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Grundlagen und Ansatzpunkte fürMetall Bearbeitende Betriebe
Innovationspotenziale der Nanotechnologie
NANOTECHNOLOGIE IN DER OBERFLÄCHENBEHANDLUNGSeminar für Metall bearbeitende Betriebe
4. November 2009, Stuttgart
Dr.-Ing. Daniel HeubachFraunhofer IAO
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Nanotechnologie – SMALL IS BEAUTIFUL
»Rather than looking for a nanotech market, it is better to look at the effect that nanotechnology has on other areas. It’s like looking at thedonut instead of the hole.«
Oingrong Huang (State University of New Jersey Rutgers) im Interview mit Tim Harper (Cientifica)
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Agenda
Grundlagen der Nanotechnologie
Innovationspotenziale der Nanotechnologie
Anwendungsbeispiele der Nanotechnologiefür Metall bearbeitende Unternehmen
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Definition der NanotechnologieBMBF (2006)Nanotechnologie beschreibt die Untersuchung, Anwendung und Herstellung von Strukturen, molekularen Materialien und Systemen mit einer Dimension oder Fertigungstoleranz typischerweise unterhalb von 100 Nanometern. Allein aus der Nanoskaligkeit der Systemkomponenten resultieren dabei neue Funktionalitäten und Eigenschaften zur Verbesserung bestehender oder Entwicklung neuer Produkte und Anwendungsoptionen.
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Blick in die kleinsten Teile mit großer Zukunft…Siliziumdioxid- und Titandioxid-Nanopartikel
RedispergierbareSiliziumdioxid (SiO2)-Nanopartikel
Agglomerierte Silber-NanopartikelAnti-mikrobielle Eigenschaften
Bilder: Fraunhofer ISC (Li) und Fraunhofer IFAM (Re)
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Blick in die kleinsten Teile mit großer Zukunft…Nano-Cubes
Metal Organic FrameworkNano-Cubes (von BASF)
Chemische/Absorptive Wasserstoff-Speicherungfür Brennstoffzelle(3.400 m2/g Oberfläche)
Bild: BASF
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Blick in die kleinsten Teile mit großer Zukunft…Kohlenstoff-Nanoröhren – Carbon Nano Tubes
Kohlenstoff-Nanoröhren –Carbon Nano Tubes (CNT)
Durchmesser ≥ 1nm(1000mal kleiner als ein Haar)
Extrem hohe Zugfestigkeiten,hervorragende thermische und elektrische Leitfähigkeit, elektrostatische Eigenschaften
Bild: Philips-Universität Marburg
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1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
0,1 nm
1 nm
10 nm
0,1 μm
1 μm
10 μm
0,1 mm
1 mm
1 cm
0,1 m
Nutzungund Integration
biologischer Prinzipien,physikalischer Gesetze
und chemischer Eigenschaften
Beschichtung,Reinigungsmittel,
Komposite, Textilien, Kosmetik,
Displays, …
Materialdesign
Mikro-Elektronik
Elektrotechnik
Maschinenbau
Mechanik
QuantisierungAnwendungen derNanotechnologie
Zellbiologie
Molekularbiologie
Funkt. molekulares
Design
Komplexchemie
Supramolek. Chemie
Heute
Physik
Biologie
Chemie
Komplexierungindividueller
Bausteine
Individualisierung
Miniaturisierung
MIK
RO
MA
KR
ON
AN
O
Grundlagen der NanotechnologieKonvergenz von Biologie, Physik und Chemie
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Vergrößerte Oberfläche
Was ist neu an der Nanotechnologie?„Neue“ Technische Physikdurch Änderung von
Farbe, TransparenzHärteMagnetismuselektrischer Leitfähigkeit
„Neue“ Bioanwendungendurch Kombination mit
SelbstorganisationReparaturfähigkeitAdaptionsfähigkeitErkennungsfähigkeit
„Neue“ Chemieprozessedurch Änderung von
Schmelz- und Siedepunktchemischer Reaktivitätkatalytischer Ausbeute
Quantenmechanisches Verhalten
MolekulareErkennung
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Festkörper-eigenschaftenFestkörper-
eigenschaften
Volumen dominiertVolumen dominiert
Einfache Miniaturisierung
Einfache Miniaturisierung
Bindungs-eigenscnaftenQuantenmechanik
Bindungs-eigenscnaftenQuantenmechanik
Oberfläche dominiertOberfläche dominiert
Synthese & atomare ManipulationKombination mit
Selbstorganisationsprozess
Synthese & atomare ManipulationKombination mit
Selbstorganisationsprozess
Nanopartikel verlieren ihre typischenFestkörpereigenschaften
