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F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R S c H I c H T- U N d O b E R F l ä c H E N T E c H N I k I S T
2010JAHRESBERICHT
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jahresbericht
2010
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Sehr geehrte Damen und Herren,
Sie halten heute unseren Jahresbericht für das Jahr 2010 in den Händen. Wir freuen uns, Ihnen
auch mit diesem Bericht wieder interessante Informationen über aktuelle Entwicklungen aus
dem Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST bieten zu können.
Mit vielen Highlights und spannenden Projekten war das Jahr 2010 für unser Institut wieder ein
sehr erfolgreiches Jahr. Auf den folgenden Seiten erfahren Sie mehr.
An dieser Stelle möchten wir Ihr Augenmerk auf diejenigen lenken, deren Leistung und Enga-
gement, Vertrauen und Unterstützung Grundlage für den Erfolg unseres Instituts ist: allen voran
die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Fraunhofer IST, unsere Partner aus Forschung und
Entwicklung, unsere Auftraggeber aus der Industrie, unsere Förderer, Kollegen und Freunde.
Ihnen allen danken wir ganz herzlich.
1 Rechts: Institutsleiter
Prof. Dr. Günter Bräuer.
Links: stellvertretender Insti-
tutsleiter Dipl.-Ing. Wolfgang
Diehl mit diamantbeschichte-
ten Gleitringen.
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Prof. Dr. Günter Bräuer Dipl.-Ing. Wolfgang Diehl
Vorwort
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inhalt Vorwort 3
Highlights2010 6
Preise 8
Kuratorium 10
AusdemKuratorium 11
DasInstitutimProfil 12
DasInstitutinZahlen 14
IhreAnsprechpartner 17
Organisationsstruktur 18
Forschungs-undDienstleistungsangebot 20
MaschinenbauundFahrzeugtechnik 25
Nanocontainer – Kleine Teile, grosse Wirkung 26
P3T – Neuartige Technologie zur Herstellung flexibler Elektronik 28
Nanokomposite für Sputter-Dehnungsmessstreifen 30
Luft-undRaumfahrt 33
Detektion von Lagerschäden durch integrierte Dünnschichtsensorik 34
Neuartige Kompositschichten gegen Partikelerosion in Gasturbinen 36
Werkzeuge 39
Bionische Behandlungskonzepte für Industriemesser 40
Borhaltige Werkzeugbeschichtungen für die Warmumformung 42
Technologische Grundlagen für die Umformung von Titanlegierungen 44
Werkzeugbeschichtungen für das Presshärten von borlegierten Stählen 46
Entwicklung von Sensormodulen für die Optimierung von Tiefziehprozessen 48
Praxistaugliche Dünnschicht kraftsensoren zur Überwachung von Schneidprozessen 50
Diamantbeschichtete Keramik DiaCer® – Ein leistungsfähiger Werkstoffverbund für hohe Anforderungen 52
Energie,Glas,Fassade 55
Die eisfreie Scheibe 56
Grossflächige silizium-basierte Schichten mit Heißdraht-CVD 58
Saatschichten optimieren den Lichteinfang in Dünnschicht-Solarzellen 60
Beständige transparente und hydrophobe Oberflächen 62
Optik,Information,Kommunikation 65
HIPIMS-Abscheidung von leitfähigen keramischen Nanokompositschichten 66
Sputtern optischer Schichten mit Rotatable-Kathoden 68
Ratengeregelte Parylene®-Schichten für optische Anwendungen 70
Markteinführung Plasma kit »Select« 72
MenschundUmwelt 75
Antimikrobielle Ultra- Präzisionswaage 76
Herstellung superhydrophober Schichten mit Atmosphärendruckplasmen 78
Dünnschichtsensorik für Gitarrensaitenhalter 80
LeistungenundKompetenzen 83
Hochionisierte gepulste Plasmaprozesse – Hipp-Prozesse 84
PACVD-Hochrate-Abscheidung von DLC-Schichten 86
Neue 3-D-Plasmasimulation für industrierelevante Probleme 88
Simulation des Ionenbombardements beim Magnetron-Sputtern 90
Namen,Daten,Ereignisse2010 93
Messen und Konferenzen 94
ICCG8 – High-Tech-Beschichtungen auf Glas und Kunststoff 96
Workshops 98
Ereignisse 100
Veröffentlichungen 102
Mitarbeit in Gremien 102
Internationale Gäste 103
Schutzrechtanmeldungen 103
Publikationen 104
Vorträge, Poster 108
Dissertationen 115
Diplomarbeiten 115
Masterarbeiten 115
Bachelorarbeiten 115
DasFraunhoferISTinNetzwerken 117
Die Fraunhofer-Gesellschaft auf einen Blick 119
Fraunhofer-Verbund Light & Surfaces 120
Das Kompetenznetz Industrielle Plasma-Oberflächentechnik e.V.– INPLAS 122
Mitgliedschaften 124
Bildverzeichnis 126
Impressum 128
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»Abschied vom Eiskratzer«. Diese und ähnliche Überschriften
fand man im Spätherbst 2010 in fast allen Tageszeitungen
der Republik. Rundfunk und Fernsehen schlossen sich an.
Passend zum nahenden Winter stellte das Fraunhofer IST
eine beschlag- und eisfreie Verglasung vor, die ein vorläufiges
Ergebnis der fünfzehnjährigen Forschung auf dem Gebiet
transparent leitfähiger Schichten repräsentiert. Den Schlüssel
zur Herstellung solcher Schichten bildet ein so genanntes
hochionisiertes Plasma. Es macht sie härter als Glas und damit
unter anderem auch brauchbar für die Windschutzscheibe des
Automobils. Sicher müssen sich die Autofahrer noch etwas
gedulden, bevor das neue Produkt bei unseren Projektpartnern
in Serie geht, aber die Machbarkeit ist gezeigt, und das
lästige Kratzen an eisigen Wintermorgen dürfte damit der
Vergangenheit angehören.
Die »eisfreie Scheibe« ist nur eines der zahlreichen Highlights,
die das Jahr 2010 für unser Institut bereithielt. Anlässlich der
Fraunhofer-Jahrestagung im Mai wurde einem Forscherteam
aus vier Fraunhofer-Instituten und sieben Unternehmen unter
Federführung von Wissenschaftlern des Fraunhofer IST der
Wissenschaftspreis des Stifterverbandes verliehen. Ausgezeich-
net wurde das Team für die gemeinsame Entwicklung eines
neuen Materialverbundes, nämlich einer diamantbeschichteten
Keramik, die besonders beanspruchten Werkzeugen und
Bauteilen eine längere Lebensdauer bei verbessertem
Einsatzverhalten ermöglicht. Die Innovation ist bereits
industriell umgesetzt: Bei Gleitringdichtungen, die von dem
Unternehmen EagleBurgmann Germany für kritische Umfelder
wie dem Fördern von Öl-, Sand- und Gasgemischen eingesetzt
werden, verlängert die Diamantbeschichtung die Standzeit je
nach Anwendung um den Faktor 4 bis 1000.
Dichter, härter, verschleißärmer, transparenter – dank innovati-
ver Plasmatechnik werden unsere Oberflächen und Schichten
immer besser. Aber nicht nur das Plasma, sondern ebenso
unsere Elektrochemie hat Neues zu bieten. Wenn demnächst
der erste europäische Beobachtungssatellit Sentinel-1
Informationen zur Erde sendet und von dort empfängt, so sind
Antennen im Spiel, die in unserer Galvanikanlage metallisiert
wurden. »Schichten für unsere Zukunft«: Auch in 2010 sind
wir also mit unseren aktuellen Entwicklungen dieser Vision
des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik
wieder etwas näher gerückt. Aber nicht nur aus technisch-
wissenschaftlicher, sondern auch aus wirtschaftlicher Sicht
war das Berichtsjahr ein voller Erfolg. Der Krise zum Trotz
steigerten wir unseren Wirtschaftsertrag gegenüber 2009 um
mehr als 10 Prozent. Mit mehr als 5 Mio € liegt der absolute
Wert erneut auf einem »Allzeithoch«.
Am 27. Mai wurde in Gegenwart des Vorstandes der
Fraunhofer-Gesellschaft, Vertretern aus Wissenschaft,
Forschung und Industrie sowie der Stadt Braunschweig das
neue Technikum des Instituts eingeweiht. Es bietet beste
Voraussetzungen für den weiteren Ausbau der Forschungs-
aktivitäten und die Zusammenarbeit mit dem Institut für
Oberflächentechnik IOT der Technischen Universität. Im
Juni fand zum zweiten Mal unter Federführung des IST die
highlights 2010
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»International Conference on Coatings on Glass and Plastics
ICCG 8« in Braunschweig statt. An 5 Konferenztagen trafen
sich in der Stadthalle rund 400 internationale Experten aus der
Community der Glas- und Kunststoffbeschichtung, um neues-
te Ergebnisse aus Forschung und Anwendung zu diskutieren.
Die Tatsache, dass das Internationale Organisationskomitee
erneut unserem Institut die Rolle des lokalen Organisators
anvertraute, unterstreicht die Bedeutung unserer Arbeiten in
diesen wichtigen Feldern der Beschichtungstechnik. Anlässlich
des 20. Geburtstages des IST öffneten wir schließlich
am 28. August zusammen mit unserem Nachbarn, dem
Fraunhofer WKI, unsere Türen für die Braunschweiger Bürger,
um ihnen einen Einblick in unsere Arbeit zu ermöglichen. Wie
erzeugt man Blitze im Labor? Was macht man mit Plasmen?
Wie kann Diamant Wasser reinigen? Wie werden Oberflächen
verschleiß- und reibarm? Diese und viele weitere Fragen
beantworteten unsere Mitarbeiter den interessierten Gästen.
Mit mehr als 900 Besuchern war die Resonanz überwältigend.
Das vom Fraunhofer IST initiierte und unterstützte Kompe-
tenznetz »Industrielle Plasmaoberflächentechnik (INPLAS)«
entwickelte sich hervorragend weiter. Der im Auftrag des
Netzwerks produzierte Informationsfilm »Plasma leuchtet ein«
wurde im Herbst bei dem ersten Cannes Corporate Media &
TV-Wettbewerb, bei dem er gegen eine starke internationale
Konkurrenz aus 27 Ländern antreten musste, mit einem der
beiden Spitzenpreise ausgezeichnet. Der Film zeigt sehr an-
schaulich die heutigen Schlüsselanwendungen und Potenziale
der Plasmatechnik.
Bestehende internationale Kooperationen des Fraunhofer IST,
insbesondere mit Frankreich, Südafrika und Südkorea wurden
gefestigt, neue Vernetzungen wurden geschaffen und durch
entsprechende Vereinbarungen besiegelt. Zusammen mit Wis-
senschaftlern der Sheffield Hallam University (UK) wurde ein
»HIPIMS Research Centre« gegründet (HIPIMS steht für High
Power Impulse Magnetron Sputtering), um die Möglichkeiten
hochionisierter Plasmen für die Beschichtungsindustrie in
Zukunft gemeinsam herauszuarbeiten.
Wenn wir Ihnen auf den folgenden Seiten ausgewählte
Ergebnisse aus einem der erfolgreichsten Jahre des
Fraunhofer IST präsentieren dürfen, so verdanken wir dies vor
allem unseren Auftraggebern aus der Industrie und unseren
Zuwendungsgebern, aber auch unseren hervorragenden
Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern. Mit anspruchsvollen
technisch-wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Zielen wird
unser Institut auch in 2011 weiter auf Erfolgskurs bleiben.
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wissenschaftspreis des stifterVerbands 2010
je nach Anwendung um den Faktor 4 bis 1000. Ziehsteine
sind ein Umformwerkzeug für das Herstellen von Drähten.
Besonderheit hier: die Innenbeschichtung, die durch eine Mo-
difikation des Verfahrens möglich ist. So wurden Ziehsteine für
unterschiedliche Durchmesser beschichtet, um auch sehr dicke
Drähte und nichtkreisförmige Drahtquerschnitte zu realisieren.
Die Test-Werkzeuge, die zum Beispiel in der Produktion bei
den Drahtwerken Elisental eingesetzt wurden, waren selbst
nach der Produktion vieler Tonnen Draht kaum verschlissen.
Gleitringdichtungen für Pumpen werden inzwischen von
der Condias GmbH mit Diamant beschichtet und von Eagle-
Burgmann in verschiedenen schwierigen Einsatzbereichen
vermarktet. Viele weitere Anwendungen sind denkbar.
»Letztlich ist DiaCer® für alle Komponenten im Maschinenbau
interessant, die einen hohen Verschleißschutz benötigen«,
fasst Dr. Schäfer zusammen.
Die Projekt-Partner
Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstrukti-onstechnik IPK
EagleBurgmann Germany GmbH & Co. KG
Ceram Tec AG
Condias GmbH
Drahtwerk Elisental W. Erdmann GmbH & Co.
Drahtzug Stein GmbH & Co. KG
H.C. Starck Ceramics GmbH & Co. KG
KSB AG
Gemeinsam mit Forschern aus vier weiteren Fraunho-
fer - Instituten und Partnern aus der Industrie wurden die
Braunschweiger Fraunhofer-Wissenschaftler Dr. Lothar
Schäfer und Dr. Markus Höfer, Dr. Simone Kondruweit und
Markus Armgardt vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und
Oberflächentechnik IST für ihre erfolgreichen Arbeiten zu Ent-
wicklung, Anwendung und Transfer des Werkstoffverbundes
»Diamantbeschichtete Keramiken – DiaCer®« mit dem mit
50 000 Euro dotierten Wissenschaftspreis des Stifterverbandes
ausgezeichnet. Die Wissenschaftler aus Braunschweig haben
das Projekt koordiniert und waren maßgeblich an dem Erfolg
beteiligt. Der Wissenschaftspreis des Stifterverbands ist einer
der bedeutendsten deutschen Wissenschaftspreise.
Ein Material mit hohem Verschleißschutz zu entwickeln,
das war das Ziel eines Teams aus Forschung und Industrie.
Ihre Lösung verleiht besonders beanspruchten Werkzeugen
und Bauteilen eine längere Lebensdauer bei verbessertem
Einsatzverhalten. Diamant ist ein Material mit herausragenden
Eigenschaften: Er ist ausgesprochen hart, leitet Wärme gut
und chemische Substanzen können ihm nichts anhaben.
Keramik – insbesondere Hochleistungskeramik – kann
ebenfalls mit besonderen Qualitäten aufwarten: Sie ist robust
und hält extremen Temperaturen stand. Wissenschaftlern
aus vier Fraunhofer-Instituten ist es gemeinsam mit Partnern
aus der Industrie gelungen, einen neuen Werkstoffverbund
herzustellen und für Anwendungen nutzbar zu machen. Der
Werkstoffverbund »Diamantbeschichtete Keramik – DiaCer®«
vereint in sich das Beste von beiden Materialien. Überall dort,
wo Bauteile und Werkzeuge stark beansprucht werden, etwa
in Pumpen oder bei Umformwerkzeugen, bietet DiaCer® maxi-
malen Verschleißschutz, gepaart mit niedrigen Reibwerten.
Basis ist eine Siliziumnitrid oder -carbidkeramik, die von
Forschern des Fraunhofer-Instituts für Keramische Techno-
logien und Systeme IKTS in Dresden für die Beschichtung
mit Diamant modifiziert wurde. Deren Aufgabe war es,
herauszufinden, wie die Keramik beschaffen sein muss, damit
die Diamantschicht fest und gleichmäßig auf dem Grund-
körper haftet. Das ist ausschlaggebend für die Lebensdauer.
Wesentliche Erkenntnisse dazu lieferten die Material- und
Bauteil-Simulationen der Kollegen vom Fraunhofer-Institut für
Werkstoffmechanik IWM in Freiburg sowie die Beiträge zur Be-
arbeitung der Keramiken der Kollegen vom Fraunhofer-Institut
für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK in Berlin.
»Wir wiederum haben an der Beschichtung gearbeitet und
die Anlagen konzipiert«, sagt Projektkoordinator Dr. Lothar
Schäfer vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflä-
chentechnik IST in Braunschweig. Für die zu Grunde liegende
Heißdraht-CVD-Beschichtungstechnologie werden Bauteile
und Werkzeuge zunächst in einen Vakuumbehälter gelegt.
Anschließend führen die Forscher Methan und Wasserstoff
zu. Damit die Diamantschicht wächst, sind im Abstand von
einigen Zentimetern über den zu beschichtenden Objekten
Drähte gespannt. Sie werden bis zur Weißglut erhitzt. Dadurch
wird das Gas aktiviert und Kohlenstoff lagert sich auf der
Oberfläche in der kristallinen Diamantform ab. »Mit unserem
Verfahren können wir eine bis zu einem halben Quadratmeter
große Diamantschicht aufbringen«, so Schäfer. »Das ist
weltweit einzigartig«.
Zwei Beispiele zeigen die Vorteile: Bei Gleitringdichtungen,
die von EagleBurgmann Germany für kritische Umfelder wie
dem Fördern von Öl-, Sand- und Gasgemischen eingesetzt
werden, verlängert die Diamantbeschichtung die Standzeit
weitere preisearch T. Colwell Merit award 2010
Reinhold Bethke, Wissenschaftler am Fraunhofer IST, wurde
bei der weltgrößten Automobilkonferenz SAE in Detroit aus-
gezeichnet. Für seine Veröffentlichung zum Reibungsverhalten
von Diamond-Like-Carbon-Schichten bei Verwendung unter-
schiedlicher Motorenöle erhielt Bethke den Arch T. Colwell
Merit Award.
Preis für den besten Vortrag
Auf dem »3rd International Symposium on Transparent
Conductive Materials« auf Kreta in Analipsi wurde Christina
Polenzky, Doktorandin am Fraunhofer IST, für den besten
mündlichen Vortrag eines jungen Wissenschaftlers zur eigenen
Dissertation ausgezeichnet. Im Rahmen ihres Dissertations-
themas »Herstellung und Charakterisierung von p-leitenden
TCOs« präsentierte sie neueste Ergebnisse zur Herstellung
von CuCrO2 per Hohlkathodengasflusssputtern und zu einem
p-leitenden Cu-Al-O-System.
Cannes Corporate Media & TV award
Cannes Corporate Media & TV Award: Mit dem zehnminüti-
gen Film »Plasma leuchtet ein« gewannen CONMEDIA und
INPLAS e.V. in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IST einen
zweiten Platz in der Kategorie Wirtschafts- und Industriefilme.
Preisträger sind der Produzent Jochen Meusel von CONMEDIA
für den Auftraggeber INPLAS e.V. sowie Carola Brand, die am
Fraunhofer IST die Geschäftsstelle des Kompetenznetzes
INPLAS leitet.
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Vorsitz
Dr. P. LichtenauerPlasmawerk Hamburg GmbH
Stellvertretender Vorsitz
Prof. Dr. H. OechsnerIFOS - Institut für Oberflächen- und Schichtanalytik GmbH an der TU Kaiserslautern
Dipl.-Ing. E. DietrichFrankfurt
Dr. U. EngelHagnau
Prof. Dr. H. FerkelVolkswagen AG
Dr. R. GrünPlaTeG GmbH
Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c.
