Antifouling

Antifouling-Schichten für Rohre mit neuem Fertigungsansatz

Belagbildung auf technischen Oberflächen, das sogenannte Fouling, stört die Funktion verfahrenstechnischer Anlagen, reduziert die Produktivität und mindert die Produktqualität. Insbesondere bei wärmeübertragenden Bauteilen wird durch die Ablagerungen zudem der Energieverbrauch erhöht und gleichzeitig die Effizienz gesenkt. Neue Antifouling-Strategien mit Antihaft-Schichtsystemen können daher erhebliche Kostensenkungen für die Chemie-, Pharma- und Lebensmittelindustrie bewirken. Zusammen mit Partnern aus Belgien und Deutschland hat das Fraunhofer IST einen neuen Ansatz für die Fertigung von Rohren mit einer Antifouling-Beschichtung auf der Rohrinnenseite entwickelt.

Fertigungsansatz für Rohre mit einer Antifouling-Beschichtung auf der Innenwand.
© Fraunhofer IST, Falko Oldenburg
Fertigungsansatz für Rohre mit einer Antifouling-Beschichtung auf der Innenwand.

Schäden durch Fouling

Störende Beläge entstehen in zahlreichen Systemen durch unterschiedliche Mechanismen z. B. Kristallations-, Partikel- oder Biofouling. Allgegenwärtig sind Kalkablagerungen in wasserführenden Komponenten. In Wärmeübertragern wird neben dem Durchfluss insbesondere der Wärmeübergang durch Fouling stark beeinträchtigt. Die Folgen sind eine geringere Energieeffizienz bis hin zum völligen Verlust der Funktion. In sensiblen Bereichen, etwa bei der Herstellung von Medikamenten, ist das Auftreten von Belägen oft nicht akzeptabel.

Antifouling-Strategie: Schichtsysteme mit kleiner Oberflächenenergie

Gängige Maßnahmen zur Belagminderung umfassen eine sorgfältige Auswahl der verwendeten Materialien, Medien und Oberflächen oder verfahrenstechnische Kompromisse. Einschränkungen für das Design von Produktionsanlagen und weitere Kosten sind häufig die Folge. Zusätzlicher Aufwand entsteht durch mechanisch und / oder chemisch wirkende Reinigungsprozeduren, um entstandene Ablagerungen wieder zu entfernen und Komponenten in Stand zu halten.

Der Ansatz des Fraunhofer IST ist es, der Bildung von Belägen mit antiadhäsiven Schichtsystemen entgegenzuwirken. Modifizierte DLC-Schichten (Diamond-like Carbon), wie etwa SICON®, eine mit Silizium und Sauerstoff modifizierte Kohlenwasserstoffschicht, sind dafür besonders vielversprechend, da sie neben den antiadhäsiven Eigenschaften auch über eine hohe Härte und Beständigkeit verfügen.

SICON® und weitere plasmachemisch abgeschiedene Schichtsysteme mit geringer Oberflächenenergie werden am Fraunhofer IST zur Vermeidung von Anhaftungen bereits in zahlreichen Anwendungen erfolgreich eingesetzt. Für den breiten Einsatz in der Verfahrenstechnik muss die Beschichtung allerdings im Inneren der wärmeübertragenden Komponenten, etwa im Inneren von Rohren wirken. Die direkte Beschichtung auf der Rohrinnenseite ist mit PACVD- und PVD-Verfahren nur in begrenzten Dimensionen möglich und liefert häufig nicht die erforderliche Schichtqualität.

Neuer Fertigungsansatz für innen-beschichtete Rohre

Zusammen mit Experten für Umform- und Schweißtechnik wurde deshalb ein neuer Fertigungsansatz entwickelt. Dabei werden flache Stahlbleche beschichtet und anschließend zu Rohren umgeformt und verschweißt (siehe nebenstehende Grafik). Die Beschichtung darf beim Rollformen der Rohre keinen Schaden nehmen, muss die Antifouling-Funktion gewährleisten und über eine hohe Beständigkeit verfügen. Derzeit können bereits mehr als ein Meter lange Rohre mit einer Antifouling-Schicht auf der Innenwand gefertigt werden. Abgestimmte PACVD-Prozesse ermöglichen modifizierte DLC-Schichten, die auch bei kleinen Rohrdurchmessern (derzeit getestet bis ≤ 12 mm) völlig unbeschädigt sind.

Ausblick

Die Wirksamkeit der entwickelten Schichtsysteme ist bereits für verschiedene Fouling-Mechanismen belegt. Die Bildung von Belägen kann durch SICON®-Schichten deutlich reduziert oder sogar vollständig verhindert werden. Die nach dem vorgestellten Ansatz gefertigten Rohre von mehr als einem Meter Länge werden derzeit in speziellen Fouling-Tests untersucht und bewertet. Zukünftig sollen vollständige Wärmeübertrager­systeme aus Rohren mit einer Antifouling-Beschichtung auf den Innenflächen aufgebaut und Prototypen in besonders herausfordernden Produktionsprozessen der Verfahrenstechnik erprobt werden.

 

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