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Strahlprozesse in der Oberflächenbehandlung können mittels einer einfachen Simulation digital abgebildet werden. Damit können Sprühstrahlmuster bei komplex rotierenden Düsen optimiert, ideale Bewegungen und Positionen für Düsen und Bauteil erstellt und Abschattungen vermieden etc..

In diesem Artikel wird der Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit auf die Abreinigbarkeit partikulärer Kontaminationen beschrieben: Die Abreinigbarkeit von Partikeln von verschiedenen Oberflächen spielt sowohl in der Life-Science-Branche als auch in allen anderen Branchen, in denen Partikel kritisch sind eine wichtige Rolle. Maschineneinhausungen, Fußböden, Wände, Transportbehälter, Beschichtungen,ELdie Liste der relevanten abzureinigenden Oberflächen ließe sich beliebig fortsetzen. Besondere Relevanz haben Oberflächen mit einem großen Flächenateil an der gesamten Reinraumumgebung, wie Böden, Wände und deren Fugen. Eine ausreichende Reinigbarkeit ist aus hygienischer Sicht generell notwendig, um einen hygienisch sicheren Prozess und möglichst lang haltbare Produkte zu schaffen. Lassen sich abiotische Partikel von Oberflächen gut abreinigen, eignen sich diese Flächen ebenfalls gut für eine effektive Abreinigung von Mikroorganismen. Des Weiteren fordert der EU-GMP-Leitfaden Annex 1 explizit eine ausreichende Reinigbarkeit von Oberflächen bei der Herstellung steriler Arzneimittel. Für eine wissenschaftlich abgesicherte Materialauswahl wurde eine Messmethode mit einem Klassifizierungssystem über die partikuläre Reinigbarkeit von Oberflächen erarbeitet. Ein linearer Wischsimulator wird für die dafür notwendige reproduzierbare Abreinigung eingesetzt. Die zu untersuchenden Oberflächen werden vor der Abreinigung gleichmäßig mit einer definierten Anzahl von Partikeln kontaminiert. Die Partikelbelegung wird vor und nach der Abreinigung durch ein Streiflichtmessgerät direkt auf der Oberfläche erfasst. Daraus errechnet sich der relative Reinigungserfolg als Vergleichsmaß zwischen den verschiedenen Oberflächen. Diese Untersuchung ist eine der möglichen Reinheitstauglichkeitsuntersuchungen am Fraunhofer IPA.

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Das Heizen ist als Oberflächenreinigung eine etablierte Methode (Ausheizen von Vakuumanlagen). Nachteilig sind dabei die hohe Temperaturbelastung und die Beschränkung der reinigenden Wirkung auf das Abdampfen von flüchtigen Materialresten. Materialrückstände mit hoher Siedetemperatur können mit diesem Verfahren nicht entfernt werden. Aus der Fülle möglicher Verfahren und Anwendungen werden deshalb zwei vorgestellt, die eine hocheffektive physikalische Plasmareinigung von Metalloberflächen im Niederdruckbereich ermöglichen. Diese Verfahren sind insbesondere wegen ihrer hohen Reinigungsleistung geeignet, in Kombination mit einer Hochrate-Vakuumbeschichtung in Inline-Verfahren eingesetzt zu werden. Es handelt sich um die Magnetronentladung und die Hohlkathodenbogenentladung. Die Standardgrundreinigung metallischer Platten und Bänder ist eine Ultraschallreinigung in alkalischen Lösungen sowie eine anschließende Klarspülung. Diese Grundreinigung ist notwendig, da niedriglegierte Metallsubstrate vom Hersteller gegen Korrosion versiegelt werden.

Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass sich die Klebfestigkeit zweier Zweikomponenten-Klebstoffe EP1 und EP2 - aufgetragen auf drei unterschiedliche Werkstoffgruppen - nach der Vorbehandlung mittels Trockeneisstrahlen in den meisten betrachteten Fällen signifikant steigern lässt. Auch die Vorbehandlung von Kunststoffen vor dem Lackieren mit CO2- Schneestrahlen führte zu guten Ergebnissen. So konnte das CO2-Schneestrahlen typischer Kunststoffsubstrate der Automobilindustrie durch Prüfung der Lackhaftung mittels Gitterschnittverfahren als geeignetes Vorbehandlungsverfahren vor dem Lackieren qualifiziert werden. Selbst fehlerhaft hergestellte Proben, bei denen innere Verunreinigungen an die Oberfläche migrierten, wiesen nach einer C02-Schneestrahlvorbehandlung eine noch ausreichende Lackhaftung auf. Insgesamt belegen die durchgeführten Untersuchungen, dass das trockene, rückstandsfreie, substratschonende und umweltneutrale CO2-Strahlen eine interessante Alternative zu gängigen Reinigungs- und Vorbehandlungsverfahren darstellt.