J. HesselbachPräsident der Technischen Universität Braunschweig
Dr. H. HilgersMainz
RD A. KletschkeBundesministerium für Bildung und Forschung
Prof. Dr. A. MöbiusCookson Electronics Enthone GmbH
Dr. M. MüllerRobert Bosch GmbH
Dr.-Ing. A. PawlakowitschSingulus Technologies AG
Kuratorium
MinRat Dr. H. SchroederNiedersächsisches Ministerium für Wissenschaft und Kultur
Dr.-Ing. W. SteinbachEagleBurgmann Germany GmbH & Co. KG
Dr.-Ing. M. SteinhorstDOC - Dortmunder OberflächenCentrum GmbH
Dr. G. J. van der KolkIonBond Netherlands BV
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1 Mitglieder des
Kuratoriums.
2 Dr.-Ing. W. Steinbach
EagleBurgmann Germany
GmbH & Co. KG, Mitglied des
Kuratoriums.
Seit mehr als zehn Jahren arbeitet EagleBurgmann sehr erfolg-
reich und intensiv mit dem Fraunhofer-Institut für Schicht- und
Oberflächentechnik IST zusammen. Diese Kooperation
steht u. a. für wissenschaftlich exzellente Verbundprojekte
der angewandten Forschung gemeinsam mit Vertretern
der Wirtschaft. Exemplarisch für viele andere erfolgreiche
Kooperationen des Fraunhofer IST möchte ich an dieser Stelle
aus Sicht der Industrie eine preisgekrönte Erfolgsgeschichte
hervorheben: Die Entwicklung der DiaCer®-Technologie.
Ein neuer Werkstoffverbund für extreme Anforderungen
»Diamantbeschichtete Keramik DiaCer®« wurde durch die
Kombination von Werkstoff-, Beschichtungs- und Anwen-
dungs-Know-how sowie dem Wissen der Fraunhofer-Institute
auch im Hinblick auf die EagleBurgmann Gleitringdichtungen
zur Anwendungs- und Serienreife gebracht. Die wesentliche
Motivation für die Entwicklung eines Diamant-Keramik-
Systems bestand für EagleBurgmann in der Verlängerung
der Lebenszeit der Dichtungen und damit der Erhöhung der
Anlagenverfügbarkeit beim Kunden. Durch die Entwicklung
von diamantbeschichteten Gleitringdichtungen wurde in
verschiedensten kritischen Anwendungen die Lebenszeit der
Dichtungen extrem verlängert.
Die Beschichtungstechnologie wurde vom Fraunhofer IST in
das sehr erfolgreiche Unternehmen Condias eingebracht,
in dem die DiamondFaces®--Beschichtung im industriellen
Umfang stattfindet. Auf der Basis der weiteren intensiven
Zusammenarbeit mit den Fraunhofer-Instituten und Condias
werden die Einsatzgrenzen des Diamant-Keramik-Systems
weiter gesteigert und neue Anwendungsgebiete erschlossen.
Dazu zählen zum Beispiel die weitere Verringerung des
Reibwertes, der Einsatz in Gasdichtungen und die Optimierung
des Beschichtungsverfahrens. Die Anpassung der Technologie
aus dem Kuratoriumfür Gleitlager wird neue Türen im Bereich energieeffizienter
Maschinen und Anlagen öffnen. Die fruchtbare Zusammen-
arbeit und zügige Überführung eines Forschungsprojektes
in ein verkaufsfähiges Produkt wurde mit mehreren Preisen
belohnt: dem Technologietransferpreis der IHK Braunschweig,
dem Stifterverbandspreis 2010, dem Best Practice Award der
amerikanischen Unternehmensberatung Frost & Sullivan und
dem Innovation Award 2008 des amerikanischen Magazins
Flow Control, das jährlich überragende Leistungen in der
Fluid-Handling-Technologie auszeichnet. Das sind nationale
und internationale Auszeichnungen und Anerkennungen, auf
die alle Beteiligten sehr stolz sein können. Aber entscheidend
für die Erfolge sind die Menschen hinter diesen Projekten
und Vorhaben. Die Begeisterung für neue Technologien der
Verbundpartner motivieren die Mitarbeiter des Fraunhofer IST
und umgekehrt, kontinuierlich mit großer Einsatzbereitschaft
und Know-how die Forschungsarbeiten voranzutreiben. Die
vertrauensvolle und offene Kommunikation zwischen allen
Beteiligten bildet dabei die Basis für schnelle Fortschritte der
Entwicklungen. Die Arbeit im Kuratorium unterstützt die an-
wendungsorientierte Ausrichtung der Forschung. Interessante
Präsentationen der neuesten Forschungsergebnisse werden
begleitet von anwendungsorientierten Hinweisen und Anre-
gungen der Partner aus der Industrie und den Forschungsein-
richtungen vom Bund und dem Land Niedersachsen. So ist
das Fraunhofer IST für die Zukunft auch weiterhin exzellent
aufgestellt.
Dr.-Ing. W. SteinbachEagleBurgmann Germany GmbH & Co. KG
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Das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST bündelt als industrienahes
FuE-Dienstleistungszentrum Kompetenzen auf den Gebieten Schichtherstellung, Schichtanwen-
dung, Schichtcharakterisierung und Oberflächenanalyse. Zahlreiche Wissenschaftler, Techniker
und Ingenieure arbeiten daran, Oberflächen der verschiedensten Grundmaterialien neue oder
verbesserte Funktionen zu verleihen, um auf diesem Wege innovative, marktgerechte Produkte
zu schaffen. Zurzeit ist das Institut in diesen Geschäftsfeldern tätig:
Maschinenbau und Fahrzeugtechnik
Luft- und Raumfahrt
Werkzeuge
Energie, Glas und Fassade
Optik, Information und Kommunikation
Mensch und Umwelt
Zur Bearbeitung dieser Geschäftsfelder nutzt das Fraunhofer-Institut seine Kompetenzen in den
folgenden Bereichen:
Reibungsminderung und Verschleißschutz
Superharte Schichten
Niederdruckverfahren
Simulation
Atmosphärendruckverfahren
Elektrische und optische Schichten
Mikro- und Nanotechnologie
Analytik und Prüftechnik
das institut im profil
Entsprechend dem Querschnittscharakter von Schicht- und Oberflächentechnologien
kooperiert das Institut mit einer großen Zahl von Lohnbeschichtern, Anlagenbauern und
Schichtanwendern aus den unterschiedlichsten Branchen. Die wichtigsten sind Maschinenbau,
Verkehrstechnik, Fertigungstechnik, Elektronik, Optik, Informations-, Energie-, Medizintechnik
und Biotechnologie.
106 feste Mitarbeiter bearbeiten auf einer Büro- und Laborfläche von mehr als 4000 m2
vielfältige Forschungsaufträge, wobei das Leistungsangebot des Fraunhofer IST durch die
Kompetenzen anderer Institute des Fraunhofer-Verbunds »Light & Surfaces« ergänzt wird.
Viele Projekte werden mit öffentlichen Mitteln des Landes Niedersachsen, des Bundes, der
Europäischen Union und anderer Institutionen gefördert.
Wichtige Ziele des Fraunhofer IST:
Schnelle Umsetzung innovativer Lösungen aus anwendungsorientierter Forschung und Entwicklung in die industrielle Praxis,
Etablierung neuer zukunftsweisender Technologien am Markt und
Transfer dieser innovativen Technologien zu kleinen und mittleren Unternehmen.
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Mitarbeiterentwicklung
Die Zahl der Beschäftigten ist mit 106 Mitarbeitern konstant
geblieben. Wie im Jahr zurvor entfällt die Hälfte der Stellen
dabei auf wissenschaftliches Personal, Doktoranden und
Ingenieure. Die Forschungsarbeit wird durch technisches Per-
sonal, studentische Hilfskräfte und Diplomanden unterstützt.
Alle administrativen Aufgaben werden vom kaufmännischen
Personal übernommen. Am Institut werden derzeit fünf junge
Mitarbeiter zu Physiklaboranten und Fachinformatikern der
Fachrichtung Systemintegration ausgebildet.
das institut in ZahlenBetriebshaushalt
Der Betriebsaufwand liegt bei insgesamt 12,1 Mio € . Der
Personalaufwand wuchs im Vergleich zum Vorjahr um eine
halbe Million Euro an und beträgt nunmehr knapp 7 Mio €.
Dabei haben die Personalkosten einen Anteil von knapp
60 Prozent am Betriebshaushalt.
ertragsstruktur
Das WirtschaftsRho des Vorjahres von 36,6 Prozent konnte auf
43,1 Prozent gesteigert werden. Für das Jahr 2010 konnten
5,2 Mio € erwirtschaftet werden, was gegenüber 2009 eine
deutliche Steigerung bedeutet. Die öffentlichen Erträge betragen
in 2010 3,4 Mio €. Insgesamt konnten die externen Erträge
also um 600 T€ auf 8,6 Mio € gesteigert werden. Durch das
positive operative Ergebnis wurde die Institutsrücklage erneut
aufgestockt.
Investitionshaushalt
2010 wurden ca. 1,4 Mio € für Investitionen ausgegeben.
Ein Drittel dieser Ausgaben wurden für Normalinvestitionen
getätigt. Weitere Investitionen wurden im Rahmen von
Sonderzuwendungen ermöglicht.
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Anzahl der Mitarbeiter.
Mitarbeiter
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2003 04 05 06 07 08 09 10
Personal- und Sachkosten.
Sachkosten
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Mio
€
Ertragsstruktur.
Wirtschaftserträge
Öffentliche Erträge
Grundfinanzierung
Interne Programme
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
02003 04 05 06 07 08 09 10
Mio
€
Investitionen.
Erstausstattung
Projektinvestitionen
Normal- und strategische Investitionen
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Prof.Dr.GünterBräuer Dipl.-Ing.WolfgangDiehl Dr.SimoneKondruweit
Dr.KlausBewilogua Dr.JochenBrand Prof.Dr.Claus-PeterKlages Dr.LotharSchäfer
Dr.RalfBandorf
Dr.MichaelThomasDr.AndreasPflug
Dr.KirstenSchiffmann
Dr.ThomasJung
Dr.MichaelVergöhl
Dr.AndreasDietz
Dr.BerndSzyszka
Dr.SaskiaBiehl
Dipl.-Kaufm.MichaelKaczmarek
ihre ansprechpartnerDas 1990 gegründete Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST ist Ihr
Ansprechpartner für alle Fragen zur Dünnschichttechnologie. In der Organisation gibt es neben
der Geschäftsleitung und dem Marketing sieben Abteilungen:
Transferzentrum Tribologie
Neue tribologische Beschichtungen
Diamanttechnologie
Optische und elektrische Schichten
Optische Funktionsschichten
Sensorische Funktionsschichten
Mikro- und Sensortechnologie
Großflächenbeschichtung
Magnetron-Sputtern
Hohlkathodenverfahren
Simulation
Atmosphärendruckverfahren
Galvanotechnologie
Atmosphärendruck-Plasmaverfahren
Analytik und Qualitätssicherung
InSTITuTSleITung TranSFerzenTruM TrIBologIe Dr.-Ing. Jochen Brand Telefon +49 531 2155-600 | jochen.brand@ist.fraunhofer.de
Prof. Dr. Günter BräuerTelefon +49 531 2155-500guenter.braeuer@ist.fraunhofer.de
Prototypen- und Kleinserienfertigung | Anlagenkonzeptionierung | Plasmadiffusion | Reinigungstechnologie
DorTMunDer oBerFläChenCenTruM DoCDipl.-Ing. Hanno PaschkeTelefon +49 231 844 5453 | hanno.paschke@ist.fraunhofer.de
STellVerTreTenDer InSTITuTSleITer neue TrIBologISChe BeSChIChTungen Dr. Klaus Bewilogua Telefon +49 531 2155-642 | klaus.bewilogua@ist.fraunhofer.de
Dipl.-Ing. Wolfgang DiehlTelefon +49 531 2155-515wolfgang.diehl@ist.fraunhofer.de
Kohlenstoffbasierte Schichten (DLC) | Harte und superharte Schichten | Definierte Benetzung | Werkzeugbeschichtungen (Umformen, Schneiden, Zerspanen) | PVD- und PACVD-Prozesse
DIaManTTeChnologIe Dr. Lothar Schäfer Telefon +49 531 2155-520 | lothar.schaefer@ist.fraunhofer.de
Werkzeuge und Bauteile | Diamantelektroden für elektrochemische An-wendungen | Diamantbeschichtete Keramiken DiaCer® | Heißdraht-CVD-Prozesse | Großflächige Heißdraht-CVD-Systeme | Heißdraht-CVD von siliziumbasierten Schichten für die Photovoltaik und die Mikroelektronik
VerwalTung oPTISChe unD elekTrISChe SChIChTen Dr. Michael Vergöhl Telefon +49 531 2155-640 | michael.vergoehl@ist.fraunhofer.de
Dipl.-Kaufmann Michael KaczmarekTelefon +49 531 2155-220 | michael.kaczmarek@wki.fraunhofer.de
oPTISChe FunkTIonSSChIChTenDr. Michael VergöhlTelefon +49 531 2155-640 | michael.vergoehl@ist.fraunhofer.de
Optische und elektrische Schichtsysteme | Prozessentwicklung | Materialentwicklung
SenSorISChe FunkTIonSSChIChTenDr. Ralf BandorfTelefon +49 531 2155-602 | ralf.bandorf@ist.fraunhofer.de
Sensorische Multifunktionsschichten | Hochionisierte Pulsprozesse (HIPIMS) | Mikrotribologie
MIkro- unD SenSorTeChnologIeDr. Saskia BiehlTelefon +49 531 2155-604 | saskia.biehl@ist.fraunhofer.de
Dünnschichtsensorik | Mikrostrukturierung 2-D und 3-D | Adaptronische Schichtsysteme
MarkeTIng unD koMMunIkaTIon groSSFläChenBeSChIChTung Dr. Bernd Szyszka Telefon +49 531 2155-641 | bernd.szyszka@ist.fraunhofer.de
Dr. Simone KondruweitTelefon +49 531 2155-535 | simone.kondruweit@ist.fraunhofer.de
MagneTron-SPuTTern
Dr. Bernd SzyszkaTelefon +49 531 2155-641 | bernd.szyszka@ist.fraunhofer.deGroßflächenelektronik | Prozesstechnologie | Transparente und leitfähige Schichtsysteme | Prozesssimulation | Neue Halbleiter für Photovoltaik und Mikroelektronik
hohlkaThoDenVerFahrenDr. Thomas JungTelefon +49 531 2155-616 | thomas.jung@ist.fraunhofer.de
Plasmaquellen | Hochratenverfahren | Oxid- und C-Schichten | Erosionsschutzschichten
SIMulaTIonDr. Andreas PflugTelefon +49 531 2155-629 | andreas.pflug@ist.fraunhofer.de
Anlagen- und Prozessentwicklung | Simulation von Schichteigenschaften | Virtuelle Prozessanalyse
aTMoSPhärenDruCkVerFahren Prof. Dr. Claus-Peter Klages Telefon +49 531 2155-510 | claus-peter.klages@ist.fraunhofer.de
aTMoSPhärenDruCk-PlaSMaVerFahrenDr. Michael ThomasTelefon +49 531 2155-525 | michael.thomas@ist.fraunhofer.de
Biofunktionale Oberflächen | Mikroplasmen | Niedrig-Temperatur-Bonden | Oberflächenfunktionalisierung und -beschichtung
galVanoTeChnologIeDr. Andreas DietzTelefon +49 531 2155-646 | andreas.dietz@ist.fraunhofer.de
Komposite | Leichtmetallbeschichtung | Verfahrensentwicklung | Kunststoffmetallisierung
analyTIk unD QualITäTSSICherung Dr. Kirsten Schiffmann Telefon +49 531 2155-577 | kirsten.schiffmann@ist.fraunhofer.de
Chemische Mikro- und Oberflächenanalyse | Mikroskopie und Kristallstruktur | Prüftechnik | Kundenspezifische Prüfverfahren | Auftragsuntersuchungen
or
ga
nis
ati
on
ss
tru
Ktu
r
20
F r a u n h o F e r I S T
21
F r a u n h o F e r I S T
forschungs- und dienstleistungsangebot Vorbehandlungwir reinigen oberflächen
Erfolgreiche Beschichtungen setzen eine richtige Vorbehand-
lung der Oberfläche voraus. Wir bieten daher:
Effiziente Oberflächenvorbehandlung auf wässriger Basis inklusive Trocknung
Spezielle Glasreinigung
Plasmavorbehandlung und Plasmareinigung
Plasmaaktivierung und Plasmafunktionalisierung
Nasschemische Ätzvorbehandlung
Partikelstrahlen
beschichtungwir entwickeln Prozesse und Schichtsysteme
Dünne Schichten sind das Kern geschäft des Fraunhofer
IST. Zur Schicht herstellung verfügt das Institut über ein
brei tes Spektrum an Technologien: Von der Plasma-
beschichtung im Vakuum und bei Atmosphärendruck
über Heißdraht-CVD-Verfahren bis hin zur Gal vanik. Unser
Leistungsangebot um fasst:
Schichtentwicklung
Prozesstechnik (einschließlich Prozessdiagnostik, -modellierung und -regelung)
Simulation von Schichtsystemen und Prozessen
Entwicklung von Anlagenkomponenten und -verfahren
prüfung und charaK terisierungwir sichern Qualität
Eine schnelle und zuverlässige Analytik und Qualitätssicherung
ist die Voraussetzung für eine erfolgreiche Schicht entwicklung.
