Aufgelaserte Buchstaben ARA bleiben wasserfrei. Foto: ARA
Im Rahmen der eMove360° Europe 2022, 6. Internationale Fachmesse für Mobility 4.0 elektrisch-vernetzt-autonom (5. bis 7. Oktober), wurden am Abend des 5. Oktober die Gewinner des 20. MATERIALICA Design + Technology Award bekanntgegeben. Die Expertenjury hatte die innovativsten und nachhaltigsten Produkte und Projekte zu den Finalisten dieses renommierten Preises ausgewählt. Er ist als einziger weltweit an der Schnittstelle aus Design, Technologie und Materialien positioniert. Die Kategorie-Gewinner wurden im Konferenzraum 1 der Halle Hub 27 auf der Messe Berlin feierlich geehrt und beim anschließenden Get-together bei kühlem Bier und Snacks gebührend gefeiert. Der MATERIALICA Gold Award in der Kategorie Process geht dieses Jahr an ARA-Coatings für Laser-induzierte PVD-Beschichtungen ARA-LT®.
Es handelt sich um eine Art Druck-Prozess, bei dem eine PVD-beschichtete PET-Folie in direkten Kontakt mit einer Produktoberfläche gebracht wird, die sich im Fokus eines Laserstrahls befindet und nach Aktivierung des Laserstrahls die PVD-Schicht selektiv von der PVD-Folie auf die Produktoberfläche transferiert wird. s ist ein rein additiver Prozess, mit dem PVD-Schichten in sehr guter Qualität appliziert werden, ohne dass die Produktoberfläche beeinträchtig wird. Die gleichmäßige Kontaktierung der Laserfolie mit der Produktoberfläche kann auf unterschiedliche Art und Weise realisiert werden, zum Beispiel mit einem „Stempel aus Glas“, durch Spannen der Folie oder durch Über- oder Unterdruck. Weder eine Vorbehandlung noch eine Nachbehandlung ist erforderlich.
Die PVD-beschichteten PET-Folien werden als „ARA-LT® – Laserfolien“ von Ara Coatings als Rollenware angeboten. Mittlerweile existieren eine Vielzahl von derartigen Laserfolien, mit denen Metalle, Legierungen, Halbleiter und Oxide oder Nitride auf verschiedenste Produktoberflächen transferiert werden können. Zur Verarbeitung dieser Laserfolien sind handelsübliche Beschriftungslaser geeignet (Faser oder YAG mit 10-20 W Leistung).
Alleinstellungsmerkmale: Die laser-induzierten PVD-Beschichtungen eröffnen ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten: So lassen sie sich einerseits dazu verwenden, um Produkte zu beschriften – in einzigartiger optischer Qualität, extrem robust und sehr ressourcensparend (eine Beschriftung mit ARA-LT® ist viele hundert Mal dünner als eine konventionelle Bedruckung). Beispielsweise sind aufgelaserte Titan-Schichten bereits seit vielen Jahren vor allem auf Keramik- und Glasoberflächen im Einsatz, ohne dass es bisher zu Abnutzungen oder anderen Problemen gekommen ist.
Andererseits liefert die besondere Art der Schichtgenerierung, nämlich die „doppelte Umgehung thermochemischer Gleichgewichtskonditionen“ (einmal bei der Herstellung der Laserfolien selbst mittels PVD und dann infolge der laserbedingten, lokal hohen Energiedichten beim Transfer der PVD-Schichten auf das Produkt) ein einzigartiges „Werkzeug“, um damit gezielt die Stöchiometrie, die Mikro- und Nano-Struktur sowie die Oberflächenmorphologie zu beeinflussen und so vollkommen neue, spezifische Funktionalitäten zu erzeugen.
Ganz konkret ist es damit zum Beispiel gelungen, ein Halbleitermaterial in Form von aufgelasertem Silizium zu erzeugen, das nicht wie Anatas photokatalytisch ist und in energiereichem Licht erst jedes Mal wieder aufgeladen werden muss, sondern das permanent katalytisch wirksam ist. Auf diese Weise lassen sich teure Materialien wie Platin z.B. in Katalysatoren substantiell reduzieren oder sogar ganz substituieren oder es kann der Einsatz seltener Materialien verringert werden.