großes Molekül mit elektronischen, chemischen, optischen Eigenschaften
Nanopartikel verlieren ihre typischenFestkörpereigenschaften
großes Molekül mit elektronischen, chemischen, optischen Eigenschaften
Nanopartikel haben ein sehr großes Oberfläche-Volumen-Verhältnis
Oberflächenatome dominieren sowie deren Eigenschaften
Nanopartikel haben ein sehr großes Oberfläche-Volumen-Verhältnis
Oberflächenatome dominieren sowie deren Eigenschaften
SelbstorganisationsphänomenMiniaturisierung durch Prozesse in
Anlehnung an Mechanismen in der Natur
SelbstorganisationsphänomenMiniaturisierung durch Prozesse in
Anlehnung an Mechanismen in der Natur
Bisherige Betrachtungsweise
Neue Sichtweisedes Engineering durch Nanotechnologie
Neue Sichtweise des Engineeringdurch Nanotechnologie
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Großes Oberflächen-Volumen-Verhältnis
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Nano-Materialien und StrukturenPartikel, Formkörper, Schichten, Fasern
Partikel Formkörper
SchichtenFasern
TiO2, ZrO2, SiO2, Al-Oxid, ZnO, Antimon-Zinn-Oxid, Indium-Zinn-Oxid (ITO), Ag (Silber), …
Metalle, Keramiken, Nanopartikel in metallischen oder keramischen HartschichtenNanopartikel in Polymeren
Carbon Nanotubes (CNT), Polymer-Nanofasern
Nanolackschichten,anorg.-org. Hybridpolymere,
PVD/CVD-Schichtenstrukturierte Oberflächen
(Ätzstrukturen, Prägungen)
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Nanotechnologie – das Spielen mit BausteinenBausteine – Baupläne – Systeme
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Das Auge in die winzige WeltAnalyse- und Manipulationsinstrumente für den nm-Bereich
G. Binnig, H. Rohrer, IBM Zürich
Rasterkraftmikroskop
Hebelarm undatomare Spitze
Laser
Probe auf Piezo-Steuerquarz (x, y, z)
Detektor
Grafik: FCI
1986 erhalten Gerd Binning und Heinrich Rohrer den Nobelpreis für die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops Anfang der 1980er-Jahre. Damit ist es erstmals möglich, Oberflächen mit atomarer Auflösung abzubilden.Das Rasterkraftmikroskop ist eine Weiterentwicklung des Rastertunnelmikroskops
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Herstellung von Nanomaterialien – Sol-Gel-VerfahrenChemische Nanotechnologie als Bottom-Up-Verfahren
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Agenda
Grundlagen der Nanotechnologie
Innovationspotenziale der Nanotechnologie
Anwendungsbeispiele der Nanotechnologiefür Metall bearbeitende Unternehmen
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Nanotechnologiein unserem Alltag
Grafik: Siemens,Picture of the Future
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Nano in der Produktion
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Große Forschungsprogramme»Tendenz steigend «
Große Forschungsprogramme»Tendenz steigend «
Große Entwicklungsdynamik in der NanotechnologieWissensaufbau, Marktwachstum und Förderung
Publikationen»Exponentielles Wachstum«
Publikationen»Exponentielles Wachstum«
Marktwachstum»Jährl. Wachstum 10-15%«
Marktwachstum»Jährl. Wachstum 10-15%«
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2.000
4.000
6.000
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12.000
14.000
16.000
1991 1998 2005
USA
JapanDeutschland
Frankreich
England
VR ChinaSüdkorea
1.7221.200870andere
11.41210.1808.528Gesamt
2.6792.2302.290Japan
3.7063.7002.943US
3.3053.0502.425EU
200620052004Mio €
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Daraus ergeben sich folgende Herausforderungen:
Menge an Informationen und die neuen verwendeten Termini erschweren die anwendungsorientierte Verarbeitung der Informationen
Das Wissen fehlt, welche Fragen in Bezug auf Anwendungen, Randbedingungen, Lösungsansätzen etc. zu stellen sind
Kostoff (2007); FCI (2005); EU (2005)
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Wirtschafsfaktor NanotechnologieWertschöpfung mit Produkten
Marktpotenzial [Mrd. €]
500
50
0.05Wertschöpfungskette
0.5
5Materialien
z.B. Partikel, Tubes, ...
Komponentenz.B. modifizierte
Thermoplastics,Formulierungen, ...
Endproduktez.B. für Automobil,
Displays, Solarzellen,Textilien, ...