Wir bieten unseren Kunden:
Mechanische, chemische, mikro morphologische und strukturelle Charakterisierung
Prüfverfahren und produktspezifische Qualitätskontrollen, z. B. Verschleißmessung an beliebigen Bauteilen
Prüfung der Schichthaftung
Optische und elektrische Charakterisierung
Schnelle und vertrauliche Schadensanalyse
Prüfung der Korrosionsbeständigkeit
anwendungwir übertragen Forschungsergebnisse in die Praxis
Für einen effizienten Transfer von Technologien in die Praxis
bieten wir ein breites Spektrum an Know-how:
Wirtschaftlichkeitsberechnungen, Entwicklung wirtschaftlicher Produktionsszenarien
Prototypenentwicklung, Klein serienfertigung, Beschichtung von Musterbauteilen
Anlagenkonzepte und Fertigungsintegration
Beratung und Schulungen
Produktionsbegleitende Forschung und Entwicklung
22
F r a u n h o F e r I S T
23
F r a u n h o F e r I S T
analytiK und Qualitätssicherung Produktionsanlagen für a-C:H:Me, a-C:H, Hartstoff-
Schichten (bis 3 m3 Volumen)
Beschichtungsanlagen auf der Basis der Magnetron- und RF-Dioden- Zerstäubung
Sputteranlagen für optische Präzisionsschichten
In-line-Beschichtungsanlage für groß flächige optische Funktions schichten (bis 60 × 100 cm2)
Industrielle Beschichtungsanlagen mit HIPIMS-Technologie
PVD-Beschichtungsanlage (Elektronenstrahl und thermisch)
Plasmadiffusionsanlagen
Anlagen für Hohlkathodenverfahren
Atomlagenabscheidung (ALD) Beschichtungsanlage für thermische und Plasma-ALD
Heißdraht-CVD-Anlagen für die Abscheidung von kristallinen Diamantschichten auf Flächen bis 50 x 100 cm2
Heißdraht-CVD-Anlagen für die Abscheidung von Silizium-basierten Schichten (Chargenverfahren und Durchlaufverfahren bis 50 × 60 cm2)
Anlagen für die Abscheidung mittels plasmaaktiviertem CVD (PACVD)
Atmosphärendruck-Plasma anlagen zur großflächigen Funktionalisierung und Beschichtung (bis 40 cm Breite)
Mikroplasmaanlagen zur selektiven Funktionalisierung von Oberflächen (bis ∅ = 20 cm)
Bond-Aligner mit integriertem Plasmatool zur Vorbehand-lung von Wafern im Reinraum
Rolle-zu-Rolle-Anlage zur ortsselektiven Oberflächenfunktionalisierung
Anlage zur Innenbeschichtung von Beuteln oder Flaschen
Laser für 2-D und 3-D-Mikrostrukturierung
Zwei Mask Aligner für photolithographische Strukturierung
Mikrostrukturierungslabor (40 m2 Reinraum)
Technikumsanlage für galvano technische Prozesse
Z15-stufige Reinigungsanlage auf wässriger Basis
Reinraum Technikum (25 m²)
Reinraum Sensorik (35 m²)
laborausstattung und grossgeräte Hochauflösendes Rasterelektronenmikroskop mit energiedi-
spersiver Röntgenspektroskopie (EDX)
Elektronenstrahl-Mikrosonde (WDX)
Sekundärionen-Massenspektro meter (SIMS)
Röntgen-Diffraktometer zur Strukturanalyse und für Reflektrometrie-Messungen (XRD, XRR)
Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS)
Glimmentladungsspektroskopie (GDOES)
Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskop (STM,AFM)
Mikro- und Nanoindentor zur Härteprüfung
Optische und taktile Profilometrie
Automatisierte, zerstörungsfreie Schicht dickenmessung
Prüfeinrichtungen für Reibung, Verschleiß und Schichthaftung
Prüfeinrichtung für Korrosionsmessung
IR- und UV/VIS-Spektrometer und Ellipsometer
Messeinrichtungen für Oberflächen energie
Einrichtungen für Korrosions- und Klimatests nach DIN EN
Messeinrichtungen für elektrische und magnetische Schicht eigenschaften
Testsysteme für die elektrochemische Abwasserbehandlung
Messgeräte und Verfahren zur Charakterisierung der photokatalytischen Aktivität
Messplatz für die Charakterisierung von Solarzellen
25
M a S C h I n e n B a u u n D F a h r z e u g T e C h n I k
Im Geschäftsfeld »Maschinenbau und Fahrzeugtechnik« werden Schichtsysteme und Oberflä-
chentechniken zur Reibungsminderung, zum Verschleiß- und Korrosionsschutz entwickelt und
anwendungsorientiert optimiert. Neben der Schichtanpassung an spezielle Applikationen sowie
der Entwicklung neuartiger Schichtsysteme steht die Entwicklung und Umsetzung produkt- und
produktionsangepasster Beschichtungsprozesse im Vordergrund. In diesem Jahr konnten
erfolgreiche Arbeiten z. B. auf folgenden Gebieten durchgeführt werden:
Nanocontainer – Kleine Teile, große Wirkung
P3T – Neuartige Technologie zur Herstellung flexibler Elektronik
Nanokomposite für Sputter-Dehnungsmessstreifen
Zu den Kunden dieses Geschäftsfeldes zählen neben Schichtherstellern vor allem Schichtan-
wender aus allen Bereichen des Maschinenbaus und der Automobilindustrie.
maschinenbau und fahrZeugtechniK
KontaKtDr. -Ing. Jochen Brand
Telefon + 49 531 2155-600
jochen.brand@ist.fraunhofer.de
Dipl. -Ing. Carola Brand
Telefon + 49 531 2155-574
carola.brand@ist.fraunhofer.de
26 27
M a S C h I n e n B a u u n D F a h r z e u g T e C h n I k
eigenschaften von nanocontainern
Nanocontainer sind mesoporöse Partikel z. B. aus Titandioxid,
die mit Polyelektrolyten (PE) umhüllt werden. Polyelektrolyten
sind wasserlösliche Polymere, die anionische oder kationische
Ladungen tragen. Bekannte PE sind z. B. Polyallylamin-
Hydrochlorid (PAH+) oder Polyacrylsäure (PAA-). Die Nanocon-
tainer werden abwechselnd mit unterschiedlich geladenen
PE umhüllt (Layer-by-Layer-Technology, LBL). Abhängig vom
letzten PE trägt die Hülle der Nanocontainer dann entweder
eine negative oder positive Ladung.
Selbstorganisierende Monoschichten kleben
nanocontainer fest
Diese mesoporösen Partikel lassen sich dann auf dem zu be-
schichtenden Substrat durch eine selbstorganisierende Mono-
schicht (Self Assembled Mono layer: SAM-Layer) fixieren. Dazu
wird das Werkstück vorher galvanisch mit einer dünnen Gold-
schicht überzogen. SAM-Schichten bestehen aus langkettigen
Kohlenstoffmolekülen, an deren einem Ende eine Thiolgruppe
(-SH) hängt. Diese Thiolgruppe verbindet sich fest mit der
Goldoberfläche. Am anderen Ende der SAM-Schicht befindet
sich eine funktionelle Gruppe, die eine elektrische Ladung tra-
gen kann. Wenn diese Gruppe die entgegengesetzte Ladung
der Nanocontainer trägt, verhilft das den Partikeln zu einer
haftfesten Anbindung. Bei der nachfolgenden galvanischen
Metallisierung, z. B. mit Nickel oder Zink bleiben die Partikel
an der Oberfläche haften und werden von dem Metall um-
hüllt. Diese Partikel können im Falle einer Beschädigung ihren
Wirkstoff freisetzen und bilden somit die Grundlage zu einer
selbstheilenden Schicht.
Tiefenprofil einer galvanisch abgeschiedenen Schicht mit
Selbstheilungseffekt.
C O S Ti
Fe Ni Au
Kon
zent
ratio
n [a
t%]
Tiefe [µm]
100,00
10,00
1,00
0,10
0,010 0,50 1,00 1,50
Hochleistungsschichten für Verschleißschutz- oder auch An-
tihaftungsanwendungen werden bisher häufig mit kommer-
ziellen Verfahren wie der Abscheidung von PTFE in Chemisch
Nickel oder SiC in Nickel realisiert. Bei beiden Prozessen ist die
Abscheidung flüssiger oder chemisch aktiver Substanzen nur
dann möglich, wenn sie vorher in Nanocontainern mit einem
Durchmesser von durchschnittlich 200 nm gespeichert und
dann mit einer Polymerhülle umhüllt werden. Auf diese Weise
können die Partikel gleichmäßig in die Metallmatrix eingebaut
werden.
galvanische Dispersionsabscheidung
Am Fraunhofer IST wurde auf Basis der galvanischen Disper-
sionsabscheidung ein neues Konzept mit funktionalisierten
Nanocontainern entwickelt, mit dem Partikel aus flüssigen
Substanzen nicht nur in die Matrix, sondern auch direkt
an der Substratoberfläche fixiert werden können, um z. B.
spezielle Wirkstoffe in hoher Konzentration dort zu platzieren,
wo sie benötigt werden. Die Grundlagen dazu wurden am
Fraunhofer IST im Rahmen eines von der VW-Stiftung geför-
derten Projektes erarbeitet.
nanocontainer – Kleine teile, grosse wirKung
1 2
KontaKtDr. Andreas Dietz
Telefon +49 531 2155-646
andreas.dietz@ist.fraunhofer.de
Metal l i sche Oberf lächen lassen s ich modif iz ieren, wenn in ihre Matr ix k le ine Nanocontainer e ingebaut
werden, die spezie l le Wirkstoffe enthalten. Mit der am Fraunhofer IST entwickelten neuen Methode lassen
s ich die Part ikel jetzt se lekt iv genau dort e inbauen, wo s ie benöt igt werden.
1 Schema einer selbst-
heilenden Schicht mit
Nanocontainern.
2 »Element mapping«
eines Querschliffs:
Blau: Nickel, Rot: Titan,
Gelb: Gold, Grün: Eisen.
1 µm
28 29
M a S C h I n e n B a u u n D F a h r z e u g T e C h n I k
die für den Erfolg des nachfolgenden Metallisierungsprozesses
erforderlichen stickstoffhaltigen Gruppen auf der Polymerober-
fläche erzeugt werden. Eine definierte Gasatmosphäre in der
Plasmazone wird über ein nahe der Elektrode positioniertes
Gasdüsensystem erzeugt.
Materialsparende additivtechnik bei der Metallisierung
Die plasmafunktionalisierten Bereiche der Folie werden
durch außenstromlose oder in einem zweiten Schritt durch
galvanische Verfahren selektiv metallisiert. Im Gegensatz
zu oft verwendeten Subtraktivverfahren können mit dem
am Fraunhofer IST entwickelten Verfahren Prozessschritte,
Ätzchemikalien und vor allem wertvolles Metall, wie z. B.
Kupfer eingespart werden, aufwendige Recyclingprozesse
entfallen. Nach der Metallisierung erfolgt die Bestückung im
Rolle-zu-Rolle-Verfahren und das Verlöten mit neuartigen
energiesparenden Reflow-Lötprozessen.
ausblick
Kosteneffizienz und Eignung des P3T-Konzeptes für die
ressourcenschonende Massenproduktion sollen in einer pro-
totypischen Produktionslinie, die alle Prozessschritte enthält,
demonstriert werden.
Schematische Darstellung des Plasma-Printing »Rolle-zu-
Rolle«.
Prozessgas
Anpress-mechanismus
Folie
Zylinder mit gravierten Strukturen
Hochspannungs-elektrode
Plasma-Printing von rolle-zu-rolle
Der Anlagenaufbau zur kontinuierlichen Durchführung des
Plasma-Printing besteht aus einer tiefgravierten metallischen
Walze und einer feststehenden Hochspannungselektrode,
die mit einem isolierenden Material als Dielektrikum umhüllt
ist. Die metallische Walze ist gleichzeitig Gegenelektrode.
Während der Plasmabehandlung rotiert die Walze zusammen
mit der Folie, so dass sie von der Hochspannungselektrode
gegen die Walzenoberfläche gedrückt wird. Die Vertiefungen
der Walzenstrukturen bilden zusammen mit der darüber
laufenden Folie gasgefüllte Mikrohohlräume, in denen dielek-
trisch behinderte Entladungen generiert werden (Graphik).
Auf diese Weise wird das Druckbild der Walze, also z. B. die
Leiterbahnstruktur, in Form einer ortsselektiven chemischen
Funktionalisierung auf die Folienoberfläche übertragen. Das
Plasma-Printing wird z. B. mit Mischungen aus Stickstoff,
Wasserstoff und Helium als Prozessgas durchgeführt, damit
p3t – neuartige technologie Zur herstellung flexibler eleKtroniK
KontaKtDr. Jochen Borris
Telefon +49 531 2155-666
jochen.borris@ist.fraunhofer.de
Dr. Michael Thomas
Telefon +49 531 2155-525
michael.thomas@ist.fraunhofer.de
Im BMBF-Verbundprojekt »Plasma Pr int ing & Packaging Technology – P3T« steht, entwickelt das Fraunhofer
IST zusammen mit Partnern aus Industr ie und Wissenschaft e ine neuart ige Rol le-zu-Rol le-Technologie zur
Herste l lung von f lex ib len Leiterplatten, RF ID-Antennen und Biosensoren. Die P3T-Prozesskette beginnt mit
dem Plasma-Pr int ing-Prozess, bei dem eine Fol ie durch ortsse lekt ive P lasmamodif iz ierung mit Mikroplas-
men bei Atmosphärendruck struktur iert wird. Dann folgen nasschemische Metal l i s ierung, Bestückung und
Ver lötung. Z ie l i s t es, e inen kosten- und ressourceneff iz ienten Prozess zu entwickeln.
1 Anlage zur Durchfüh-
rung des Plasma-Printing im
Rolle-zu-Rolle-Prozess.
2 Mittels P3T hergestellte
RFID-Antennenstruktur auf
Polymerfolie.
1 2
30 31
M a S C h I n e n B a u u n D F a h r z e u g T e C h n I k
nanokomposite für DMS
Nach aktuellen Untersuchungen bestehen Nanokomposit-
schichten, die sich für Dehnungsmessstreifen eignen, aus
halbleitenden Matrixschichten mit eingelagerten metallischen
Partikeln. Diese Partikel haben idealerweise eine Größe von
wenigen Nanometern. Interessante Nanokomposit-Schichten
sind z. B. metallhaltige DLC-Schichten (Me-DLC). Der Wider-
stand der halbleitenden DLC-Schicht hat einen negativen
Temperaturkoeffizienten (NTCR) und die metallischen Partikel
haben einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTCR). Das
unterschiedliche Temperaturverhalten führt bei geeignetem
Materialverhältnis zu einem temperaturunabhängigen
Widerstand. Darüber hinaus ist der Widerstand der Schichten
abhängig vom Abstand der elektrisch leitfähigen Partikel
untereinander und ändert sich somit deutlich stärker unter
Dehnung als bei reinen Metallschichten. Mit Me-DLC sind
temperaturkompensierte DMS-Sensorschichten mit k-Faktoren
über 10 realisierbar. In der nebenstehenden Graphik sind die
k-Faktoren von Me-DLC-Schichten mit drei unterschiedlichen
Metallen dargestellt. Die besten Ergebnisse wurden bisher mit
nickelhaltigen DLC-Schichten (Ni-DLC) erreicht.
Weitere interessante Nanokomposite sind Ti-Si-C-Schichten.
Beim Sputtern vom Ti3SiC2-Target entstehen Schichten mit
nanokristallinen TiC-Partikeln (PTCR) in einer amorphen
SiC-Matrix (NTCR). Obwohl diese Schichten mit k-Faktoren von
ungefähr 2 keine hohe Dehnungsempfindlichkeit besitzen,
sind sie für Hochtemperaturanwendungen dennoch von
Interesse, da erste Untersuchungen sehr niedrige Temperatur-
koeffizienten und eine Temperaturstabilität bis
700 °C zeigen.
Dehnungsempfindlichkeit verschiedener Me-DLC-Schichten
(k-Faktor) in Abhängigkeit vom Metallgehalt der DLC-
Schicht.
k-Fa
ktor
Me/(Me+C) [at %]
Ni-DLC Fe-DLC Cu-DLC
20 30 40 50 60 70 80 900
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
hohe Messgenauigkeit von Dehnungsmessstreifen
Sputter-DMS besitzen eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber
herkömmlichen Folien-DMS. Sie können z. B. mit einem sehr
hohen Automatisierungsgrad und hoher Positionsgenauigkeit
aufgebracht werden und durch ihre geringe Schichtaufbau-
höhe von nur wenigen Mikrometern einfacher in vorhandene
Bauteile integriert werden. Besonders interessant für eine
hohe Messgenauigkeit ist jedoch die deutlich erhöhte Deh-
nungsempfindlichkeit spezieller gesputterter Nanokomposit-
Schichten im Vergleich zu herkömmlichen Metallfolien.
wichtige größen bei der Materialentwicklung für DMS
Dehnungsmessstreifen nutzen das Prinzip der Änderung des
elektrischen Widerstandes unter Dehnung. Der sogenannte
k-Faktor ist ein Maß für die Dehnungsempfindlichkeit des
DMS. Die üblicherweise genutzten Metalle haben einen
k-Faktor von ungefähr 2, andere Materialien können jedoch
deutlich höhere k-Faktoren erreichen. So werden bei Halblei-
tern k-Faktoren > 100 gemessen. Allerdings sind Halbleiter
nur bedingt für den Einsatz in DMS geeignet, denn sie haben
einen stark temperaturabhängigen Widerstand, der durch den
Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands (TCR)
beschrieben wird. Interessant für die DMS-Entwicklung sind
insbesondere Materialien, die sowohl einen hohen k-Faktor als
auch einen Temperaturkoeffizienten nahe Null besitzen.
nanoKomposite für sputter-dehnungsmessstreifen
1
KontaKtUlrike Heckmann
Telefon +49 531 2155-581
ulrike.heckmann@ist.fraunhofer.de
Dr. Ralf Bandorf
Telefon +49 531 2155-602
ralf.bandorf@ist.fraunhofer.de
Mit gesputterten Dünnschichten als Sensorschichten in Dehnungsmessstre ifen werden die bereits heute
v ie lfä l t igen Einsatzbereiche von Dehnungsmessstre ifen (DMS) zukünft ig noch erweitert . Untersuchungen
an spezie l len Nanokompositen zeigen ein hohes Potenzia l für innovat ive Sputter-DMS mit verbesserten
E igenschaften.
1 Sputter-DMS auf
Kugellagerring.
33
l u F T- u n D r a u M F a h r T
Im Geschäftsfeld »Luft- und Raumfahrt« werden Verfahren und Schichten für Sonderwerk-
stoffe wie zum Beispiel Leichtbauwerkstoffe entwickelt, für die es oft noch keine etablierten
Beschichtungsverfahren gibt. Anwendungsgebiete sind überwiegend Verschleiß- und Korrosi-
onsschutz in der Luftfahrt sowie optische und elektrische Funktionen in der Raumfahrt. Zurzeit
werden im Fraunhofer IST folgende Themen behandelt:
Galvanische Metallisierung von CFK-Hohlleitern
Metallisierung von Titanbauteilen mit Kombinationsverfahren
Verschleißschutzschichten für Triebwerke in Düsenflugzeugen
Lagersensorik – Zustandsüberwachung in Flugzeugen
Entwicklung von Oberflächen für trennmittelfreie Formwerkzeuge
Galvanische Beschichtung von Magnesium für Leichtbau im Flugzeug
Zu den Kunden zählen Unternehmen aus der Luft- und Raumfahrtindustrie
sowie deren Zulieferer.
luft- und raumfahrt
KontaKtDr. Andreas Dietz
Telefon +49 531 2155-646
andreas.dietz@ist.fraunhofer.de
34 35
l u F T- u n D r a u M F a h r T
deteKtion Von lagerschäden durch integrierte dünnschichtsensoriK
beschäftigt. Da die Lasten in den Wälzflächen jedoch derart
hoch sind, dass die sensorischen Schichten vor Erreichen der
für die Luftfahrt geforderten Aktuatorlebensdauer verschlei-
ßen würden, wurde am Fraunhofer IST ein Anwendungsfall
mit dem Schichtsystem auf dem Außenring und außerhalb
der Hauptlastbereiche untersucht. Diese neuen Sensorsysteme
wurden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Flugsystem-
technik des deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR)
innerhalb des europäischen Projektes »More Open Electrical
Technologies« (MOET) entwickelt und am DLR hinsichtlich
der erforderlichen Empfindlichkeit und Anwendbarkeit für die
Zustandserkennung getestet.