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Hochvakuumbeschichtungen erfordern eine atomare Reinheit der Oberflächen, die in der Praxis mittels trockener Ätzverfahren oder die Glimmentladungsbehandlung realisiert wird. In diesem Beitrag werden zwei vom Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl und Plasmatechnik (FEP) entwickelte Sputterätzverfahren vorgestellt, die eine hocheffektive physikalische Reinigung von Metalloberflächen im Niederdruckbereich erlauben. Beim Magnetronsputtern ist das zu behandelnde Substrat die Kathode; eine geschirmte positive Anode wird gegenüber dem Substrat installiert. Um einen homogenen Flächenabtrag zu erreichen, wird das Substrat gleichmäßig am Magnetfeld und damit an der dichten Plasmaentladung vorbeigeführt. Auch beim hohlkathodenunterstützten Sputterätzen wird die gesamte Plasmaquelle mit einer positiven Bias- Spannung gegenüber dem Substrat beaufschlagt. Das elektrische Feld beschleunigt die Ionen und bewirkt einen Ionenbeschuss der zu reinigenden Oberfläche. Beide Verfahren sind in Inline-Prozessen einsetzbar und durch die erreichten Ladungsträgerdichten für hohe Prozessgeschwindigkeiten geeignet. Bei der Vorbehandlung von dünnen ebenen Substraten (metallische Platten oder Bänder) kommt vorwiegend das magnetfeldverstärkte Sputterätzen zur Anwendung.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden nano-TiO2-Partikel unter Rückfluss und durch Autoklavbehandlung hergestellt. Diese nano-TiO2-Partikel bestehen aus agglomeratfreien Anatas. Sie können ohne zusätzliche Dispergierhilfsmittel in unpolaren Lösungsmitteln wie Toluol und auch im Wasser dispergiert werden. Dotierungen des TiO2 sind durch Autolavbehandlung mit unterschiedlichen Dotiermitteln und Dotiermittelmengen durchgeführt worden. Die photokatalytischen Aktivitäten der dotierten nano-TiO2-Partikel sind durch Photodegradationen der vier unterschiedlichen Farbstoffe Rhodamin B, Acid Blue 29, Methylenblau und Malachitgrün unter Belichtung mit einem Sonnensimulator mit/ohne Kantenfilter ermittelt worden. Ein Hochdurchsatzverfahren zur schnellen Ermittlung der photokatalytischen Aktivitäten der hergestellten undotierten und dotierten nano-TiO2-Partikel wurde entwickelt. Die verwendeten Farbstoffe wurden meistens durch dotierte nano-TiO2-Partikel schneller photodegradiert als durch undotierte nano-TiO2-Partikel. Die Photodegradationsraten der Farbstoffe durch Nd(OEthOMe)3-, SnCl4-, MoCl4- und Ce(OEthOMe)4-dotierte nano-TiO2-Partikel wurden, besonders unter Belichtung mit sichtbarem Licht, erheblich verbessert. Wurden die unter Rückfluss hergestellten nano-TiO2-Partikel mit unterschiedlichen Substanzen 1-H,1-H,2-H,2-H-Perfluorooctyltriethoxysilan (FTS), Hexadecyltrimethoxysilan (HDTMS) und Palmitinsäure) Oberflächen modifiziert und die modifizierten nano-TiO2-Partikel anschließend in verschiedene NANOMER®-Systeme eingebaut, so sind TiO2-Gradienten innerhalb einer Schicht entstanden. Diese Gradientenbildung modifizierter TiO2-Partikel in den Schichten aus FTS-modifizierten nano-TiO2-Partikeln und verschiedenen Lacksystemen sind mittels SIMS-Tiefenprofil- und EDX/TEM-Analysen nachgewiesen worden. Wenn eine Schicht mit TiO2-Gradient belichtet wird, zeigt sie Superhydrophilie bzw. Selbstreinigungsfähigkeit. In this study firstly the TiO2-nanoparticles were synthesized by reflux and autoclave treatment. These nanoparticles were composed of agglomerate-free anatase. They could be dispersed in nonpolar solvent such toluene and also in water without any dispersion additive. In order to enhance the photoactivity of the TiO2 the particles of TiO2 were doped with various metalions by means of hydrothermal process. A high-throughput activity testing for the redispersed photocatalyst samples based on photometric monitoring of the photodegradation of three different organic dyes (Rhodamine B, Malachite Green, Acid Blue 29, Methylene Blue) after illumination by sun-tester light and cut-off filter (400 nm and 420 nm) restricted light was established. The photoactivity of the TiO2 under UV-illumination was enhanced by most of the used doping metalions. A greatest enhancements of the daylight photocatalytic activity were found for the samples doped with Nd(OEthOMe)3, SnCl4, MoCl4 and Ce(OEthOMe)4. The surface of highly dispersed TiO2 nanoparticles by the reflux treatment has been modified with 1-H,1-H,2-H, 2-H-Perfluorooctyltriethoxysilan, Hexadecyltrimethoxysilan und Palmitic acid. The surface-modified TiO2 nanoparticles have been suspended in the various NANOMER® systems. After applications of the suspensions on substrate by dip coating and subsequent curing the layer, the photocatalytically active layers were obtained. The analytical and microscopical investigations — SIMS-analysis and direct TEM imaging, supplemented by EDX have offered the formation of TiO2 gradients by modification of TiO2 nanoparticles within the composites during layer growth and curing. After the illumination of the layers with the TiO2-gradient were superhydrophilic respectively self-cleaning.

