche Prozesse? Genau das interessiert und bewegt das Team des Kompetenzfeldes Coating and Surface Modification.

Um solche Herausforderungen zu lösen und Oberflächen passgenau nach Kundenwünschen zu modifizieren, steht den Experten in der SCHOTT Forschung ein Werkzeugkasten zur Realisierung verschiedener Eigenschaftsprofile zur Verfügung. „Unsere ‚oberflächliche‘ Auseinandersetzung erfordert ein tiefes und detailliertes Verständnis der Werkstoffe Glas und Glaskeramik“, erklärt die Wissenschaftlerin, die seit zwölf Jahren bei SCHOTT arbeitet. Denn Schichten sollen nicht nur optimal auf Glas haften, sondern auch beispielsweise Temperaturzyklen oder Sterilisationsprozesse je nach späterem Anwendungsfall unbeschadet überstehen. Neben den klassischen Beschichtungen können aber auch gezielt Oberflächen modifiziert werden, beispielsweise durch Dotierung, Aktivierung oder Auslaugen. Oft müssen solche Funktionalisierungen nicht nur eine Eigenschaft oder Anforderung erfüllen, sondern gleich mehrere in sich vereinen.

Innovative Verfahren für unterschiedliche (Schicht)Designs

Die klassischen Verfahren zum Facelifting von Glasoberflächen sind kein Geheimnis: hier unterscheidet man zwischen plasmaunterstützten und direkter Gasphasentechnologie wie auch Flüssigbeschichtungstechnologien. Für die unterschiedlichsten Gläser oder Glaskeramiken werden diese Technologien dann adaptiert und optimiert.

Schlüsseltechnologien der Gasphasenbeschichtung sind PVD (Physical Vapor Deposition)- und CVD (Chemical Vapor Deposition)-Verfahren, bei denen die Schichtmaterialien über die Gasphase aufgebracht werden. Vorteile solcher Vakuumverfahren sind die hohe Präzision sowie die Abscheidung extrem dünner Schichten, von wenigen Mikrometern bis zu einigen zehn Nanometern. Diese Technologien werden immer wieder hinsichtlich ihrer Zukunfts- und Wettbewerbsfähigkeit hinterfragt, optimiert und adaptiert. Bei plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheideprozessen, wie PICVD (Plasma Impulsed Chemical Vapor Deposition), sorgt ein in wenigen Mikrosekunden gepulstes Plasma für homogene Spezialbeschichtung komplexer 3D-Geometrien, etwa für die Innenseite von Pharmacontainern.

Typische Flüssigbeschichtungstechnologien bei SCHOTT sind der Siebdruck, das Inkjet- als auch das Tauchverfahren, mit denen unterschiedlichste Schichtmaterialien auch in strukturierter Form aufgetragen werden können. Als vergleichsweise neue Technologie für Glas- und Glaskeramikbeschichtungen vereint der Inkjet die Vorteile einer hohen Designflexibilität mit der Möglichkeit, kleine Losgrößen bis hin zur Losgröße Eins wirtschaftlich zu realisieren. Damit ist er ein wichtiger Baustein für künftige Produktentwicklungen beispielsweise im Home-Appliance-Bereich. Dabei kann das Glas unterschiedlichste Formen beziehungsweise Geometrien aufweisen: vom Flachglas über Dünnstglas bis hin zu Rohren oder daraus geformten pharmazeutischen Behältern.

Die Schlüsselbausteine für die jeweilige Funktionalität sind die verwendeten Beschichtungsmaterialien, welche durch die obigen Verfahren hergestellt und appliziert werden. Dabei gehen Prozess und Synthese Hand in Hand. Diese Materialien können organischer, hybrider oder anorganischer Natur sein. Das Schichtdesign wiederum kann aus einem einzelnen Material, einem Gradienten, einem Nanokomposit wie auch aus mehreren Schichten (Multilagen) bestehen – je nach geforderten Funktionalitäten. Ein weiterer Baustein, um Funktionalitäten zu realisieren, sind Verfahren, die eine Änderung der Glasoberfläche erreichen, ohne direkt zu beschichten. Dabei steht die Entwicklung nasschemischer Verfahren, von der Reinigung bis hin zu Ätzprozessen, im Vordergrund. Hierfür sorgen Experten im Team von Dr. Markus Kuhr, Leiter der Analytik. Seit neuestem erforschen die Beschichtungs-experten jedoch auch solche Modifikationsverfahren, die über die Gasphase und besonders durch Plasmaprozesse realisiert werden können.

Auf Prototypanlagen werden erste Produkttests durchgeführt. Mit dem Inkjet-Drucker können verschiedene Geometrien – von Flachglas über Dünnglas bis hin zu Pharmabehältern – individuell bedruckt werden.
In der Multiprozessanlage lassen sich funktionale Beschichtungs-materialien mit nanometerkleinen Partikeln herstellen.

Toolbox für jede Anforderung

Am einfachsten lässt sich eine Übersicht der über Beschichtung und Oberflächenmodifikation erreichbaren Funktionalitäten (s. Grafik, ohne Anspruch auf Vollständigkeit) mithilfe eines Baukastens beschreiben. So werden durch Beschichtung zum Beispiel optische, dekorative, kratzfeste, schützende, tribologische, elektrisch leitende oder schaltbare Eigenschaften erzielt bis hin zu Oberflächen mit biorelevanter, zum Beispiel proteinabweisender Funktionalität.