Nano-SilberMehrere 100.000 US$
Wundverband25 Mio. US$
BeispielMedizin
Bild-Quelle: BASF
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Innovationspotenziale der Nanotechnologie
Anwendungsbeispiele der Nanotechnologiefür Metall bearbeitende Unternehmen
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Nanotechnologie – Saubere Oberflächen, leichte ReinhaltungPassive Schichten mit niedriger Oberflächenenergie zur Oberflächenreinhaltung
Ziel/ NutzenDurch saubere Oberflächen werden Prozesse sicherer, Produkte optisch ansprech-ender und der Reinigungsaufwand reduziert, Funktionseigenschaften wie z. B. ein guter Wärmedurchgang (Wärmetauscher) können über längere Zeit erhalten werden
Technische GrundlagenEine niedrige Oberflächenenergie wird schon durch sehr dünne Schichten (< 2nm) erzielt, die chemischen Gruppen für niedrige Oberflächenenergie sind unpolar (Alkylgruppen) und teilweise fluoriert. Zur Stabilisierung werden oft Nanopartikel in Lacke eingebaut oder Hybridpolymere eingesetzt
AnwendungsmöglichkeitenAuf nahezu allen Oberflächen möglich.Z.B.: Formenbau, Trennmittel, Einhausungen, Umgang mit Flüssigkeiten in Tanks und Leitungssystemen, für Wärmetauscher und Klimaanlagen; Druckwalzen
EinschränkungenLangzeithaltbarkeit unter starker mechanischer Belastung ist nicht in allen Fällen möglich, allerdings sind Nanoschichten im Vergleich mit konventionellen Schichten (Teflon) meist deutlich besser.
Bildquelle: Firma De Cie (oben), Rittal (unten)
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Nanotechnologie – Saubere Oberflächen, leichte ReinhaltungBeispiel für eine farbabweisende nanoskalige Sol-Gel-Schicht für die Beschichtung von Farbwalzen – oben ohne, unten mit Sol-Gel-Schicht
Bildquelle: Heidelberger Druckmaschinen AG
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Nanotechnologie – Ressourcenschonung / UmweltschutzKorrosionsschutz
Ziel/ NutzenVerlängerung der Lebensdauer von metallischen Bauteilen: Korrosionsschutz (Konversionsschicht) und Haftgrund für metallische Werkstücke durch nanotechnologische Beschichtung, Ersatz von Cr(VI) für Aluminiumoberflächen zur Vermeidung der Filiformkorrosion Substitution der bisherigen Eisenphosphatierung mit anschließender Passivierung durch gebräuchliche Pulver- und Nasslackierungen. Umweltfreundlicheres Verfahren durch nanotechnologische Beschichtung.
AnwendungsmöglichkeitenKorrosionsschutz (Konversionsschicht) und Haftgrund als Vorbehandlung von Metall-Teilen (z. B. kalt gewalzter Stahl, galvanisierter Stahl, Aluminium, Zink): Reinigung der Teile, Haftgrund für die Lackierung, besseren Korrosionsschutz; Multimetall-Vorbehandlung (Stahl, Alu, Zink).Z.B.: Schutz von Bauteilen in der Produktion mit erhöhter chemischer oder mechanischer Beanspruchung; Verbesserung des Haftgrundierungs- und Konversionsbeschichtungsprozesses in der Produktion.
EinschränkungenFehlende Langzeiterfahrung
Technische GrundlagenKonversionsschicht basiert auf Metalloxiden (Titan, Zirkonium) und komplexen Fluoriden (Zr-oxyfluoroglas ZrOxFy) mit Beschichtungsdicken von 20 bis 30 nm. Nanoskalige Hybridpolymerlacke. Aktiver Korrosionsschutz mit Nanopartikeln.
Bonderite® NT-1Fe-Phosphat
Bildquelle: Henkel
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Nanotechnologie – Ressourcenschonung / UmweltschutzThermische Schutzschichten
Ziel/ NutzenVerlängerung der Lebensdauer von Materialien bei hohen und höchsten Temperaturen.
Technische GrundlagenDünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln.Nanoporöse Schichten sind sehr gute Wärmeisolatoren.Dünnstschichten lassen sich sehr leicht umformen.
AnwendungsmöglichkeitenSchutzschichten für Metalle, Stahl.Z.B.: Wärmetauscher, Turbinen, Stahlbleche etc.
EinschränkungenTeilweise Kostenprobleme
Bildquelle:Uni Kassel, Firma Volkswagen,Thyssen-Krupp und Firma Nano-X
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Nanotechnologie – Ressourcenschonung / UmweltschutzVerbesserte Luft- und Abwasserreinigung
Ziel/ NutzenEffektivere Reinigung von Abluft und Abwässern, von Raumluft in der Produktion, von Trinkwasser oder von chemischen Hilfsstoffen (Bsp. Altöl).
Technische GrundlagenDünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln, Photokatalytische Reinigung, Einsatz von neuen polymeren Nanofasern als Filtergewebe.