Das piezoresistive Dünnschichtsystem
Auf die Stirnseite des Außenlagerringes wird im ersten
Beschichtungsschritt homogen eine 6 µm dicke amorphe
Kohlenwasserstoffschicht DiaForce® in einem PACVD-Prozess
abgeschieden. Um lokale Messstellen zu erzeugen, werden mit
Hilfe von einseitig adhäsiven Polyimidmasken, die mit einem
Lasersystem geschnitten wurden, im Lift-off-Prozess einzelne
Chromelektroden hergestellt. Nachfolgend werden die
Kontaktbereiche mit Gold beschichtet, so dass eine lötfähige
Verbindung entsteht. Alle Metallisierungen werden in PVD-
Prozessen abgeschieden. Zum Schluss wird auf die gesamte
Oberfläche, außer den Kontaktbereichen, eine elektrische
Isolations- und Verschleißschutzschicht SICON® abgeschieden
(Bild 1).
Detektion von lagerschäden an einem elektro-
mechanischen aktuator
Für die Versuche am DLR wird ein Aktuatorkomponenten-
teststand verwendet, der einen »Direct Drive« Aktuator
widerspiegelt. Der Prüfstand zur Untersuchung von Lagern
unterschiedlichster Schadenstypen und Schadensgrößen be-
steht aus einem permanent erregten Synchronmotor, der eine
Walzenumlaufspindel antreibt, die in Vierpunktlagern geführt
wird. Die Schädigung der Lager führt zu einer Veränderung
der Lastverteilung, die zur Anregung von Schwingungen führt,
welche sich durch das Schichtsystem messen lassen. In der
untenstehenden Graphik sind die gefilterten Signalverläufe
eines unbeschädigten (grün) und eines beschädigten (rot)
Lagers im Vergleich dargestellt.
Vergleich der Signalverläufe der Dünnschichtsensorik von
einem unbeschädigten und einem beschädigten Lager.
Span
nung
[mV
]
Zeit [s]
0,2
0,4
0
-0,2
-0,4
-0,6
-0,8
0,6
0,8
1,0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
anwendungsbereich »zivile luftfahrt«
Im Bereich der Flugsteuerungssysteme von Verkehrsflugzeu-
gen stellt die Anwendung elektrohydraulischer Aktuatoren
zur Ansteuerung der Ruderflächen noch immer den Stand der
Technik dar. Diese fluidischen Systeme bedeuten einen hohen
Wartungsaufwand und sind ein wesentlicher Kostentreiber
im Rahmen des Flugbetriebs. Der Trend sowohl im Bereich
der Flugsteuerungssysteme im Speziellen als auch anderer
Luftfahrzeugsysteme im Allgemeinen geht daher immer mehr
zu einem verstärkten Einsatz elektrischer bzw. elektrome-
chanischer Systeme. Diese elektromechanischen Stellsysteme
weisen jedoch sehr viele Komponenten auf, die mechanisch
miteinander interagieren, wodurch Verschleiß entsteht. Um die
Auswirkungen von einer einfachen Reduktion des Wirkungs-
grads bis hin zu irreversiblen Klemmfällen zu verhindern, wird
ein Zustandsüberwachungssystem integriert. Dessen Aufgabe
ist es, Fehler in einem möglichst frühen Stadium zu erkennen
und die Restlebensdauer des Stellantriebs zu prognostizieren.
Die hier beschriebene Dünnschichtsensorik ist ein integraler
Bestandteil dieses Systems.
Sensorsysteme zur zustandserkennung von aktuatoren
der primären Flugsteuerung
Die Integration von piezoresistiven Dünnschichtsystemen, die
direkt in der Laufbahn von Lagern die Belastungen detektie-
ren, ist ein Arbeitsgebiet, mit dem sich die Gruppe Mikro- und
Sensortechnologie am Fraunhofer IST schon seit Jahren
Mit dem Zie l , zuver läss ige und langzeitstabi le Sensorsysteme zu entwickeln, d ie Lagerschäden in der Lauf-
bahn frühzeit ig detekt ieren, wurden am Fraunhofer IST Dünnschichtsysteme auf der St i rnseite von Außen-
lagerr ingen aufgebaut und charakter is iert .
KontaKtDr.-Ing. Saskia Biehl
Telefon +49 531 2155-604
saskia.biehl@ist.fraunhofer.de
1 Lager mit sensorischem
Dünnschichtsystem.
2 VFW 614 ATTAS und A
380 ATRA aus der DLR Flug-
zeugflotte in Braunschweig.
1 2
36 37
l u F T- u n D r a u M F a h r T
neuartige Kompositschichten gegen partiKelerosion in gasturbinen
1 Am Schaden, den der
Einschlag eines einzelnen
Partikels erzeugt, lassen sich
die Erosionsmechanismen
gut studieren.
2 Beispiel für eine
metallisch-keramische Mehr-
lagenschicht nach einem
Erosionstest.
3 Der gradierte Verlauf
zwischen dem metallreichen
Schichtbeginn (unten) und
dem keramikreichen Schicht-
abschluss (oben) soll die
Spannungen während des
Partikeleinschlags gut
verteilen.
2 31
keramische-Mehrlagenschicht nach einem Erosionstest. Das
unterschiedliche Erosionsverhalten der metallischen (hellen)
und der keramischen (dunklen) Komponente ist in dem
terrassenförmigen Bereich gut zu sehen. Die lagenweise
Abscheidung ermöglicht interessante Freiheitsgrade, mit
denen etwa der Verlauf der Härte oder des E-Moduls an die
Belastungssituation angepasst werden kann. Als Beispiel
wird in Bild 3 ein gradiertes Schichtsystem gezeigt, dessen
keramischer Anteil zur Oberfläche hin zunimmt. Ziel solcher
Designs ist es, Spitzen mechanischer Spannungen am
Substrat-Interface während eines Partikel-Einschlags möglichst
gering zu halten. Neben dem metallischen oder keramischen
Charakter der Schichten lässt sich durch die Prozessparameter
auch die Kompaktheit und Mikrostruktur des Schichtsystems
beeinflussen – ein wichtiger Faktor, wenn es darum geht, ein
gutes Verhältnis zwischen Härte und Schichteigenspannung zu
erzielen.
Schicht- und Quellenentwicklung am IST
Im Rahmen eines vom BMBF geförderten Verbund-Forschungs-
projekts »Metall-Keramik-Viellagenschichten für den Erosions-
schutz von Gasturbinen« forscht das Fraunhofer IST zusam-
men mit Rolls-Royce Deutschland Ltd. & Co. KG, der Alstom
AG, der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus
und der KCS Europe GmbH. In Erosionstests unter realitäts-
nahen Bedingungen haben die Fraunhofer-Schichten ihre
Wirksamkeit bereits unter Beweis gestellt. Die deutlich längere
Standzeit der beschichteten Titanoberfläche gegen über einer
unbeschichteten Referenz ist in der Abbildung zu sehen.
Neben der Schichtentwicklung befasst sich das Fraunhofer IST
auch mit der Entwicklung von Gasfluss-Sputterquellen, die für
die Beschichtung komplex geformter Bauteile wie Verdichter-
schaufeln oder ganzer Verdichterscheiben angepasst sind.
Erosionsverhalten eines metallisch-keramischen Multilagen-
Schichtsystems auf Titanproben gegenüber der unbeschich-
teten Referenz bei flachem Erosionswinkel (30°).
Mas
seve
rlust
Pro
be
Masse Erosionsmedium
Ti6246 unbeschichtet
Ti6246 beschichtet
anforderungen an erosionsschutzschichten
Mit Relativgeschwindigkeiten bis etwa 400 m/s schlagen Par-
tikel unterschiedlicher Masse und Gestalt unter verschiedenen
Winkeln beispielsweise in die Oberfläche von Verdichterschau-
feln aus Titan ein. Schutzschichten, die aus Gewichts- und
Formerhaltungsgründen Dicken zwischen 10 und 30 µm
haben, müssen scharfkantigen Sandpartikeln standhalten,
deren Größe das Zehnfache der Schichtdicke erreichen kann.
Treffen Partikel unter flachem Winkel auf, »schälen« sie me-
tallische Oberflächen, was durch keramische Oberflächen mit
hoher Härte verhindert werden kann. Treffen dagegen große
Partikel unter steilem Winkel auf, versagen spröde Materialien
sehr schnell, da sich Risse bilden. Hier sind bruchzähe Metalle
mit hohem Elastizitätsmodul vorteilhaft. Metallisch-keramische
Komposit-Schichten, wie sie zurzeit am Fraunhofer IST
entwickelt werden, entfalten ihre Schutzwirkung auch unter
den unterschiedlichen Belastungssituationen.
gesputterte Metall-keramik-Multilagenschichten
Mit einem Hochrate-Sputterverfahren, dem Gasfluss-Sputtern
(GFS), werden am Fraunhofer IST alternierend keramische
Lagen hoher Härte und metallische Lagen mit hohem E-Modul
abgeschieden. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine metallisch-
F lugsand, Vulkanasche, E ispart ikel , aber auch Wassertropfen, die in F lugtr iebwerke gelangen, können
durch ihre erodierende Wirkung Schäden an bewegl ichen Tei len verursachen, die hohe Kosten erzeugen,
Wartungsinterval le verkürzen und auch die Eff iz ienz des Tr iebwerks reduzieren. Daher besteht in der Luft-
fahrt industr ie e in erhebl iches Interesse an le istungsfähigen eros ionsmindernden Schutzschichten. Dabei
ste l l t das komplexe Belastungsprof i l von Schicht und Bautei l , das beim Einschlag von Part ikeln vor l iegt,
hohe Ansprüche an ein inte l l igentes Schichtdes ign.
KontaKtDr. Kai Ortner
Telefon +49 531 2155-637
kai.ortner@ist.fraunhofer.de
39
w e r k z e u g e
Im Geschäftsfeld »Werkzeuge« kon zentriert sich das Fraunhofer IST u. a. auf diese Themen:
Verbesserung von Qualität und Leistungsfähigkeit bei Umform- und Schneidprozessen durch Antihaft - und Verschleißschutzbeschichtungen
Superharte Beschichtungen für Zerspanwerkzeuge
compeDIA®-Diamantschleif beläge für Präzisionsschleifwerk zeuge
Verschleißschutzschichten für die Warmumformung
Entwicklung von »intelligenten Werkzeugen« mit integrierten sensorischen Funktionen
Entwicklung von nanostrukturierten Kompositbeschichtungen
Wichtige Kunden dieses Geschäfts fel des sind Werkzeughersteller und Beschichtungsunterneh-
men sowie Werkzeuganwender z. B. aus dem Bereich Formenbau oder der Automobil industrie.
werKZeuge
KontaKtDr.-Ing. Jan Gäbler
Telefon +49 531 2155-625
jan.gaebler@ist.fraunhofer.de
Dr.-Ing. Martin Keunecke
Telefon +49 531 2155-652
martin.keunecke@ist.fraunhofer.de
40 41
w e r k z e u g e
OberflächenCentrum) und UMSICHT gelungen, ein industriell
nutzbares Werkstoffkonzept zur Verschleißlenkung zu finden.
Dabei werden verschleißbeständige und verschleißintensive
Zonen im Randbereich der Messerfreifläche angeordnet. In
einem speziell zur Abbildung extremer Abrasion konzipierten
Versuchsstand (Bild 2) werden mit Titandioxid gefüllte
Kunststoffstränge aus einem flexiblen PP-Typ geschnitten. Als
maßgebliche Prozesskennwerte werden über Konturvermes-
sungen und Kraftmessungen während des Schneidprozesses
der Messerverschleiß- und Schnittkraftverlauf erfasst.
Technische umsetzung
Das konventionelle Messer aus gehärtetem, kohlenstoffreichen
Stahl zeigt kontinuierlichen Verschleiß an der Schneide
(Graphik). Beim bionischen Messer zeigt sich nach kurzer
Zeit eine leichte Verringerung der Schnittkraft auf ein nahezu
konstantes Niveau. Das Verschleißvolumen ist taktil kaum noch
messbar, die Schneidkontur hat sich bereits nach wenigen
Schneidzyklen durch das tribologische System eingestellt
(Bild 3).
ausblick
Durch die systematische Herangehensweise ist es nun gelun-
gen ein erfolgreiches Behandlungskonzept zu entwickeln,
das im Verschleißverhalten dem bionischen Vorbild entspricht
und zukünftig auf verschiedene industrielle Schneidaufgaben
übertragen wird.
Spezifisches Verschleißvolumen (ermittelt aus Konturver-
messungen) in Abhängigkeit vom Schnittweg.
800
400
0
1200
1600
0 500 1000 1500 2000
Spez
. Ver
schl
eißv
ol. [
1000
µm
3 /m
m]
Schnittweg [m]
Rodentics®-Messer
Ausgangs-kontur
KonventionellesMesser
Vorbild natur
Wird der Zahn eines Nagetieres auf seinen mikrostrukturellen
Aufbau hin untersucht, zeigt sich ein äußerst komplex
aufgebautes System. Dieses besteht im hufeisenförmigen
äußeren Randbereich aus einem extrem verschleißfesten
Material, dem Zahnschmelz. Dieser ist gekennzeichnet
durch in alle Raumrichtungen geflochtene Strukturen aus in
gleicher Weise harten und elastischen Schmelzprismen. Diese
speziellen Strukturen im Schmelz werden Hunter-Schreger-
Bänder genannt. Die Spanfläche des Zahnes dagegen besteht
aus dem weichen, knochenähnlichen Dentin. Die extrem
haftfeste Verbindung beider Materialbereiche wird durch eine
dreidimensionale Verzahnungsstruktur, kombiniert mit einer
organischen Membran erreicht. Während des Gebrauchs ver-
schleißt die weiche Dentinfläche, so dass der darunterliegende
harte Zahnschmelz an der Schneidkante freigestellt wird. Der
Rattenzahn bleibt immer scharf.
werkstoffkonzeptentwicklung
In der technischen Nachbildung dieses Systems ist es den bei-
den kooperierenden Fraunhofer-Instituten IST (am Dortmunder
bionische behandlungsKonZepte für industriemesser
1 Versuchsmesser nach der
Rodentics-Behandlung in der
PACVD-Anlage.
2 Schneidanlage am
Fraunhofer UMSICHT mit
eingebautem Messer.
3 Messerkontur nach Ver-
schleißbeanspruchung von
25.000 Schnitten, Ansicht
des Querschliffes mit freiste-
hender Schneide (2300-fache
Vergrößerung).
KontaKtDipl.-Ing. Hanno Paschke
Telefon +49 231 844-5453
hanno.paschke@ist.fraunhofer.de
Aus der Natur kennen wir evolut ionäre Pr inzipien, die technischen Systemen tei lweise weit über legen s ind,
wie z. B. die Zähne von Ratten oder auch Biebern. Diese T iere s ind durch einen sehr spezif ischen Zahnauf-
bau in der Lage mit immer scharfen Werkzeugen auch äußerst harte Mater ia l ien wie Beton zu durchnagen.
Das zugrunde l iegende Schärfungspr inzip wurde mitte ls e ines angepassten Mater ia lkonzeptes, kombiniert
mit PACVD-Beschichtungstechnologien, erfolgreich für industr ie l le Schneidaufgaben nutzbar gemacht.
Das daraus result ierende RODENTICS©-Konzept wurde zusammen mit dem Fraunhofer UMSICHT in Ober-
hausen entwickelt .
2 31
42 43
w e r k z e u g e
Verschleißanalyse
Analysen der Testwerkzeuge zeigen im Bereich der am
stärksten beanspruchten Bereiche des Dorns signifikant unter-
schiedliche Verschleißbilder für die getesteten Varianten auch
in metallographischen Untersuchungen (Bild 2). Die Daten für
eine Verschleißauswertung in Bezug auf Adhäsion (positive
Werte) und Abrasion (negative Werte) wurden mit einer 3-D-
Koordinatenmessmaschine durch Vergleich der beanspruchten
Kontur mit der Ausgangskontur ermittelt (linke Graphik).
Verschleißanalyse von Schmiedeprozessen nach 3000
Umformoperationen bei 1150 °C.
Plasma-nitriert
Mono-schichtTi-B-N
8 LagenTi-B-N
25 LagenTi-B-N
Abr
asio
n [µ
m]
150
70
0
-30
-90
110
30
Die Streuung der Messwerte ist typisch für Schmiedeprozesse,
jedoch zeigt sich ein eindeutiger Trend bei der Bewertung der
unterschiedlichen Designvarianten. Im Ergebnis zeigen borar-
me Varianten mit hoher Periodizität das für diese Applikation
am besten geeignete Schichtdesign.
ausblick
Zurzeit wird in Industrieversuchen das Potenzial dieser
Schichtsysteme in der Produktion für den Anwendungsbereich
Warmumformung getestet. Weitere Arbeiten beschäftigen
sich mit der Kombination aus PACVD-Schichtsystemen und
Nitrierbehandlungen sowohl in kontinuierlichen als auch
zweistufigen Prozessen. Vorhergehende Untersuchungen
zeigen einen wesentlichen Einfluss der Behandlungsparameter
auf das Rissverhalten der Werkzeugoberflächen.
Schichtdesign des erfolgreich getesteten Mehrlagensystems
Ti-B-N (B' entspricht einem borarmen Standard).
Sputter Tiefe [nm]
Ato
mko
nzen
trat
ion
[%]
100
80
40
20
05000 1000 1500 2000 2500 3000
601000 µm
Ti BFe
B' NO CCr
Schichtdesign mit gradierten Systemen
Ternäre Systeme des Systems Ti-B-N besitzen hochinteressante
strukturelle Eigenschaften: Nach der PACVD-Abscheidung
werden Nanokomposite gefunden, die aus nanokristallinen
Anteilen von TiN und TiB2 sowie amorphen Phasen mit
unterschiedlichen Boranteilen bestehen. Im PACVD-
Beschichtungsprozess können nun Gradienten in der
Phasenverteilung bezüglich des Bor- und Stickstoffanteils
durch das Prozessgasangebot eingestellt werden. Dadurch
werden unterschiedliche Mehrlagensysteme möglich, die sich
im Design bezüglich der Phasenkomposition (Boranteile) und
der Lagenanzahl unterscheiden (rechte Graphik).
anwendungsuntersuchungen
In Kooperation mit dem Institut für Umformtechnik und
Umformmaschinen IFUM, Abteilung Massivumformung
in Hannover werden in gemeinsamen Industrieprojekten
unterschiedliche borhaltige Mehrlagendesigns mit plasma-
bzw. gasnitrierten Referenzen verglichen. Die gewählte
Dorngeometrie der Testwerkzeuge repräsentiert Schmiede-
gesenke mit extremen Konturen (Bild 1). Die durchgeführten
Umformprozesse in einer Exzenterpresse mit automatisiertem
Rohteilhandling und Kühlschmiersystem bilden reale Umform-
bedingungen reproduzierbar ab.
borhaltige werKZeugbeschichtungen für die warmumformung
1 Beschichtete Testwerk-
zeuge in der PACVD-Anlage.