Die entsprechenden SCHOTT Produkte reichen von optischen Gläsern und Filtern über dekorative Flachgläser und Glaskeramik-Kochflächen bis hin zu pharmazeutischen Verpackungen oder Diagnostik-Slides. „Für uns stellen sich immer wieder spannende Fragen: Wie kann ich die vom Kunden gewünschten Eigenschaften am besten realisieren? Was wird wirklich benötigt und wie ist die Zielfunktionalität am besten zu beschreiben? Reichen dafür bereits bekannte Lösungen oder müssen wir Tüfteln und etwas Neues entwickeln?“, so Dr. Rudigier-Voigt.

Top Beschichtungsinnovationen

Das Beschichtungsteam konnte jüngst mit einer Innovation seine eigenen Funktionalitätsrekorde toppen. Gemeinsam mit der Geschäftseinheit Home Tech entwickelte man die erste und einzige kratzfeste Glaskeramik-Kochfläche der Welt. Beeindruckend: Die Oberfläche von CERAN Miradur® hat einen Härtegrad, der dem eines Diamanten nahekommt! In der Praxis bedeutet das 95 Prozent weniger Kratzer durch Sand und 70 Prozent weniger Kratzer durch abrasive Schwämme. Die Spezial-Beschichtung erfüllt alle geforderten thermischen, mechanischen und chemischen Anforderungen und kann mit den verschiedenen Heiz-technologien verwendet werden. Kreativ: Die innovativen Lichtlösungen von CERAN EXCITE®, die unter anderem durch Unterseitenbeschichtungen realisiert werden, ermöglichen neue Designfreiheiten, in dem bspw. das Dekor durch Licht ersetzt wird, und erhöhen gleichzeitig die Be-dienersicherheit durch präzises, visuelles Feedback (S. 14).

Mikroskopisch dünne doppelseitige Low-E-Beschichtungen ermöglichen es, dass Ofentüren von Pyrolysebacköfen außen unter einer Temperatur von 70° Celsius bleiben – und das während bis zu fünfstündigen Pyrolyseprozessen bei bis zu 400° Celsius. Dafür sorgen speziell entwickelte, hocheffiziente und wärmereflektierende Coatings, die gleichzeitig die Aufheizphase für den Selbstreinigungsprozess verkürzen.

Durch ihre innovative Beschichtung der Außenfläche helfen EVERIC™ smooth Pharmafläschchen dabei, ein Problem bei der Abfüllung von Pharmazeutika zu beseitigen: Die äußere Glasoberfläche wird durch diese Schicht geschützt und somit können während des Prozessierens auf einer Füllanlage die Fläschchen zusätzlich vor Defekten, wie zum Beispiel Kratzern, geschützt werden. Die transparente Beschichtung auf der äußeren Seitenwand der Fläschchen schafft eine reibungsarme Oberfläche und behält gleichzeitig die optimierte Containerfestigkeit bei. Das Ergebnis: Eine Verbesserung des Reibungskoeffizienten um 80 Prozent für einen reibungslosen Abfüllprozess. Nebeneffekt: Kosmetische Defekte werden um bis zu 95 Prozent reduziert.

Durch Beschichtung erhalten Gläser und Glaskeramiken eine Vielzahl zusätzlicher Funktionalitäten.
Eine PICVD-Innen-beschichtung ermöglicht bei Pharmaverpackun-gen hocheffiziente, transparente Barriereschichten.

Was bringt die Coating-Zukunft?

Material-Know-how, detaillierter Portfolio-Überblick, interne Synergien, Analysen und Produkttests, aus denen immer wieder gelernt wird, gepaart mit der Beobachtung weltweiter Technologietrends befähigen die Experten, für Kunden perfekte und maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln. Weitere herausfordernde Rätsel zu lösen gibt es derzeit bei der Entwicklung magnetischer Schichten im Umfeld der Quantensensorik sowie bei Glas als funktionalem (sensorischen) Bauteil. Zudem ist beschichtetes Glas für digitalisierte Prozesse und Produkte wichtig: Es kann „kommunizieren“, z.B. durch Funktionalisierung mit RFIDs oder durch Sensorelemente, die Oberflächenveränderungen registrieren können. Auch aktuelle Trends wie Nachhaltigkeit, Gesundheit und Umweltschutz sind für die Entwicklung neuer Oberflächenfunktionalitäten zunehmend wichtig. Beschichtungen müssen immer höheren Anforderungen bezüglich Leistungen und Lebensdauer als auch regulatorischer Hinweise genügen. Die kreative Gestaltung von Oberflächen haben sich die Forscher auf die Fahnen geschrieben und bewerten unter anderem die Einsetzbarkeit selbstheilender Schichten, Funktionsschichten mit definierter Morphologie oder bio-mimetischer Oberflächen für SCHOTT Produkte. Kein Wunder, dass Rätselknacken bei den Beschichtungsexperten so erfolgreich und zielführend ist.

10. Februar 2021

Kontakt

Dr. Eveline Rudigier-Voigt
Research & Development
SCHOTT AG

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