Effizientere Produktion: Ausgezeichnete Sonnenschutzschichten und Flugzeugturbinen

In diesem Jahr steht der Ferchau-Innovationspreis unter dem Motto »Das GUTE sparen – Energie, Material, Rohstoffe«. Mit der Auszeichnung werden neuartige Produkte, Verfahren und Prozesse geehrt, die einen Beitrag leisten zur Schonung von Ressourcen und Umwelt. Der mit 10 000 Euro dotierte erste Platz geht an Dr. Bernd Szyszka vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig. Er hat ein Modul entwickelt, welches das Beschichten von Spezialgläsern – etwa Sonnenschutzfenstern – wesentlich zeit- und energieeffizienter macht.

Sonnenschutzschichten effizienter herstellen
Draußen brennt die Sonne. Schnell staut sich die Hitze hinter Fensterscheiben und in den Innenräumen wird es unerträglich warm. Sonnenschutzbeschichtungen auf den Fenstern schaffen Abhilfe: Mehrere Schichten aus verschiedenen Materialien, unter anderem Titanoxid, sorgen dafür, dass das Glas die Hitze nicht durchlässt. Hergestellt werden solche Beschichtungen mit Sputteranlagen: Man schießt Edelgas-Ionen auf ein Target, beispielsweise Titan. Darin lösen sie zunächst eine Stoßkaskade aus – wie beim Billard stoßen sie dabei einige Atome an, die wiederum auf andere Atome prallen. Der Stoß wird tief in das Target hineingetragen. Einige Atome lösen sich aus dem Material und setzen sich unter anderem auf dem zu beschichtenden Substrat ab, etwa der Fensterscheibe. Atom für Atom entsteht so eine flächendeckende Schicht.Dr. Bernd Szyszka, Abteilungsleiter am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig, konnte gemeinsam mit seinem Team die Effizienz solcher Anlagen erheblich steigern – und erhält dafür den Ferchau-Preis. »Wir können bei gleicher Leistung 35 Prozent mehr Material herstellen«, fasst Szyszka zusammen. »Die Beschichtungsanlagen werden kostengünstiger und kompakter.« Ein weiterer Vorteil: Die erzeugten Schichten haben bessere Eigenschaften, so sind sie beispielsweise homogener. Die Oberflächenrauhigkeiten können um bis zu 60 Prozent gegenüber dem Standard reduziert werden.

Die Basis für diese Verbesserungen liegt in einer neuartigen Sputtertechnologie, dem cylindrical co-sputtern – C2. Szyszka und sein Team schießen nicht nur die üblichen Edelgasatome auf das Titan-Target, sondern zusätzlich Wismut-Atome. »Die Wismut-Atome legen sich auf die Titanoberfläche. Prallen die Edelgasatome darauf, werden die Wismut-Atome langsam in das Titan eingebaut«, erklärt Szyszka. Zieht man wieder den Vergleich zum Billard, wäre es, als lege man ein paar größere Kugeln hinzu. Trifft nun ein Edelgasatom auf die Oberfläche, »bremsen« die größeren Wismut-Atome den Stoß ein wenig ab, die Stoßkaskade dringt nicht so tief in das Titan ein, es geht weniger Energie verloren.

Einen Prototypen der Sputteranlage hat Szyszka bereits realisiert, die Titantargets darin sind 75 Zentimeter lang. Innerhalb von zwei Jahren möchte der Wissenschaftler die Anlage so weiterentwickeln, dass sie Targets von 3,80 Meter Länge fasst. Solche Targetlängen sind bei der Herstellung von Sonnenschutz-Fenstern üblich.

Turbinenwerke Stück für Stück wachsen lassen
Dr. Ingomar Kelbassa vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen hat eine effizientere Methode entwickelt, um Flugzeugturbinen herzustellen. Dafür wird er mit dem zweiten Platz geehrt. Um das Flugzeug auf der Rollbahn zu beschleunigen, saugen Turbinen Luft an, Schaufelräder verdichten sie. Einst stellte man diese Schaufelräder her, indem man die einzelnen Schaufeln an die Turbinenscheiben hängte. Heute fertigt man diese Bauteile aus einem Stück – ähnlich wie ein Steinmetz, der Skulpturen aus einem Stein herausarbeitet: Aus einem großen Block Material fräst man das gewünschte Bauteil heraus. Ein Großteil des teuren Materials geht dabei jedoch verloren, zurück bleiben ein Haufen Späne – je nach Bauteil 80 bis 90 Prozent des Materials. Dr. Ingomar Kelbassa, Abteilungsleiter am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen, hat mit seinem Team eine weitaus effizientere Methode entwickelt, um Flugzeugturbinen herzustellen. »Wir tragen das Material nicht ab, sondern bringen es auf«, verrät Kelbassa. Ausgangsbasis ist die Turbinenscheibe – an ihr lassen die Wissenschaftler die zahlreichen Schaufeln eine nach der anderen aufwachsen. Über eine Pulverdüse bringen die Forscher das Material auf die Scheibe. Ein Laserstrahl schmilzt es auf einer Fläche von einigen Quadratmillimetern kurzzeitig auf. Wandert der Laserstrahl weiter, erstarrt das Material. Schicht für Schicht bauen die Wissenschaftler so die Schaufel auf.

Das Verfahren an sich gibt es schon länger – allerdings hat Kelbassa zwei signifikante Änderungen entwickelt: »Wir konnten die Auftragsraten signifikant steigern, das Verfahren ist 15 mal so schnell wie der Standard vor zwei oder drei Jahren. Zum anderen lassen sich jetzt auch unterschiedliche Materialdicken auf einfache Weise herstellen. Das ist bei den Turbinenschaufeln wichtig, denn während sie in der Mitte der Schaufel zwei Millimeter dick sind, verjüngen sie sich zur Ein- und Ausströmkante hin auf weniger als einen.« Unterschiedliche Dicken herzustellen, war bisher nur über Umwege möglich: Man brauchte mehrere Spuren. Der Laserstrahl wurde so fokussiert, dass er die dünnste Stelle bearbeiten kann. Sollte das Material in breiteren Schichten aufgetragen werden, musste der Laserstrahl mehrmals nebeneinander Material aufschmelzen. »Wir können den Laserstrahl lokal anpassen, ihn also weiter oder enger fokussieren – eine Art Zoomfunktion«, erklärt der Preisträger. Bis Ende des Jahres soll das Verfahren in der industriellen Serienfertigung angewendet werden – beim Entwicklungspartner Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG.

Ferchau-Innovationspreis
Der Ferchau-Innovationspreis, der erstmals 2007 vergeben wurde, steht in diesem Jahr unter dem Motto »Das GUTE sparen – Energie, Material, Rohstoffe«. Der erste Platz ist mit 10 000 Euro, der zweite mit 7 000 Euro und der dritte Platz mit 3 000 Euro dotiert. Das Preisgeld von 20 000 Euro wurde in diesem Jahr erstmals um einen zusätzlichen Sonderpreis von 2 500 Euro für eine Innovation aus dem Mittelstand aufgestockt. Kooperationspartner des Wettbewerbs sind unter anderem die Fraunhofer-Gesellschaft, der Verein Deutscher Ingenieure e.V. mit seiner Initiative »Sachen-machen!« und die Wochenzeitung für Ingenieure VDInachrichten.

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