Plasma processes are applied for a variety of surface modifications. Examples of this are coatings to achieve improved corrosion and scratch protection, or surface cleaning and texturing. However, since these processes usually take place in a vacuum, they are unfortunately not applicable for industrial use on a large scale. Plasma-enhanced CVD processes at atmospheric pressure enable the deposition of functional coatings on components and semi-finished parts within a continuous air- to-air process without the use of expensive vacuum systems. Their integration into in-line production processes definitely reduces substrate handling and coating costs. A thermal plasma source, based on a linearly-extended DC arc discharge at atmospheric pressure, has been tested for the deposition of silicon nitride at substrate temperatures below 300 deg C in a continuous PECVD process. Furthermore, this source has been tested for plasma-chemical etching and texturing of silicon as well. The costs of solar cell production play a decisive role in the competitiveness of the currently market-leading photovoltaic based on crystalline silicon. Opportunities to reduce costs exist with regard to the materials used, recognizable by the trend towards thinner and larger solar wafers, as well as in the introduction of cost-effective in-line production processes. As the first step in a future in-line solar cell production, continuous plasma etching processes at atmospheric pressure are being developed.

Ill., graph. Darst.

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The development of a new environmental aware process for the cleaning of rotogravuere cylinders is the subject of this work. Therefore the optimisation, monitoring and automatic control of the process has been acquired for the large-area cleaning of rotogravure cylinders by excimer laser radiation. It has been realized by the design of an autonomous automatic cleaning machine which is available for the industrial use. Basic research concerning the optical characteristics of different printing inks has shown the special qualification of UV-lasers for this ablation process due to the high absorption of thin layers of ink. Further experiments explore the influence of the accumulated fluence, the pulse repetition rate and the meaning of diffent excimer-wavelengths on the ablation result. Experimental results are used to build-up a self-contained cleaning machine especially for the laser cleaning of rotogravure cylinders. Rotogravure cylinders are handled rotating in this machine. Meanwhile the laser beam strikes radial onto the surface of the cylinder and moves in a parallel way to the axis of the cylinder. The optical beam guiding and shaping system is designed as a "flying optic". It includes a reflective beam homogenizer and a zoom objective to enable variation of the beam size. This optical system is meant to be a new development to allow the large-area cleaning of surface layers by excimer laser radiation. The treatment of original rotogravure cylinders in this cleaning machine has shown that a non-destructive and complete cleaning can be realized with cleaning rates between 2,4 and 11,8m²/h, depending on the colour tone and the layer thickness. In reality layer thicknesses are very inhomogeneous so that monitoring and processing control is necessary to reach complete cleaning on the whole surface of the cylinder. Monitoring is realized by an image processing unit including a colour picture evaluation for the identification of remaining ink. Cylinder cleaning is working in two steps. In the first step standard processing parameters are chosen by the control unit. During the treatment with standard parameters the video monitoring is recording the positions, dimensions and intensity of remaining ink. Positions of remaining ink are well directed approached and ablation is executed by adapted parameters within the second step which leads to complete cleaning. Cleaning process works automatically and beside the mouting of the cylinder the control only needs four input values of cylinder data from the operator. Compared to the investment for conventional cleaning technology (including disposal costs for cleaning solvents or abrasives) the costs for the laser cleaning process are competitive. In addition to that this process represents a progress within laser beam cleaning techonolgy and in the domain of material treatment by excimer lasers as a result of the high level of automation, the good quality of cleaning and further potential of development regarding new cleaning applications.