2 Nitriertes Referenzwerk-
zeug, Verschleißbild an den
Dornen der Testwerkzeuges
nach 3000 Umformopera-
tionen bei 1150 °C. (links),
Testwerkzeug mit optimier-
tem Mehrlagensystem Ti-B-N,
Verschleißbild an den Dornen
der Testwerkzeuges nach
3000 Umformoperationen
bei 1150 °C (rechts).
KontaKtDipl.-Ing. Hanno Paschke
Telefon +49 231 844–5453
hanno.paschke@ist.fraunhofer.de
Die Oberf lächen von Werkzeugen für die Warmmassivumformung verschle ißen durch die hohen Umform-
kräfte und hohen Anwendungstemperaturen von über 900 °C, die zu Zunderbi ldung bei den umzuformen-
den Rohl ingen und Thermoschock-Belastungen während der Kühlschmierphase führen, sehr schnel l . Neue
ternäre Mehrlagen- PACVD-Schichtsysteme auf Bas is wechselnder Mater ia lzusammensetzungen hins icht-
l ich des Bor- , T i tan- und St ickstoffgehaltes zeigen v ie lversprechende Ansätze zur Entwicklung verschle iß-
reduzierender Werkzeugbeschichtungen.
1 2
44 45
w e r k z e u g e
Reißen der Bauteile und zu Schäden an der Oberfläche.
Verstärkt wird dieser Effekt durch Umformtemperaturen von
250 ° C – 950 ° C, die für die Verarbeitung von Titanlegie-
rungen notwendig sind. Dies stellt hohe Anforderungen an
Werkzeuge und Umformprozesse.
Forschungsschwerpunkte
Die Fraunhofer - Institute arbeiten an Lösungen in folgenden
Forschungsbereichen:
Entwicklung temperierter Umformprozesse zur Verbesse-rung des Umformvermögens von Titanlegierungen auf Basis des Hot-Gasforming (IWU)
Entwicklung von Werkzeugwerkstoffen für das Umformen von Titan im Temperaturbereich bis 950 °C (IKTS)
Entwicklung angepasster Werkzeugbeschichtungen zur Reduzierung von Reibung und Verschleiß (IST und IWS)
Bereitstellung von Materialkennwerten der relevanten Titanlegierungen und Simulation des Umformverhaltens (IWM)
Entwicklung angepasster Schneid- und Fügeverfahren zur
Weiterbearbeitung der Blechbauteile (IWU)
Titan als werkstoff
Der Werkstoff Titan ist für seine herausragenden Eigenschaf-
ten bekannt. Dazu gehören vor allem eine hohe spezifische
Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität.
Durch Legierungszusätze können diese Eigenschaften noch
weiter verbessert werden. Titanwerkstoffe haben daher
eine große Bedeutung für die Luft- und Raumfahrt, für die
chemische Industrie, für die Medizintechnik sowie für see-
wasserbeständige Bauteile. Titan ist das vierthäufigste Metall
der Erdkruste. Langfristig ist von einer guten Verfügbarkeit
und zunehmenden Anwendung auszugehen.
Problemstellung
Einer breiteren Anwendung der Titanwerkstoffe stehen zurzeit
hohe Kosten bei der Herstellung und Verarbeitung gegenüber,
da effiziente Umformverfahren, wie z. B. Tiefziehen oder
Innenhochdruck-Umformen nur mit großen Einschränkungen
angewendet werden können. Selbst dünnwandige komplexe
Bauteile werden daher meist spanend, z. B. durch Fräsen
aus dem Vollen hergestellt. Haupthinderungsgrund sind die
tribologischen Verhältnisse zwischen den Titanwerkstoffen
und dem Werkzeug. Titan neigt in besonders hohem Maße
zur Anhaftung auf der Werkzeugoberfläche. Es kommt zum
technologische grundlagen für die umformung Von titanlegierungenIn e inem Verbund mit den Fraunhofer- Inst i tuten IWU, IWM, IKTS und IWS werden unter Federführung des
Fraunhofer IST die Grundlagen für e ine eff iz iente Umformung von T itanlegierungen erarbeitet . Z ie l i s t
e ine preiswertere Fert igung von T itanbautei len, um deren Anwendungsmögl ichkeiten auszuweiten.
1 2
Bisherige ergebnisse
Mit Hilfe von Tribometerversuchen bis 900 °C wurden
geeignete Werkzeugwerkstoffe und Beschichtungen für die
weiteren Versuche ausgewählt. Ein erster Prototyp eines Fan
Blades, wie er in Flugzeugtriebwerken Verwendung findet,
konnte am Fraunhofer IWU aus hochfestem Titan TiAl6V4
umformtechnisch hergestellt werden (Bild 3). Ausreichende
Umformgrade können mit der neuen Umformtechnologie
bereits erzielt werden. Entwicklungsbedarf besteht noch
hinsichtlich der Formgenauigkeit der Bauteile. Ebenso konnten
erste Teile von Abgasanlagen für den Automobilbau aus Titan
durch Hot-Gasforming ausgeformt werden (Bild 4).
1 Titanschwamm.
2 Fanrotor aus Titan.
3 Prototyp eines Fan
Blades für Flugzeugtrieb-
werke, umformtechnisch
hergestellt aus TiAl6V4.
4 Teil einer durch Hot-
Gasforming aus Titan herge-
stellten Abgasanlage.
KontaKtDipl.-Ing. Martin Weber
Telefon +49 531 2155–507
martin.weber@ist.fraunhofer.de
3 4
46 47
w e r k z e u g e
Dazu wurden verschiedene modifizierte Chromnitrid-, Bor-
und Kohlenstoffschichten in Vorversuchen auf ihre Eignung
geprüft. Temperversuche bei unterschiedlichen Temperaturen
gaben Aufschluss über Veränderungen an den Schichten bei
Temperaturen bis 1000 °C (Bild 2). Anschließend wurden mit
ausgewählten Schichten Anwendungsversuche im Streifenzug
und beim Tiefziehen (Bild 3) am Institut für Umformtechnik
und Umformmaschinen der Universität Hannover IFUM
durchgeführt. Die Versuchsmatrix umfasste sechs Werk-
zeugbeschichtungen, drei Werkzeugstähle und den sowohl
unbeschichteten als auch unterschiedlich beschichteten
Blechwerkstoff 22MnB5.
Das ergebnis
Den größten Einfluss auf das Verschleißverhalten der
Werkzeuge weisen die verschiedenen Blechbeschichtungen
auf. Während bei unbeschichteten Blechen starker abrasiver
Verschleiß auftritt, können durch die Wahl einer geeigneten
Blechbeschichtung der Verschleiß und die Bildung von Anhaf-
tungen, im Vergleich zu den bisher überwiegend verwendeten
AlSi-Beschichtungen, signifikant reduziert werden. Weitere
Verbesserungen des Verschleißverhaltens können durch die
Verwendung von Chromnitridschichten erzielt werden, die mit
Vanadium oder Wolfram modifiziert sind (Bild 4).
Das Presshärten
Hochfeste Stähle, wie sie für die Fertigung hoch belasteter
Blechbauteile verwendet werden, weisen in der Regel ein
sehr schlechtes Umformvermögen auf. Um dem abzuhelfen,
hat sich in den vergangenen Jahren das Presshärten etabliert.
Dabei werden die zugeschnittenen Bleche auf 950 °C erwärmt
und anschließend in einem gekühlten Werkzeug umgeformt
und ausgehärtet. Die Ausgangshärte des überwiegend
verwendeten Stahls 22MnB5 steigt dabei von 600 auf bis zu
1600 N/mm². Nachteilig bei dem Verfahren ist vor allem der
hohe Werkzeugverschleiß. Bei Temperaturen von etwa 800 °C
auf der Werkzeugoberfläche sind keine konventionellen
Schmierstoffe mehr einsetzbar. Dazu kommt die Verzunderung
der Werkstückoberfläche als Folge der Erwärmung, die einen
starken Abrasivverschleiß zur Folge hat. Zur Vermeidung der
Zunderbildung werden die Bleche häufig beschichtet. Weit
verbreitet sind AlSi-Schichten, die jedoch stark zu Anhaf-
tungen auf der Werkzeugoberfläche neigen, die regelmäßig
entfernt werden müssen (Bild 1).
Der Projektinhalt
Ziel des Forschungsvorhabens »Prozessschmierung Press-
härten« (IGF-Projekt 14979 N) war es, die tribologischen
Bedingungen auf der Werkzeugoberfläche zu verbessern.
werKZeugbeschichtungen für das presshärten Von borlegierten stählenDie ste igenden Fest igkeitsanforderungen an Blechkomponenten im Automobi lbau haben in den vergange-
nen Jahren zu e iner zunehmenden Bedeutung des Presshärtens von bor legierten Stählen geführt . Durch
die Kombinat ion aus T iefz iehen und Härten in e inem Prozess lassen s ich Bautei lfest igkeiten größer a ls
1500 N/mm² erz ie len. Nachtei l ig ist der hohe Werkzeugverschle iß. E ine wesent l iche Verbesserung br ingen
Werkzeugbeschichtungen, die am Fraunhofer IST im Rahmen eines IGF-Projektes entwickelt wurden.
1 2
Verschleißbeständigkeit der Schichten nach Temper-
versuchen (2 Stunden in Umgebungsluft).
Temperatur [°C]A
bras
ivve
rsch
leiß
[10-1
5 m3 /
mN
]TiAIN CrVN 27 % V CrVN 19 % V
CrVN 13 % VCrWN 150 V CrN CrNbN
NbN
RT0
10
20
30
40
400 500 600 700 800 900
1 Werkzeugverschleiß
beim Presshärten.
2 Vergleich der Schichtver-
änderungen nach einer Wär-
mebehandlung bei 800 °C im
Kalottenschliff: Rissbildung
und starke Oxidation der
Oberfläche bei CrN (unten),
geringe Veränderungen bei
CrWN (oben).
3 Durchführung der
Tiefziehversuche.
4 Optimiertes Werkzeug
nach den Ziehversuchen.
KontaKtDipl.-Ing. Martin Weber
Telefon +49 531 2155–507
martin.weber@ist.fraunhofer.de
3 4
48 49
w e r k z e u g e
Sensorverhalten während der Blechumformung
Mit den Sensormodulen wurden in unterschiedlichen Anlagen
Versuchsreihen durchgeführt. Dabei wurde gezeigt, dass
das Eintuschieren dieser sensorischen Werkzeugeinsätze
in die Matrize der Umformanlagen einfach zu realisieren
ist. Während des Tiefziehprozesses steht das sensorische
Dünnschichtsystem in direktem Reibkontakt zum Blech. Der
charakteristische Signalverlauf weist ein Widerstandsminimum
an jeder Elektrodenstruktur auf, wenn das Blech sich aus dem
Kontakt bewegt. An einer Versuchsanlage am Fraunhofer IWU
wurde die allgemeine Funktionstüchtigkeit der Sensormodule
nachgewiesen. Unter Industriebedingungen konnten die Mo-
dule in der Dickblechumformung beim Tiefziehen von runden
Stahlgrundkörpern mit einem Durchmesser von 266 mm
und einer Dicke von 6 mm bei der AWEBA Werkzeugbau
GmbH getestet werden. Ein charakteristischer Signalverlauf
ist in der nebenstehenden Graphik dargestellt. Auch in der
Motorträgerfertigung wurden Sensormodule getestet. Dazu
wurde eine hydraulische Presse EHP 1600 der Firma Erfurt
mit den Sensormodulen ausgestattet. Auch hier konnte die
Funktionstüchtigkeit mit Erfolg nachgewiesen werden.
ausblick
Derzeit werden die Sensormodule in der Produktion
eingesetzt, um ihre Langzeitstabilität zu testen. Der Anwen-
dungsbereich soll sich nicht nur auf den Tiefziehprozess
beschränken, sondern auch bei anderen Umformprozessen,
wie der Innenhochdruckumformung oder dem Blechbiegen
Einsatz finden. Diese Entwicklungen sind Ergebnisse aus dem
vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
innerhalb des Rahmenkonzepts »Forschung für die Produktion
von morgen« geförderten Projekt ORUM (Optimierte Regelung
von Umformprozessen durch Werkzeuge mit integrierter
Dünnschichtsensorik) mit dem Förderkennzeichen 02PU2040.
Es wurde vom Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe
(PTKA), Bereich Produktion und Fertigungstechnologien (PFT),
betreut.
Kennlinienverlauf von drei Sensorstrukturen während
der Dickblechumformung.
15 25 4535 55 655
1
Sensor 9 Sensor 2 Sensor 3
Zeit [s]
Blec
hein
zug
R Sens
or /
R 0 [1
]
0,98
0,985
0,99
0,995
1
1,005
Sensorisches Dünnschichtsystem
Das Schichtsystem besteht aus der piezoresistiven Kohlenwas-
serstoffschicht DiaForce®, die auf der polierten Seite des Werk-
zeugeinsatzes in einer Dicke von 6 µm homogen abgeschie-
den wird. Darauf wird eine nur 200 nm dünne Chromschicht
aufgebracht, die mittels Photolithographie und nasschemi-
scher Ätzung strukturiert wird. Flexible Masken ermöglichen
die Strukturierung selbst in tiefliegenden Kontaktbereichen.
Vor dem Tiefziehprozess liegen die Sensorstrukturen alle
im Kontakt mit dem Stahlblech und laufen während des
Umformvorganges nacheinander aus diesem Kontaktbereich.
Damit diese Chromstrukturen langzeitstabil sind, werden sie
mit einer elektrischen Isolations- und Verschleißschutzschicht
aus SiCON® in einer Dicke von 3 µm beschichtet. Die einzelnen
Stadien des Fertigungsprozesses der Sensormodule sind in
Bild 1 dargestellt. Es wurden unterschiedliche Geometrien der
Grundkörper gefertigt und verschiedene Anordnungen der
Elektroden strukturiert. Bild 2 zeigt eine Mikrostruktur von
einem Ausschnitt einer Elektrodenanordnung aus Bild 3, bei
der die Elektrodenlängen sich nur um 100 µm unterscheiden.
entwicKlung Von sensormodulen für die optimierung Von tiefZiehproZessen
1
KontaKtDr.-Ing. Saskia Biehl
Telefon +49 531 2155-604
saskia.biehl@ist.fraunhofer.de
Dipl.-Ing. (FH) Sebastian Staufenbiel
Telefon +49 531 2155-765
sebastianstaufenbiel@ist.fraunhofer.de
Fehlerhaft ausgeformte Tei le, Reißer und Faltenbi ldung senken die Wirtschaft l ichkeit von Umformprozes-
sen. Ursache dafür s ind vor a l lem Schwankungen der Prozessparameter, wie beispie lsweise der Werkstoff-
kennwerte. E ine durch integr ierte Dünnschichtsensor ik geregelte Prozessführung kann Schwankungen
ausgle ichen und den Ausschussantei l minimieren. Das Fraunhofer IST entwickelt h ierfür neuart ige senso-
r ische Dünnschichtsysteme, die in direkten Kontakt mit dem auszuformenden Werkstück treten und den
Umformprozess sehr präzise verfolgen.
2 3
1 Schrittweiser Aufbau der
Sensormodule für die Serien-
fertigung.
2 Mikroskopaufnahme
eines Elektrodenspitzen-
bereiches von Bild 3.
3 Sensormodul mit einer
Auflösung von 100 µm.
100 µm
50 51
w e r k z e u g e
kommerziellen Kraftsensoren durchgeführt. Hierbei zeigte sich
das große Potenzial der Dünnschichtsensorik: Die Sensoren
detektieren nicht nur die Druckbelastung, sondern messen
auch den Rückhub beim Herausziehen des Schneidstempels
aus der Matrize. Der Verschleiß an der Schneidkante konnte
durch eine zeitliche Verzögerung der Kraftkennlinien um bis
zu 25 Prozent ermittelt werden (untere Graphik). Aufschwei-
ßungen am Schneidstempelschaft hingegen erzeugten einen
Kraftanstieg beim Schneiden, der sehr genau Aufschluss über
die Verschleißsituation gibt (obere Graphik).
ausblick
Dieses Dünnschichtsensorsystem kann universell im direkten
Kraftfluss von Schneidwerkzeugen eingesetzt werden. Die ei-
gens für Schneidprozesse entwickelte Elektronik vom HSG-imit
soll die Prozesse überwachen und den Bediener vor Ausfällen
der Anlage warnen. Durch die Prozessüberwachung können
Ressourcen geschont und die Materialkosten minimiert
werden. Das weite Anwendungsgebiet dieser Sensorsysteme
stellt eine kostengünstige industrielle Fertigung in hohen
Stückzahlen in Aussicht.
Aufschweißungen am Schneidstempel führen zu einem
Anstieg der Schneidkraft.
-10
-15
-5
0
5
10
15
20
25
Kra
ft [k
N]
Zeit [s]
neuer Stempel 2.000 Hub 4.000 Hub6.000 Hub
0,990 1,0000,995 1,005 1,0151,010 1,020
Verschleiß an der Schneidkante führt zu einem verzögerten
Schneidprozess.
0
4
8
12
16
Kra
ft [k
N]
Zeit [s]
neuer Stempel Stempelmanipulation 1Stempelmanipulation 2
0,990 1,000 1,010 1,020 1,030
Dünnschichtsensorintegration
Auf standardisierte Stahlscheiben wird ein sensorisches Drei-
schichtsystem appliziert. Durch nasschemisch geätzte
200 nm dünne Chromelektroden auf der Sensorschicht, kön-
nen an verschiedenen Stellen ortsaufgelöste Druckzustände
gemessen werden. Um die Sensorstrukturen zu schützen,
bildet eine elektrisch isolierende Reibungs- und Verschleiß-
schutzschicht den Abschluss des Dreischichtsystems. Ein
Flex-Board kontaktiert die Kontaktpads der Sensoren und führt
die Signale aus dem Werkzeug einer Elektronik zu, die diese
aufbereitet. Mit einer für den Schneidprozess entwickelten
Software können Abweichungen im Schneidprozess, wie
z. B. Bruch einer Werkzeugkante oder Aufschweißungen am
Schneidstempel frühzeitig erkannt und behoben werden.
Sensorverhalten bei Versuchsreihen
In umfangreichen Versuchsreihen wurden am Fraunhofer IWU
die Integration der Sensormodule in die Werkzeuge, das
Erkennen von Fehlerbildern und die Langzeitstabilität nachge-
wiesen. Die Plausibilitätsprüfung der Sensorsignale wurde mit
praxistaugliche dünnschicht-Kraftsensoren Zur überwachung Von schneidproZessen
1 Dünnschichtsensorik mit
Flex-Boardkontaktierung
für die Überwachung von
Schneidprozessen.