Durch die Flexibilität, nahezu jedes anorganische Material mittels Laserstrahl applizieren zu können und gleichzeitig chemisch und physikalisch beeinflussen zu können, wurden bereits superhydrophile, hydrophobe, antimikrobielle und vor Korrosion schützende Laserschichten realisiert – und eine Vielzahl weiterer Funktionalitäten kommt sicher in naher Zukunft hinzu.
Ein weiterer Vorteil ist, dass dieser Prozess der laser-induzierten PVD-Beschichtungen sehr schnell ist (bisher wurden Laserflächen-Beschichtungsgeschwindigkeiten von 3-4 Minuten je m2 erzielt) und damit auch für großflächige Anwendungen geeignet ist (das upscaling von PVD-Prozessen und Laserprozessen ist seit langem Stand der Technik). Auch preislich sind die Laserbeschichtungsprozesse nicht weit von den gebräuchlichen Druckverfahren entfernt, weil die Herstellung der Laserfolien im Roll-to-Roll-Verfahren erfolgt.
Die Einsatzgebiete für diesen Prozess werden auch dadurch enorm ausgeweitet, dass für die laser-induzierten PVD-Beschichtungen „gewöhnliche“ Standard-Beschriftungslaser verwendet werden können und die eingesetzten PVD-Schichten ökologisch unbedenklich sind, in großen Mengen vorhanden und weltweit verfügbar sind.
Zugrunde liegende Entwicklungsleistungen: Die Idee zu diesen laser-induzierten PVD-Prozessen entstand bei Ara-Coatings vor mehr als zehn Jahren. Seither wurde eine Vielzahl von lasertransferierbaren PVD-Schichten bei Ara-Coatings entwickelt und in der hauseigenen Sputteranlage hergestellt. Patentanmeldungen sind erfolgt. Eine der großen Herausforderungen war es, die PVD-Schichten auf einem lasertransparenten Trägermaterial so zu applizieren, dass es möglich ist, diese mit einem Laserstrahl zu schmelzen (nicht zu verdampfen), von der Trägerfolie zu lösen und kontrolliert auf der Produktoberfläche zu platzieren – ohne diese zu beeinträchtigen. Dafür wurden zahlreiche Beschichtungsversuche durchgeführt, in denen sukzessive die PVD-Beschichtungsprozessparametereinstellungen variiert und optimiert wurden – und parallel dazu erfolgten geeignete Analysen (Mikroskopie, Spektroskopie, SEM, EDX, XRD, XPS, aber auch Methoden zur Prüfung der mechanischen, chemischen und thermischen Stabilität). Anhand der daraus gewonnenen Ergebnisse konnten dann die PVD-Schichten entsprechend verbessert werden, bis für jeweils konkrete Anwendungen die Produktionsreife erreicht worden ist. Getestet wurden auch verschiedene Laserarten und -Geräte und insbesondere das Auffinden der geeigneten Laserparametereinstellungen für die jeweilige Laserfolie war oft mit einem großen Zeitaufwand verbunden, da bisher noch keine physikalischen Berechnungen zu diesem Thema existieren, die diese Arbeiten hätten erleichtern können.
Zukunftsperspektiven: Ausgehend von den Erfahrungen der letzten Jahre, in denen dieser Prozess bzw. diese Technologie einerseits bereits von zahlreichen Kunden für die Kennzeichnung ihrer (ganz unterschiedlichen) Produkte erfolgreich eingesetzt wird und andererseits auch schon zahlreiche Laserfolien für ganz spezifische Kundenanforderungen entwickelt werden konnten lässt sich recht zuverlässig vorhersagen, dass sich die laser-induzierten PVD-Beschichtungen in naher Zukunft stark „ausbreiten“ werden – zumal sie für ganz unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden können. Berücksichtigt man noch die Aspekte der Nachhaltigkeit, der „maximalen Wirksamkeit bei minimalem Materialeinsatz“, der vollkommen neuartigen Möglichkeiten der Oberflächenfunktionalisierung, die mit der Substituierbarkeit „kritischer Materialien“ einhergeht, sowie deren preisliche Attraktivität, die diese Prozesse kennzeichnen, dann kann davon ausgegangen werden, dass die laser-induzierten PVD-Beschichtungen insbesondere bei der Effizienzsteigerung und in der Reduzierung von Herstellkosten von Solarzellen, Elektrolyseuren, Batterien und Brennstoffzellen eine immer wichtigere Rolle spielen werden. www.ara-coatings.de