AnwendungsmöglichkeitenVerbesserte Effektivität durch höhere Oberflächen der Nanomaterialien als Schichten, Pulver bzw. Fasern.Z.B.: Schmierölfilterung, Reinluftfiltration
EinschränkungenHöherer Preis der Produkte
Bildquelle: Hollingsworth & Vose
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© Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart
Nanotechnologie – Erhöhung der BetriebssicherheitAntistatische und transparentleitfähige Schichten
Ziel/ NutzenVerhinderung der elektrischen Aufladung von isolierenden Oberflächen z. B. bei Kunststoffen, Transparente Elektroden.
Technische GrundlagenDünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln Transparente Anti-Statik-Beschichtung durch Flammen-CVD mit einer Zinkoxidschicht und Fluor-Dotierung erreicht Widerstand von 10 kΩ. Diese hochohmige Schicht ist für die Ladungsabfuhr ausreichend.Mit Antimon-Zinn-Oxid (ATO) oder Indium-Zinn-Oxid (ITO) lässt sich eine permanente leitfähige Beschichtung auf Kunststoff realisieren. ITO wird für die antistatische Ausrüstung der transparenten Abdeckscheiben von Flachbildschirmen eingesetzt. Modifizierte Hybridpolymere (ORMOCER®e) mit stabil verankerten polaren Gruppen für Antistatik
AnwendungsmöglichkeitenAntistatik für Kunststoffe, Transparent leitfähige Schichten (TCO) für DisplaysZ.B.: Fertigung oder Produktion von Kunststoffteilen bzw. Führung von Kunststoffteilen in Transport- / Schienensystemen.
EinschränkungenKosten
Bildquelle: Fraunhofer
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© Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart
Nanotechnologie – Erhöhung der BetriebssicherheitAnti-Beschlag-Eigenschaften
Ziel/ NutzenVerhinderung des Beschlagens durch Wasser und damit verbunden Einschränkung der Sicht.
Technische GrundlagenDünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln, Superhydrophile TiO2-Schichten, Hybridpolymere.
AnwendungsmöglichkeitenFür nahezu alle Substrate.Z.B.: Schutzbrillen, Visiere, Einhausung von Anlagen
EinschränkungenKombination mit Kratzfestigkeit bei Kunststoffen teilweise problematisch, Kosten, Langzeitbeständigkeit meist nur bei rein anorganischen Schichten möglich, diese sind aber für Kunststoffoberflächen nicht geeignet oder zu teuer
Bildquelle: Fraunhofer
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© Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart
Nanotechnologie – Erhöhung der BetriebssicherheitGeruchs- und Schadstoffabsorption und -zersetzung
Ziel/ NutzenGeruchs- bzw. Schadstoffminderung z. B. Verringerung der NOx-Belastung
Technische GrundlagenDünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln (Katalytisch aktive bzw. zur Absorption –sehr große Oberflächen), Abbau von organischen Stoffen oder Schadgasen wie NOx oder Formaldehyd
AnwendungsmöglichkeitenWand- und Bodenbeläge, Tapeten, ÖfenZ.B.: Wände, Böden, Gehäuseteile, Öfen
EinschränkungenKatalysatoren teilweise recht teuer, wenig Erfahrung über Langzeitverhalten der Effekte.
Bildquelle: ItN Nanovation
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© Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart
Nanotechnologie – Verbesserung der Qualität, QualitätssicherungGenaueres DosierenZiel/ NutzenRestentleerbarkeit und Flüssigkeitsablauf verbessern.
Technische GrundlagenDünne Antihaftschichtschichten mit niedriger Oberflächenenergie, Hybridpolymerschichten, Sol-Gel-Schichten, Plasmapolymere
AnwendungsmöglichkeitenFür alle flüssigkeitsführenden GebindeZ.B.: Verbesserung Restentleerbarkeit von Gebinden, Leitungen etc.
EinschränkungenLangzeiterfahrung fehlt
Bildquelle: Degussa
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© Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart
Nanotechnologie – Verbesserung der Qualität, QualitätssicherungFälschungssichere Kennzeichnung von ProduktenZiel/ NutzenSicherung des technologischen Vorsprungs durch fälschungssichere Kennzeichnung vonProdukten sowie Verpackungen
Technische GrundlagenZugabe speziell dotierter Nanopartikel (z. B. Fluoreszenzpartikel, Bakteriorhodopsin u. a.) oder Einsatz von Nanomultischichten (Holographische Label)
AnwendungsmöglichkeitenFür alle Produkte sowie VerpackungenZ.B.: Aufdrucke auf Verpackungen, Siegel
EinschränkungenTeilweise noch recht teuer, Integration in Produktionsprozesse noch nicht in allen Fällen möglich.
Bildquelle: Uni Marburg