2 Gehaustes Sensormodul.
Das IGF-Vorhaben 16113 BG
der Forschungsvereinigung
Europäische Forschungsge-
sellschaft Dünne Schichten
e. V. - EFDS, Gostritzer
Straße 63, 01217 Dresden
wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur
Förderung der industriellen
Gemeinschaftsforschung
und -entwicklung (IGF)
vom Bundesministerium für
Wirtschaft und Technologie
aufgrund eines Beschlusses
des Deutschen Bundestages
gefördert.
21
KontaKtDr.-Ing. Saskia Biehl
Telefon +49 531 2155-604
saskia.biehl@ist.fraunhofer.de
Dipl.-Ing. (FH) Sebastian Staufenbiel
Telefon +49 531 2155-765
sebastian.staufenbiel@ist.fraunhofer.de
Fehlerhaft gestanzte Blechtei le oder Werkzeugbrüche mindern die Wirtschaft l ichkeit von Schneidprozes-
sen. Der Bedarf an Systemen zur Onl ine-Prozessüberwachung wird immer stärker. Schneidspaltverengung
und Werkzeugverschle iß wirken s ich unmitte lbar auf die Schneidkraft aus. Zur Detekt ion der Schneidkraft
werden piezores ist ive Dünnschichtsensoren auf Bas is der amorphen Kohlenwasserstoffschicht DiaForce®
entwickelt . Das gesamte Schichtsystem weist e ine Dicke von nur 9 µm auf und bes i tzt dabei hervorragen-
de tr ibologische und sensor ische E igenschaften. Diese Dünnschichtsensoren können durch ihre ger inge
Baugröße im direkten Kraftf luss des Werkzeugs e ingesetzt werden und dort d i rekt die Schneidkraft ohne
Störeinf lüsse messen.
52 53
w e r k z e u g e
DiaCer®-Wendeschneidplatten für die Zerspanung und von
DiaCer®-Gleitringdichtungen und Gleitlagern wurden als
Beispiel für Formwerkzeuge auch DiaCer®-Ziehsteine für die
Drahtherstellung entwickelt und erprobt.
DiaCer®-ziehsteine mit Diamantinnenbeschichtung
Bei der Entwicklung eines Beschichtungsprozesses für
diamantbeschichtete Ziehsteine bestand eine wesentliche
Herausforderung darin, die Diamantschicht im Innern der
Ziehsteine mit ausreichender Schichtdicke haftfest aufwachsen
zu lassen. Hierzu wurde am Fraunhofer IST ein modifizierter
HF-CVD-Prozess entwickelt. Mit dieser Prozessvariante wurden
Ziehsteinprototypen mit Durchmessern von 1 mm – 27 mm
hergestellt, wodurch Diamantziehsteine praktisch im gesamten
industriell relevanten Durchmesserbereich verfügbar werden.
Eine Auswahl von erfolgreichen Erprobungen in industriellen
Drahtziehprozessen ist in der Tabelle dargestellt. Die Unter-
suchungen wurden mit industriellen Drahtziehmaschinen bei
Drahtherstellern wie Drahtwerk Elisental, Drahtzug Stein und
Durum durchgeführt. Die DiaCer-®Ziehsteine wurden jeweils
nur in der letzten Ziehstufe eingesetzt und überstanden den
Der werkstoffverbund DiaCer®
DiaCer® basiert auf keramischen Grundkörpern aus Siliziumni-
trid beziehungsweise Siliziumcarbid, auf die eine polykristalline
Diamantschicht abgeschieden wird. Das Fraunhofer IST
setzt zur Abscheidung polykristalliner Diamantschichten
Beschichtungsprozesse auf der Basis der Heißdraht-aktivierten
Gasphasenabscheidung (hot-filament HF-CVD) ein. Diese
Prozesse wurden im Institut sowohl für Beschichtungsflächen
bis 50 cm x 100 cm, als auch für die Diamantabscheidung
auf komplexen Geometrien entwickelt und in die Industrie
transferiert. Die Silizium-basierten Keramiken sind für die
Abscheidung von Diamantschichten besonders gut geeignet,
da sich durch die Ausbildung von Si-C-Bindungen zwischen
der Diamantschicht und der Keramik besonders hohe
Haftfestigkeiten erzielen lassen. Zudem sind die thermischen
Ausdehnungskoeffizienten von Diamant und den Keramiken
nicht so unterschiedlich wie im Fall von metallischen
Grundkörpern, was bei der Abkühlung von der Beschichtungs-
temperatur (800 °C – 900 °C) zu eher moderaten thermisch
induzierten Spannungen im DiaCer®-Werkstoffverbund führt.
Neben der gemeinsamen Entwicklung und Erprobung von
diamantbeschichtete KeramiK diacer® – ein leistungsfähiger werKstoffVer-bund für hohe anforderungen
Die Werkstoffe Keramik und Diamant werden in der Industr ie häuf ig e ingesetzt , wenn es gi l t , hohen An-
forderungen an Mater ia l ien zu genügen. E ine Erweiterung der Nutzung und Erhöhung der Leistungsfähig-
keit der E inzelwerkstoffe lässt s ich durch die Verbindung der beiden Werkstoffe in Form von diamantbe-
schichteten Keramiken DiaCer® erz ie len. In Kooperat ion der Fraunhofer- Inst i tute IKTS, IPK, IST und IWM
wurde dieser Werkstoffverbund entwickelt und in Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industr ie zur
Anwendungsreife gebracht. Die erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen den Fraunhofer-Forschern und den
Partnern aus der Industr ie wurde im Jahr 2010 mit dem Wissenschaftspreis des St if terverbands in der
Kategor ie Forschung im Verbund ausgezeichnet.
verschleißbedingten Austausch mehrerer Sätze an vorgela-
gerten Hartmetallziehsteinen. Vorteile der DiaCer®-Ziehsteine
sind: Erhöhung der Werkzeuglebensdauer, Einsparung von
Rüstzeiten, Steigerung der Produktivität von Ziehprozessen.
Daneben sind für die Industriepartner insbesondere die Ein-
haltung extrem enger Toleranzen über eine lange Fertigungs-
dauer und die größere Flexibilität bezüglich der realisierbaren
Ziehsteingeometrien (Formziehsteine) von großem Interesse.
ausblick und Danksagung
Derzeit werden Komplettsätze von DiaCer®-Ziehsteinen in
einem 9-stufigen Ziehprozess erprobt. Der Fokus zukünftiger
FuE-Arbeiten liegt auf der Vermeidung oder Reduzierung
von Ziehmitteln und auf der Entwicklung wirtschaftlicher
Fertigungsprozesse für DiaCer®-Ziehsteine. Die Arbeiten zum
Werkstoffverbund DiaCer® wurden zum Teil im BMBF-Rah-
men-Programm WING mit Beteiligung von Industriepartnern
gefördert. An den Entwicklungen zu den DiaCer®-Ziehsteinen
waren insbesondere die Unternehmen Allgemeine Gold- und
Silberscheideanstalt, DiaCCon, Drahtzug Stein, Drahtwerk
Elisental, Durum und H.C. Starck Ceramics beteiligt.
Standzeiten von DiaCer®-Ziehsteinen im Vergleich zu
konventionell eingesetzten Ziehsteinen. PKD = gesinterter,
polykristalliner Diamant.
Drahtmaterial DrahtmengeinTonnen
Referenz-ziehsteine
Al-undMg-Legierungen
> 60 7-fache Stand-zeit gegenüber Hartmetall
Eisenlegierungen > 70 wie PKD
GefüllteNi,NiCrundFeCrDrähtemitFüllpartikelnausausWC,Si…
> 7,5 wie PKD
KontaKtDr. Lothar Schäfer
Telefon +49 531 2155-520
lothar.schaefer@ist.fraunhofer.de
Dr. Markus Höfer
Telefon +49 531 2155-620
markus.hoefer@ist.fraunhofer.de
1 Heißdraht-CVD-
Diamantbeschichtung eines
Siliziumnitrid-Ziehsteins mit
26 mm Durchmesser.
1
55
e n e r g I e , g l a S , F a S S a D e
Im Geschäftsfeld »Energie, Glas und Fassade« konzentrieren sich die Arbeiten des Instituts
unter anderem auf die Entwicklung von:
Schichtsystemen und zugehörigen Prozessen für Photovoltaik anwendungen,
kostengünstigen transparenten leitfähigen Schichtsystemen (TCOs) für die Photovoltaik und Photo thermie, Architektur- und Autoglas,
Halbleiterschichten für Dünnschicht-Photovoltaik,
Untersuchungsmethoden zur Charakterisierung von Dünnschicht-Solarzellen,
verbesserten funktionellen Schichten und Beschichtungsprozessen auf Architekturglas,
Schichtsystemen für Brennstoffzellen,
verbessertem kostengünstigen Hochtemperatur-Korrosionsschutz für Turbinenschaufeln.
Zu den Kunden gehören Unternehmen der Glas-, Photovoltaik- und Elektro industrie, der
Energie- und Bauwirtschaft, Heizungs- und Sanitärhersteller sowie Anlagenhersteller und
Lohn beschichter.
energie, glas, fassade
KontaKtDr. Bernd Szyszka
Telefon + 49 531 2155-641
bernd.szyszka@ist.fraunhofer.de
Dr. Volker Sittinger
Telefon + 49 531 2155-512
volker.sittinger@ist.fraunhofer.de
56 57
e n e r g I e , g l a S , F a S S a D e
die eisfreie scheibe 1 Großflächenbeschich-
tung am Fraunhofer IST.
KontaKtDr. Bernd Szyszka
Telefon +49 531 2155-641
bernd.szyszka@ist.fraunhofer.de
Magnetron-Sputtern (HIPIMS). Bei dieser Methode wird das
gesputterte Material in erheblichem Umfang ionisiert. Am
Fraunhofer IST konnte gezeigt werden, dass beim Übergang
zu Bedingungen mit maximalem Ionisationsgrad nanokristalli-
ne Indium-Zinn-Oxid (ITO) Schichten entstehen, die auch beim
Biegen des Glases bei ~ 650 °C kein Kornwachstum zeigen.
Die Schichteigenschaften
Der Stromverlauf im HIPIMS-Puls resultiert in dem am IST
verwendeten Laboraufbau der Firma Advanced Energy aus
Kapazität und Ladespannung der zugrundeliegenden Kon-
densatorbank. Hinzu kommt eine Regelung zum Verkürzen der
Pulsdauer, um zu starkes Arcing der Kathode zu vermeiden.
Sowohl bei 2,0 kV als auch bei 2,5 kV Ladespannung ent-
stehen zunächst nahezu röntgenamorphe Schichten, welche
nach Temperung bei ~650 °C einen scharf ausgeprägten
Röntgenreflex zeigen, was mit einem Übergang von der
amorphen zur kristallinen Phase einher geht, anders bei 3 kV
Ladespannung. Hier resultieren bereits bei der Herstellung
nanokristalline Schichten, die einen breiten Reflex im
Θ-2Θ Diagramm zeigen, der auch durch das Tempern nur
geringfügig verändert wird. Diese Schichten weisen eine aus
der Röntgenbeugung ermittelte Korngröße von nur ~ 20 nm
auf. Das nanokristalline Wachstum führt aufgrund der
Hall-Petch Relation zu einer Härtung der Schichten und zu
Vorarbeiten aus den 1980er Jahren
Ausgangspunkt für unsere Arbeiten waren die bereits in
den 1980er Jahren an der Universität Uppsala erzielten
Ergebnisse zu vereisungsfreien Frontscheiben auf der
Basis von transparent leitfähigen, pyrolytisch hergestellten
SnO2:F-Beschichtungen.1 Das mit der Low-E Schicht versehene
Fahrzeug ist komplett eisfrei, während die unbeschichtete
Frontscheibe deutlich vereist ist. Diese Technologie konnte
jedoch nicht weiter umgesetzt werden, da sich die rauen
SnO2:F-Beschichtungen als sehr verschleißanfällig erwiesen
und die notwendige Stabilität für die Anwendung im Fahr-
zeugbereich nicht aufbringen konnten. Die Innovation beruht
darauf, dass transparent leit fähige und somit niedrig emittie-
rende (Low-E) Schichten sehr kostengünstig und mit deutlich
besseren Eigenschaften herstellbar sind, als bisher verfügbare
Beschichtungen. Insbesondere ist diese neue, bei Raumtem-
peratur auf Glas aufgebrachte PVD-Beschichtung biegefähig
sowie chemisch und mechanisch extrem widerstandsfähig,
was das Verschleißverhalten gegenüber unbeschichtetem Glas
deutlich verbessert.
hIPIMS-Sputtern von TCos
Der Schlüssel für das Erreichen dieser bisher nicht für
möglich gehaltenen Eigenschaftskombinationen liegt in einer
neuen Art der Prozessführung, dem Hochleistungs-Impuls-
Autofahren im Winter macht nur beschränkt Freude. E iner der Gründe s ind beschlagene und vereiste
Scheiben. Am Fraunhofer- Inst i tut für Schicht- und Oberf lächentechnik IST wurde jetzt e ine neue Beschich-
tung für Autoscheiben entwickelt , d ie hier Abhi lfe schaffen kann. Die transparente Schicht ist so le i t fähig
wie e in Metal l – dadurch wird das Glas zu e inem Wärmespiegel , was das Auskühlen und Vereisen der
Scheiben verhindert . Auf diese Weise wird das langwier ige und das gerade bei E lektroautos energiezeh-
rende Fre iheizen der Scheiben überf lüss ig.
einer gesteigerten thermischen Stabilität. Die elektrischen und
optischen Eigenschaften der Schichten entsprechen im vollen
Umfang denen von herkömmlichen ITO-Beschichtungen, allein
ein erhöhter Schichtwiderstand ist zu beobachten.
Das anwendungspotenzial
Die eisfreie Autoscheibe, die gemeinsam mit VW und Audi
entwickelt wurde, bietet eine echte sicherheitstechnische In-
novation für die KFZ-Branche. Die elektrische Leitfähigkeit der
Beschichtungen dämpft jedoch die Kommunikation per Funk,
so dass Anpassungsarbeiten im Bereich der GPS- und Handy-
Antennen sowie im Bereich der Notruf-Systeme vorzunehmen
sind. Im Kontext der Elektromobilität wird die Bedeutung der
Technologie nochmals gesteigert, da hier passive, energieneu-
trale Lösungen gefordert sind, wohingegen ein aufwendiges
Heizen des Innenraums auf Kosten der Batterieladung sehr
unerwünscht ist. Weitere Anwendungsbereiche resultieren aus
dem Übergang zu dreifach-Verscheibungen im Baubereich.
Auch hier kommt es durch die verbesserte Isolation mehr und
mehr zur Kondensation auf der Außenseite der Scheiben,
was durch unsere Technologie effizient unterdrückt werden
kann. Zusätzlich kann die Schicht auch als Heizleiter eingesetzt
werden, um etwa im Bereich der chemischen Verfahrens-
technik Reaktorgefäße mit einer transparenten Heizung zu
versehen. Völlig neue Themengebiete werden im Bereich der
transparenten oxidischen Elektronik erschlossen, hier bietet die
neue Technologie Möglichkeiten, um etwa in Kombination mit
Sol-Gel p-TCOs den Aufbau von transparenten Dioden und
darauf basierenden Schaltungen zu gewährleisten.
[1]: I. Hamberg et al., Applied Optics 26 (1987) 2131
1
58 59
e n e r g I e , g l a S , F a S S a D e
bestimmt. Der Mikrostrukturfaktor beschreibt die Art der Bin-
dung der Siliziumatome mit Wasserstoff. Ein niedriger Mikro-
strukturfaktor ist gewünscht und gleichbedeutend mit vielen
Si-H-Bindungen und wenigen Si-H2- und Si-H3-Bindungen.
Der Mikrostrukturfaktor wurde in Abhängigkeit verschiedener
Prozessparameter mit Hilfe statistischer Versuchsplanung
bestimmt. In einem zweiten Schritt wurden in Kooperation mit
dem IEK5-PV des FZ Jülich drei p-i-n-Solarzellen mit Absorbern
dieses Versuchsplans hergestellt und die elektrischen Kennwer-
te gemessen. Die Graphik auf der rechten Seite zeigt die Be-
schichtungsrate und den Mikrostrukturfaktor in Abhängigkeit
von Drahttemperatur und Silanfluss. Die Ergebnisse stammen
aus zwei statistischen Versuchsplänen. Gute Werte für den
Mikrostrukturfaktor lassen sich auch für hohe Raten >1,5 nm/s
erreichen. Die gemessenen Effizienzen nach Tempern für
drei hergestellte Solarzellen liegen zwischen 4,5 Prozent und
5,1 Prozent bei Raten von 0,9 nm/s bis 1,5 nm/s. Dabei ist
zu berücksichtigen, dass die Teile der Zelle an verschiedenen
Orten hergestellt wurden, wodurch in der Regel niedrigere
Effizienzwerte erzielt werden.
ausblick
Die zukünftigen Arbeiten zur Abscheidung von Silizium-
basierten Schichten mit dem Heißdraht-CVD-Verfahren
umfassen einerseits Aspekte der Materialoptimierung für
spezifische Anwendungen, z. B. in den Bereichen Photovoltaik
und Mikroelektronik, andererseits produktionsspezifische
Fragestellungen zur Senkung der Herstellungskosten für
siliziumbasierte Schichten. Ziel ist es, die Heißdraht-CVD-
Technologie für Silizium-basierte Schichten, ähnlich wie dies im
Fall von Diamantschichten schon erreicht wurde, in industrielle
Fertigungsprozesse zu transferieren.
Beschichtungsrate (oben) und Mikrostrukturfaktors (unten)
in Abhängigkeit von Drahttemperatur und Silanfluss.
2000
1900
2300
2200
2100
20 30 5040 60 70 80 90 100 110
Beschichtungsrate [nm / s]
Dra
htte
mpe
ratu
r [°
C]
Design I Design II
Silanfluss [sccm]
0,3
1,01,2
1,40,4 0,5 0,6
0,8
2000
1900
2300
2200
2100
20 30 5040 60 70 80 90 100 110
Mikrostrukturfaktor
Dra
htte
mpe
ratu
r [°
C]
Design I Design II
Silanfluss [sccm]
0,20,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,360,26
0,180,16
0,14
0,8
Das Beschichtungsverfahren
Heißdraht-CVD (Chemical Vapour Deposition) ist ein etab-
liertes Beschichtungsverfahren für Diamantschichten. Auch
bei der Herstellung von Silizium-basierten Schichten bietet es
gegenüber bewährten plasmaunterstützten Beschichtungsver-
fahren eine Reihe von Vorteilen:
Kostengünstig durch hohe Beschichtungsraten, hohen Gasumsatz und geringe Investitionen
Einfaches Skalieren auf große Flächen
Substratschonende Abscheidung ohne Ionenbombarde-ment (kein Plasma)
Kalte Prozesse unter 100 °C möglich
Am Fraunhofer IST stehen mehrere Heißdraht-CVD-
Anlagen zur Herstellung von Silizium-basierten Schichten
zur Verfügung. Bild 1 zeigt eine Inline-Anlage mit sieben
Kammern, wovon jeweils drei Beschichtungsmodule mit einer
Anregungszone von jeweils 500 x 600 mm ausgestattet sind.
Die Module sind durch Zwischenkammern voneinander ge-
trennt. Die Substrate können auf beiden Seiten in die Anlage
eingeschleust werden.
hohe Qualität und Beschichtungsrate: a-Si:h als absorber
Die Qualität der in der Inline-Anlage hergestellten a-Si:H-
Schichten wurde in einem ersten Schritt über den Mikro-
strukturfaktor aus Fourier-Transform-Infrarot (FTIR)-Spektren
grossflächige siliZium-basierte schichten mit heissdraht-cVd
2
KontaKtDipl.-Ing. Artur Laukart
Telefon +49 531 2155-508
artur.laukart@ist.fraunhofer.de
Dr. Lothar Schäfer
Telefon +49 531 2155-520
lothar.schaefer@ist.fraunhofer.de
Das Beschichtungsverfahren Heißdraht-CVD ist e ine v ie lversprechende Technologie für die kostengünst ige
Abscheidung von Si l iz ium-basierten Schichten. In der Photovolta ik werden amorphe Si l iz iumschichten
(a-S i :H) unter anderem als Absorber und zur Pass iv ierung verwendet.
1 7-Kammer Inline-
Beschichtungsanlage für
Heißdraht-CVD.
2 Substratcarrier mit
diversen Substraten und In-
terferenzlinien bei statischer
Beschichtung.
1
60 61
e n e r g I e , g l a S , F a S S a D e
500 nm
µc-Si:H
a-Si:H
TCO (ZnO:Al)
TCO (ZnO:Al)
Glas
Ag-Rückkontakt
von ZnO:Al entwickelt. Anschließend wird die Restschichtdicke
durch DC-Sputtern mit höherer Rate hergestellt. Alle herge-
stellten Schichten haben eine Schichtdicke von ca. 900 nm.
Die Mobilität der rein DC- bzw. RF-gesputterten Schicht
(rot und schwarz) liegt bei 30 cm2/Vs (Graphik). Durch den
Einsatz der Saatschicht steigt dies drastisch auf fast 50 cm2/
Vs an, nähert sich aber bei höheren Saatschichtdicken wieder
dem Wert der RF-Schicht. Die hier nicht gezeigte Ladungs-
trägerdichte verhält sich bei zunehmender Saatschichtdicke
ähnlich, hat aber aufgrund der schwachen Änderung einen
viel geringeren Einfluss auf die Leitfähigkeit der Schicht als die
Mobilität. Schon bei geringer Saatschichtdicke verbessert sich
das Wachstum der darauf aufgebrachten DC-Schicht so stark,
dass der spezifische Widerstand aufgrund der verbesserten
Beweglichkeit stark absinkt (Graphik). Es werden Werte von
unter 300 µΩcm erreicht. Bei höheren Saatschichtdicken
nähert sich der spezifische Widerstand dem der rein RF-
gesputterten Schicht an. Der Standard RF-Prozess wurde im
gezeigten Versuch auf hohe Rate und nicht auf hohe Güte der
Schicht getrimmt, was den hohen spezifischen Widerstand
bei dem reinen RF-Prozess bedingt. Trotzdem kann mit diesem
Prozess eine hervorragende Saatschicht hergestellt werden, die
in Zusammenarbeit mit einem Kunden auf einen DC-Prozess
übertragen wurde.
Vorteile der Beschichtung
Durch die Saatschicht werden sehr gute optische und elek-
trische Eigenschaften von gesputtertem ZnO:Al erreicht, die
sich homogen auf großer Fläche ätzen lassen. Zudem stimmt
die Oberflächenätzstruktur mit der einer rein RF-gesputterten
Schicht überein, so dass die light trapping Eigenschaften und
damit die Wirkungsgrade darauf angefertigter a-Si/µc-Si-
Solarzellen deutlich steigen. Der RF-Saatschichtprozess ist auf
DC-Saatschichtprozesse übertragbar.
Änderung des spezifischen Widerstandes und der Mobilität
in Abhängigkeit zur RF-Saatschichtdicke. Referenz-Schicht:
ungeätzt, 30 x 30 cm².
48
40
32
700
500
300
100 300 500 700 900
µ [c
m2 /
Vs]
p [µ
Ωcm
]
Saatschichtdicke [nm]
DC
RF
Um die enorme Entwicklung in der Dünnschichtphotovoltaik
zu unterstützen, forscht das Fraunhofer IST seit einigen Jahren
an Schichten für Solarzellen wie u. a. transparent leitfähigen
Schichten (TCOs), Antireflexionsschichten, Diffusionsbarrieren,
Metallkontaktschichten oder PV-Absorberschichten. Typische
Dünnschicht-Solarzellen sind a-Si:H-/µc-Si:H-Tandemzellen
(Bild 1), CIGS oder CdTe-Zellen. Ein Nachteil der Silizium-
Dünnschicht-Tandemzelle ist die geringe Absorptionsfähigkeit
der mikrokristallinen Schicht. Die Ansätze zur Absorptionsstei-
gerung reichen von Antireflexionsschichten über Indexmat-
ching, metallische Rückreflektoren bis zur Strukturierung der
Frontkontakte (Bild 2), um das Licht möglichst oft hin- und
herzureflektieren und dabei zu absorbieren. Das Fraunhofer
IST konzentriert sich hier auf die Entwicklung von dotierten
Zinkoxid (ZnO)-Schichten, die vom metallischen oder kerami-
schen Target gesputtert werden. Die Industrie nutzt derzeit
das Sputtern von keramischen Targets.
lösungskonzept
Das Fraunhofer IST hat in Zusammenarbeit mit seinen Kunden
einen Seedlayer entwickelt, der die optischen und elektrischen
Eigenschaften der ZnO:Al-Schichten verbessert und die Ober-
flächenstruktur nach dem nasschemischen Ätzen optimiert.
In einem ersten Schritt wurde eine RF-Saatschicht auf Basis
saatschichten optimieren den licht-einfang in dünnschicht-solarZellen
2 31
KontaKtDr. Volker Sittinger
Telefon +49 531 2155-512
volker.sittinger@ist.fraunhofer.de
Dipl.-Phys. Wilma Dewald
Telefon +49 531 2155-669
wilma.dewald@ist.fraunhofer.de
Am Fraunhofer IST wurden Saatschichten für transparent le i t fähige Kontakte auf Bas is von Aluminium
dot iertem Zinkoxid (AZO) entwickelt . Diese führen zu hervorragenden opt ischen und elektr ischen Eigen-
schaften sowie zu den gewünschten L ichteinfangstrukturen des AZOs, die durch nasschemisches Ätzen in
verdünnter Salzsäure erzeugt werden.
1 Schematische Skizze
einer Silizium-Dünnschicht-
Solarzelle.
2 Geätztes Zinkoxid mit
optimierter Lichtstreu-Struk-
tur durch den Einsatz einer
Saatschicht.
3 Homogen geätzte
ZnO:Al-Schicht, 30 x 30 cm²,
die auf einer Saatschicht ab-
geschieden wurde.
62 63
e n e r g I e , g l a S , F a S S a D e
sind wiederum in ihrer Transmission reduziert.
Mit dem Ansatz, den organischen Schichten andere
Komponenten beizumischen, lässt sich eine Optimierung aus
Transparenz, Hydrophobie und mechanischer Belastbarkeit
erzielen. Am Fraunhofer IST werden dazu Belastungstests
durchgeführt, die der Zielanwendung des Kunden möglichst
nahe sind. Dazu gehören automatisiert ablaufende mecha-
nische Verschleißtests an den beschichteten Oberflächen.
Für bestimmte Anwendungen sind hydrophobe Schichten
nicht ausreichend, z. B. wenn bereits bei kleinster Neigung
ein Abperlen der Wassertropfen notwendig ist. Über eine
gezielt eingestellte Oberflächenrauheit einer weiteren Schicht
in Kombination mit einer hydrophoben Beschichtung lassen
sich derartige »ultrahydrophobe« Oberflächen realisieren.
Am Fraunhofer IST wurden transparente, ultrahydrophobe
Beschichtungen in Zusammenarbeit mit Partnern entwickelt.
Die Oberflächenstrukturen müssen dabei sehr klein sein, was
in der Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme in Bild 2 zu
sehen ist. Nur so ist gewährleistet, dass diese Strukturen das
sichtbare Licht so wenig streuen, dass die Schicht transparent
bleibt. Das gezeigte Schichtsystem wurde gesputtert und
hat Strukturbreiten von 100–200 nm, also unterhalb der
Wellenlänge des sichtbaren Lichtes (380-680 nm). Ein derart
beschichtetes gekrümmtes Glas zeigt in Bild 1 sowohl die
Transparenz als auch die ultrahydrophobe Eigenschaft der
Oberfläche mit springenden, gefärbten Wassertropfen.
ausblick
Neben den mechanischen Anforderungen können auch
chemische und umweltverträgliche Aspekte berücksichtigt
werden. Die bestehenden Beschichtungsprozesse am Fraunho-
fer IST erlauben zudem die Beschichtung von Kunststoffen.
hintergrund
Es gibt verschiedene Anwendungen, bei denen eine
transparente glatte Oberfläche so beschaffen sein soll, dass
Wassertropfen bei leichter Neigung dieser Oberfläche sehr
leicht abgleiten. Derartige Oberflächen bezeichnet man als
hydrophob. Der Effekt ist umso besser, je größer der Kon-
taktwinkel des Wassertropfens und je glatter die Oberfläche
ist. Typisch für hydrophobe Oberflächen sind Kontaktwinkel
von 120°. Hydrophob beschichtete transparente Oberflächen
zeichnen sich dadurch aus, dass die Sicht nicht durch fest
hängende Wassertropfen behindert wird. Wird die Oberfläche
sogar ultrahydrophob beschichtet, kann eine zusätzliche
reinigende Wirkung durch die ablaufenden Wassertropfen
erzielt werden.
entwicklungen
Es gibt eine Vielzahl von hydrophoben Beschichtungen, die
alle auf gezielt ausgewählten funktionellen Molekülen beru-
hen. Viele dieser Schichten zeigen aufgrund ihrer organischen
Natur ein eher schlechtes Abriebverhalten. Schichten mit sehr
gutem Abriebverhalten, wie das am IST entwickelte SICON®,
beständige transparente und hydrophobe oberflächen
1 Gefärbte Wassertropfen
in einer ultrahydrophob
beschichteten Glasschale.
2 REM-Aufnahme einer
rauen kristallinen ZnO-
Schicht für ultrahydrophobe
Oberflächen.
KontaKtDipl.-Phys. Oliver Werner
Telefon +49 531 2155-532
oliver.werner@ist.fraunhofer.de
Dr. Michael Vergöhl
Telefon +49 531 / 2155-640
michael.vergoehl@ist.fraunhofer.de
Am Fraunhofer IST werden transparente hydrophobe und ultrahydrophobe Schichten entwickelt . Anwen-
dungen dafür f inden s ich im Bereich der Außenverglasung und in Nasszel lenbereichen sowohl auf Glas a ls
auch auf Kunststoffen.
1 2
65
o P T I k , I n F o r M a T I o n , k o M M u n I k a T I o n
Die Themen im Geschäftsfeld »Optik, Information und Kommunikation«
umfassen unter anderem:
Die Entwicklung elektrischer Kontakt- und Isolationsschichten
Die Entwicklung von Schicht systemen für Displays
Die Entwicklung und das Design von Mehrlagenschichten für optische Filter
Die Entwicklung von sensorischen Schichten
Die Entwicklung neuer Materialien sowie Strukturierungs- und Metallisierungstechnologien zur Substitution von ITO-Schichtsystemen in Flachbildschirmen
Zu den Kunden dieses Geschäftsfeldes zählen Unternehmen der optischen Industrie, der
Telekommunikation, der Automobilindustrie, Hersteller von Displays und Datenspeichern sowie
Anlagenhersteller und Lohnbeschichter.
optiK, information, KommuniKation
KontaKtDr. Michael Vergöhl
Telefon + 49 531 2155-640
michael.vergoehl@ist.fraunhofer.de
Dr. Ralf Bandorf
Telefon + 49 531 2155-602
ralf.bandorf@ist.fraunhofer.de
66 67
o P T I k , I n F o r M a T I o n , k o M M u n I k a T I o n
einstellung der Schichtmorphologie
Durch die Energie der auftreffenden Teilchen während des
Schichtwachstums lässt sich die resultierende Struktur und
Morphologie der Schichten nachhaltig beeinflussen. In Bild 1
sind die Bruchkanten einiger Schichten abhängig von dem
Spitzenstrom im Pulsprozess und der Substrat-Biasspannung
dargestellt. Mit zunehmendem Spitzenstrom Imax zeigt das
Bruchbild einen Übergang von einer säulenförmigen zu
einer glasartigen Struktur. Wird eine Biasspannung an das
Substrat angelegt, stellt sich diese Strukturveränderung bereits
bei geringerem Spitzenstrom und damit bei einer höheren
Abscheiderate ein.
Mechanische und elektrische eigenschaften
Mit steigendem Spitzenstrom sinkt der elektrische Widerstand
der Schichten um die Hälfte. Gleichzeitig steigt die Nanohärte
auf etwa 23 GPa an. Die Dichte liegt mit etwa 4,5 g/cm3 im
Bereich des Volumenwertes für Ti3SiC2. Die Biasspannung
beinflusst die Abscheiderate nur geringfügig. Die Härte dage-
gen ist stark von der Bias abhängig, so dass mit Bias dichtere,
härtere Schichten bei geringerer Spitzenstromdichte und somit
höherer Rate möglich sind.
Härte und Dichte der Schichten als Funktion des Puls-
spitzenstromes und der Biasspannung.
10
12
14
16
18
20
22
24
0 200100 300 400
Här
te [
GPa
]
Spitzenstrom [A]
Härte (ohne Bias) Härte (mit Bias)
M-a-X-Schichten
Seit den sechziger Jahren sind leitfähige Keramiken,
sogenannte Mn+1AXn-Phasen als Volumenmaterial bekannt
(M: Metall, A: Gruppe A-Element, X: C oder N). Diese ternären
Materialien verbinden die Eigenschaften der Metalle und
Keramiken derart, dass sie eine gute elektrische Leitfähigkeit
besitzen, duktil sind und gleichzeitig keramische Eigenschaften
wie eine hohe Verschleißbeständigkeit und Oxidationsresistenz
zeigen. Seit den neunziger Jahren werden diese Schichten
auch als Dünnschichten abgeschieden. Eingesetzt werden
die tribologisch wie thermisch hochbelastbaren Schichten in
verschiedenen elektrischen Anwendungen wie beispielsweise
elektrischen Kontakten.
hipims-abscheidung Von leitfähigen Keramischen nanoKompositschichten
1-4 REM-Bruchkanten als
Funktion des Pulsspitzenstro-
mes und der Biasspannung.
1 63A bei 0V (oben)
65A bei 100V (unten).
2 104A bei 0V (oben)
90A bei 100V (unten).
3 212A bei 0V (oben)
220A bei 100V (unten).
4 358A bei 0V (oben)
351A bei 100V (unten).
5 DC Referenz
3,9A bei 100V.
KontaKtDr. Ralf Bandorf
Telefon +49 531 2155-602
ralf.bandorf@ist.fraunhofer.de
Sogenannte MAX-Phasen verbinden auf vorte i lhafte Weise keramische und metal l i sche E igenschaften. Die
entstehenden Schichten zeichnen s ich durch e lektr ische Leitfähigkeit , Dukt i l i tät , verbunden mit Oxida-
t ions- und Verschle ißres istenz aus. Mit gepulsten Hochle istungsplasma-Prozessen (High Power Impulse
Magnetron Sputter ing HIP IMS) lassen s ich, im Vergle ich zu k lass ischen PVD-Verfahren, die result ierenden
Schichteigenschaften so modif iz ieren, dass s ich beispie lsweise e ine höhere Härte, ger ingerer e lektr ischer
Widerstand und eine glasart ige Struktur e inste l len.
1 2 3 54
68 69
o P T I k , I n F o r M a T I o n , k o M M u n I k a T I o n
Kathodentyp (planar, zylindrisch)
Sauerstoff-Partialdruck (oxidischer Mode, Übergangsmode: Stöchiometrische Schichten bei metallischen Kathoden)
Prozessleistung
Die Partikelbelastung konnte im Laufe des Projekts um meh-
rere Größenordnungen reduziert werden. So verbessert eine
saubere Umgebung und eine Reduzierung der Prozessleistung
insbesondere bei Planarkathoden die Partikelbelastung
erheblich. Im Gegensatz dazu konnte bei den Rohrkathoden
keine Leistungsabhängigkeit erkannt werden. Allerdings hat
auch die Targetform (Dicke, Herstellungsart) Einfluss auf den
Partikeleintrag. Die saubersten Prozesse wurden in diesem
Beispiel mit Rohrkatoden erreicht. Im optimalen Fall war das
Partikelniveau nur noch geringfügig höher als bei Ionenstrahl
gesputterten Schichten, die zum Vergleich hergestellt worden
sind.
zusammenfassung
Mit Magnetron-Sputtern können defektarme Beschichtungen
sowohl mit planaren als auch mit zylindrischen Kathoden
hergestellt werden. Nach bisherigen Ergebnissen haben
die zylindrischen Kathoden im Falle von SiO2 ein besseres
Defektniveau und sind zudem unempfindlicher gegenüber
höheren Prozessleistungen. Die Vermeidung von Arcs hat nach
wie vor eine entscheidende Bedeutung für die Vermeidung
von Partikeln.
Danksagung
Die gezeigten Ergebnisse wurden im Rahmen des Projekts
»Partikelarme Beschichtungsprozesse« (Projekt 15615N) er-
zielt, welches aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für
Wirtschaft und Arbeit (BMWA) über die Arbeitsgemeinschaft
industrieller Forschungsvereinigungen »Otto von Guericke«
e. V. (AiF) gefördert wurde.
Partikelbelastung verschiedener Prozesse.
10
1
100
1000
3-10 µm< 3µm >10µm
Part
ikel
(1/
cm2 )
Größe (µm)
Handling Rohr Rohr IBS #1planar oxide
experimenteller aufbau
In der Sputter-Drehtelleranlage »Dyscus« von der FHR
Anlagenbau GmbH wurden am Fraunhofer IST verschiedene
SiO2- Schichten durch reaktives Pulsmagnetron-Sputtern herge-
stellt, deren Basisniveau der Partikelbelastung in verschiedenen
Optimierungsschritten minimiert werden konnte. Dies
umfasste unter anderem die Optimierung des Pumpsystems
und des Substrathandlings.
Zur Leistungseinspeisung wurde ein bipolar gepulster
Sputterprozess eingesetzt, dabei kam ein Doppel-Magnetron
mit planaren Kathoden (650 x 120 mm2, Eigenbau) und Rohr-
kathoden (Targetlänge 550 mm, SCI) zum Einsatz. Mit einer
Lambdasonde wurde der Prozess geregelt, wobei die Leistung
als Stellgröße fungierte. Untersucht wurden verschiedene
Targetmaterialien und Herstellungsvarianten (Si, Nb, SiOx,
gespritzt, gebondet). Im Ergebnis zeigte sich, dass die opti-
schen Eigenschaften von SiO2- Schichten relativ unabhängig
von der Kathodenart sind und die Brechungsindizes zwischen
n (550 nm) = 1,465 und 1,471 variieren. Hervorzuheben ist,
dass die vom Rohr abgeschiedenen Schichten eine deutlich
höhere Rate erreichen als die vom planaren Target hergestell-
ten Schichten. In die Messung der Partikelbelastung wurden
verschiedene Prozessparameter einbezogen:
sputtern optischer schichten mit rotatable-Kathoden
KontaKtDr. Michael Vergöhl
Telefon +49 531 2155-640
michael.vergoehl@ist.fraunhofer.de
Magnetron-Sputtern ist e ine bedeutende Technologie zur Herste l lung von dünnen Funkt ionsschichten mit
Anwendungen in den Bereichen F lachglas, Photovolta ik, Display sowie in der opt ischen Industr ie. Die
Leistungsfähigkeit opt ischer Beschichtungen wird unter anderem durch Schichtdefekte erhebl ich gemin-
dert . Durch den Einsatz von neuart igen zy l indr ischen Sputterquel len sowie durch e ine geeignete Prozess-
führung können Schichtdefekte deut l ich reduziert werden.
1
1 Schema der Sputter-
anlage »DYSCUS«.
2 Lineares Doppel-
magnetron (oben)
Zylindrisches Doppel-
magnetron (unten).
2
70 71
o P T I k , I n F o r M a T I o n , k o M M u n I k a T I o n
len und parallelen Kombinierbarkeit mit anderen Beschich-
tungsprozessen im Niederdruckbereich (< 10-2 mbar) erfolgen.
Dies ist im klassischen Parylene®-Beschichtungsprozess nicht
gegeben, so dass am Fraunhofer IST in Zusammenarbeit mit
industriellen Kooperationspartnern eine ratengesteuerte
Parylene®-Beschichtungsquelle für den Niederdruckbereich
entwickelt wurde (Bild 2). Mit dieser Beschichtungsquelle
konnte die Abscheidung von im sichtbaren Spektralbereich
hochtransparenten Parylene®-Schichten mit einer Brechzahl
von n = 1,65, mit guter optischer Qualität und Schichthaftung
auf Glas-, Polycarbonat- und PMMA-Substraten realisiert
werden. Die abgeschiedenen Schichten verfügen zudem
über eine hohe Bruchdehnung von > 24 Prozent und eine
gute Beständigkeit gegenüber Lösungsmitteln wie Wasser,
Isopropanol und Aceton. Die Beschichtungsrate kann mit der
entwickelten Quelle in einem Bereich von 0,1Å/s bis einige
1 Å/s auf 5 Prozent genau geregelt werden.
ausblick
Durch Kombination der Parylene®-Schichten mit keramischen
und metallischen Schichtmaterialien können die Eigenschaften
der Polymerschichten weiter modifiziert werden. So sollten
sich bei hoch bleibender mechanischer Flexibilität die optische
Brechzahl der Schichten weiter erhöhen oder die Durchlässig-
keit von Molekülen durch die Schichten verringern lassen.
Transmissionspektren 150 nm dünner Parylene®-Schichten.
40
20
0
80
60
100
400300 500 600 800700 900 1000
Tran
smis
sion
[%]
Wellenlänge [nm]
4,0 Å/s 2,0 Å/s 1,0 Å/s 0,5 Å/sBeschichtungsrate:
Parylene®-Schichten
Parylene® ist ein Handelsname für Polymere, die aus
verschiedenen Varianten der Paraxylylene bestehen.
Gasphasenbeschichtungsverfahren für diese Materialien
sind seit vielen Jahren bekannt und werden kommerziell zur
Beschichtung von elektrischen Bauteilen, als Diffusionssperre
oder im medizinischen Bereich als biokompatible Beschichtung
eingesetzt. Für die Abscheidung wird meist ein festes Dimer
bei Temperaturen um 150 °C verdampft. Der Dampf wird
thermisch bei Temperaturen um 650 °C aktiviert, so dass gas-
förmige Radikale entstehen, welche durch Kondensation auf
die zu beschichtenden Bauteile polymerisieren können (Bild 1).
ergebnisse
Für die Verwendung in optischen Schichtsystemen ist eine
genaue Kontrolle der Schichtdicke und der Beschichtungsrate
nötig. Darüber hinaus muss die Parylene®-Abscheidung wegen
der besseren optischen Qualität der Schichten und der seriel-
ratengeregelte parylene®-schichten für optische anwendungen
1 Polymerisierung von
Paraxylylen.
2 Schwingquarzgeregelte
Hochvakuum-Parylenequelle.
KontaKtDr. Thomas Neubert
Telefon +49 531 2155-667
thomas.neubert@ist.fraunhofer.de
Pary lene®-Beschichtungen bes i tzen interessante opt ische, mechanische und chemische E igenschaften. Für
opt ische Interferenzschichten ist e ine homogene, ratengesteuerte Abscheidung bei Drücken kle iner a ls
10-2 mbar sowie die Kombinierbarkeit mit anderen Gasphasenbeschichtungsverfahren (Aufdampfen, Sput-
tern) nöt ig. Am Fraunhofer IST wurde zu diesem Zweck eine Beschichtungsquel le entwickelt , welche an
konvent ionel len Vakuumbeschichtungsanlagen betr ieben werden kann.
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
n
CH2 CH2
Thermische Aktivierung bei ca. 650 C
Kondensation und Polymerisation bei ca. 20 C
1 2
72 73
o P T I k , I n F o r M a T I o n , k o M M u n I k a T I o n
zung der Aktivierung auf ausgewählte Bereiche zu schützen.
Selektive Plasmaaktivierung wird sowohl für planare als auch
für Wafer mit Topografie verwendet, bei denen die Plasmaak-
tivierung gezielt in den Vertiefungen oder auf den erhabenen
Strukturen durchgeführt werden kann.
Vorteile
Die selektive Plasmabehandlung beim Waferdirektbonden
reduziert die Temperatur für die thermische Nachbehandlung
nach dem Bonden beträchtlich. Durch die Absenkung der
notwendigen Temperaturen von 1000 °C auf 200 °C werden
empfindliche Bauelemente besonders gut geschützt. Die Tech-
nologie erweitert somit das Prozessfenster beim Direktbonden
ganz erheblich. Der SELECT-Aufrüstsatz für das Direktbonden
und andere Prozessanwendungen von Wafern eröffnet damit
neue Wege für die Prozessierung von Bauelementen in der
Halbleiterindustrie. Die punktuelle Behandlung von Wafern
ermöglicht es, die Produktionskosten für Bauelemente durch
schlankere Prozesse bei gleichzeitig höherem Durchsatz zu
reduzieren. Die neue Technologie hat das Potenzial, das
Betriebskostenmodell für eine Vielzahl von Anwendungen
vollständig zu verändern.
niedrigtemperatur-Bonden
Die bisherigen Arbeiten zielten insbesondere auf die
Aktivierung von Silizium- und Glaswafern für das anschlie-
ßende Direktbonden bei niedrigen Temperaturen ab. Zur
Charakterisierung der Bondfestigkeit wurde ein Verfahren
entwickelt, welches es erlaubt, die Bondfestigkeit in-situ
während des Temperns im Ofen zu bestimmen. Die in der
Graphik vorgestellten Plasmaverfahren eignen sich neben
dem Aktivieren auch für lokales und ganzflächiges Reinigen,
Oxidieren, Beschichten oder Ätzen von Oberflächen. Dies
eröffnet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in den
Bereichen der Mikrosystemtechnik.
In-situ-Bondenergiemessungen an Siliziumwafern während
des Temperns. Die Plasmaaktivierung der Waferpaare
erfolgte in verschiedenen Prozessgasen vor dem Bonden.
Bond
ener
gie γ R
(T,t
) [Jm
-2]
Waf
erte
mpe
ratu
r T(
t) [°
C]
Zeit t [h]
Wafertemperatur
SauerstoffReferenz
Stickstoff
Syn. Luft
1,75
1,50
1,25
1,00
0,75
0,50
0,25
0 3 6 9 12 15 18
200
180
160
140
120
100
80
60
40
200
Markteinführung
SÜSS MicroTec und das Fraunhofer IST gaben im November
2010 die Markteinführung des Plasma Kit »SELECT« bekannt.
Die punktuelle Plasmabehandlung der Oberflächen vor der
Prozessierung von Wafern mit »SELECT« ersetzt standardisier-
te Prozessschritte und verringert die Gesamtkosten pro Wafer.
Diese selektive Plasmaaktivierung ist für eine Vielzahl von
Anwendungen in den Bereichen MEMS, Optik und Solartech-
nologie geeignet, die das Direktbonden von Wafern oder die
Oberflächenbearbeitung für die Herstellung von Mikrospiegel-
arrays, Mikroventilen, Sensoren oder mikrofluidischen Kanälen
nutzen. Der SELECT-Aufrüstsatz stellt eine Erweiterungsoption
für den MA/BA8 Gen3 von SÜSS MicroTec dar.
anwendungen
Die zum Patent angemeldete Technologie des Fraunhofer IST
basiert auf der selektiven Bearbeitung der Oberfläche auf
Molekularebene mittels Atmosphärendruckplasma. Die
voll flächige Oberflächenbehandlung von Wafern ohne lokale
Begrenzung kann die Funktionalität von Mikrobauelementen
und Elektronik beeinträchtigen, während es bei der selektiven
Behandlung möglich ist, empfindliche Teile durch die Begren-
marKteinführung plasma Kit »select« 1 Lokale Behandlung ei-
nes Siliziumwafers mittels
Plasma-Printing. In der Mitte
ist der Anschluss der ITO-
Elektrode zu sehen.
2 Partiell hydrophilisierter
Wafer: Der Wasserfilm
benetzt die vom Plasma
hydrophilisierten Bereiche
und zieht sich in den un-
behandelten Bereichen zu
Tropfen zusammen.
1
KontaKtDr.-Ing. Marko Eichler
Telefon +49 531 2155-636
marko.eichler@ist.fraunhofer.de
Dem Fraunhofer IST und SÜSS MicroTec, e inem weltweit führenden Herste l ler von Equipment und Prozess-
lösungen für die Halble i ter industr ie und verwandte Branchen, ist d ie Markteinführung von »SELECT«,
e iner Technologieerweiterung für Bond Al igner und Mask Al igner gelungen. Der Aufrüstsatz ermögl icht
die se lekt ive P lasmaakt iv ierung von Waferoberf lächen.
2
75
M e n S C h u n D u M w e l T
Im Zentrum der Aktivitäten des Geschäftsfeldes »Mensch und Umwelt« steht die Entwicklung
von Oberflächen für Anwendungen in Medizintechnik, Biotechnologie und Umwelttechnik.
Beispiele sind:
Selektive Funktionalisierung und Beschichtung von Oberflächen mittels Atmosphären druck-Plasma verfahren (z. B. für Bioanalytik, Medizintechnik oder Migrationsbarrieren)
Diamantbeschichtete Elektroden zur elektrochemischen Wasser desinfektion und zur Behand-lung von Abwasser
Metallisierung von Kunststoff oberflächen für Biosensoren
Innenbeschichtung von Mikrofluidik komponenten, Zellkulturbeuteln und Schläuchen
Reibungsmindernde biokompatible Schichten (z. B. diamantähnliche Kohlenstoffschichten) für Anwendungen in der Medizintechnik, z. B. in der Prothetik
Plasmabehandlung zur Restaurierung und Konservierung von Kulturgütern
Kunden dieses Geschäftsfeldes sind unter anderem Unternehmen aus der Pharmaindustrie,
der Biotechnologie, Medizintechnik, Lebensmittelindustrie, der chemischen Industrie und
Umwelttechnik.
mensch und umwelt
KontaKtDr. Simone Kondruweit
Telefon +49 531 2155-535
simone.kondruweit@ist.fraunhofer.de
Prof. Dr. Claus-Peter Klages
Telefon +49 531 2155-510
claus-peter.klages@ist.fraunhofer.de
Dr. Michael Thomas
Telefon +49 531 2155-525
michael.thomas@ist.fraunhofer.de
76 77
M e n S C h u n D u M w e l T
antimiKrobielle ultra- präZisionswaageDauerhaft ant imikrobie l le Oberf lächen – e in am Fraunhofer IST entwickeltes innovat ives Konzept zur Inte-
grat ion photokatalyt ischer Schichtsysteme in Innenraumanwendungen macht dies jetzt mögl ich. Dazu
werden inte l l igente L ichtkonzepte mit adapt iven Beschichtungsverfahren kombiniert . E in gelungenes Bei-
spie l h ierfür ist d ie s ich in der Entwicklung bef indende Verwendung von Photokatalysatoren in der Präz i-
s ionswaage Typ CUBIS der Sartor ius AG.
Kohlenstoffdioxid zersetzt, d. h. die Oberflächen werden durch
die photokatalytische Schicht antimikrobiell: Die Zellwand der
Bakterien wird aufgelöst, die Zellen lysieren. Ein weiterer Effekt
ist die photoinduzierte Superhydrophilie. Durch Einstrahlung
von geeignetem Licht spreitet Wasser auf der Oberfläche, ein
Kontaktwinkel < 10° wird erreicht. Um den photokatalytischen
Effekt in der Präzisionswaage zu aktivieren, sind zwei zentrale
Ansätze nötig:
Einsatz von miniaturisierten LEDs zur Einkopplung des Lichts in die transparenten Trägermaterialien
Materialanpassung des Photokatalysators zur Steigerung
der Aktivität im sichtbaren Bereich
Das lichtkonzept
Durch die Verwendung von leicht integrierbaren Miniatur-LEDs
wird eine Einkopplung des Lichts in die transparenten Materi-
alien der Präzisionswaage erreicht. Das verwendete Konzept
der Lichtein- und -auskopplung sichert die Ableitung der
generierten Wärme zur Stabilisierung des Waagenmikroklimas.
Die zum Einsatz kommenden Wellenlängen sind eng an das
Anregungsniveau des photokatalytischen Halbleiters gekop-
pelt. Standardmäßig sind schmalbandige Anregungen bei
365 nm (UV) und 405 nm (VIS) vorgesehen, jedoch kann das
Spektrum der Beleuchtung unter Einbeziehung von Design-
und UV-Schutzrichtlinien auch breitbandig in das Sichtbare
verschoben werden (Weißlichtanregung). Eine angepasste
Lichtsensorik passt Intensität, Wellenlänge und Homogenität
der Beleuchtung den Anforderungen des Benutzers an.
Das Beschichtungskonzept
Die VIS-aktiven TiO2-Photokatalysatoren werden durch
reaktive Puls-Magnetronsputterprozesse hergestellt. Durch
die definierte Einstellung der Plasmabedingungen sind
transparente Schichten mit einer hohen Gleichmäßigkeit und
Reinheit möglich. Durch Dotierung mit Übergangsmetallen wie
z. B. Molybdän oder Wolfram kann die Bandkante des photo-
katalytischen Halbleiters begrenzt in den langwelligen Bereich
verschoben werden, um eine Anregung der Oberflächen
mit sichtbarem Licht > 400 nm zu ermöglichen. Neben der
photokatalytischen Funktionalität werden zudem antistatische
Einflüsse durch Verwendung von transparenten leitfähigen
Oxiden (z. B. Indiumzinnoxid) berücksichtigt. Das optische,
elektrische und photokatalytische Design orientiert sich hierbei
am Anforderungskatalog des Anwenders.
anwendung Präzisionswaage
Waagen werden heutzutage von Industrie und Forschung un-
ter verschiedensten Umgebungs- und Nutzungsbedingungen
eingesetzt. Während größere Waagen im industriellen Umfeld
und im Handel häufig stark verschmutzenden, korrosiven
und abrasiven Einflüssen ausgesetzt sind und sehr robust sein
müssen, werden Präzisionswaagen im Laborbereich schon
durch geringste Verschmutzungen oder elektrostatische
Aufladungen empfindlich beeinflusst. Zwischen diesen
Extremen liegt ein sehr großes Anwendungsspektrum.
Entsprechend breit gefächert sind auch die Anforderungen an
die Oberflächeneigenschaften der Grundmaterialien wie z. B.
Glas, Kunststoff oder Metall:
Vermeidung statischer Aufladungen
Selbstreinigung
Reinigungsunterstützung
Desinfektion
Hier setzen photokatalytische Schichten an. Durch Absorption
von ausreichend energetischem Licht, meist UV-Strahlung,
werden adsorbierte organische Verbindungen zu Wasser und
1 Sartorius Analysenwaage
vom Typ Cubis
(MSA 524S-000-DU).
2 Funktionalisierte
Präzisionswaage mit
integrierten LEDs.
KontaKtDipl.-Chem. Tobias Graumann
Telefon +49 531 2155-780
tobias.graumann@ist.fraunhofer.de
Dipl.-Ing. (FH) Frank Neumann
Telefon +49 531 2155-658
frank.neumann@ist.fraunhofer.de
1 2
78 79
M e n S C h u n D u M w e l T
herstellung superhydrophober schich-ten mit atmosphärendrucKplasmenWasserabweisende und selbstre in igende Beschichtungen lassen s ich mithi lfe von Atmosphärendruck-
Plasmaverfahren herste l len. Die Bas is d ieser Beschichtungen bi ldet e ine mikrostruktur ierte Oberf läche, d ie
mit e iner hydrophoben Deckschicht versehen wird. Atmosphärendruck-Plasmaverfahren ermögl ichen die
Beschichtung temperaturempfindl icher Bautei le wie Kunststoffe, Text i l ien, Leder und die Innenbeschich-
tung von geschlossenen Systemen wie Beutel oder Schläuche.
ein Kontaktwinkel größer als 150° erreicht werden. Bei einer
Innenbeschichtung von Kunststoffbeuteln wurden mit diesem
Schichtsystem Kontaktwinkel von bis zu 140° erzielt.
anwendungen
Durch Atmosphärendruck-Plasmaverfahren können auch
temperaturempfindliche Substrate wie Kunststoff, Leder und
Textilien beschichtet werden. Bei Kunststoffbeuteln oder
Schläuchen ermöglicht das Verfahren die Innenbeschichtung.
Durch den Zweischichtaufbau wurde die Stabilität der
Schichten deutlich erhöht, so dass derzeit die Anwendbarkeit
dieser Beschichtungen als schmutzabweisende Oberflächen
untersucht wird. Eine weitere potenzielle Anwendung des
Schichtsystems, die Reduzierung der Biofilmbildung, konnte in
einer Versuchsreihe in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe
von Prof. Krull am Institut für Bioverfahrenstechnik der
TU Braunschweig identifiziert werden. Durch Aufbringen
der Beschichtung wurde ein vermindertes Anwachsen von
Escherichia Coli K12-Zellen auf Silikonfolie beobachtet. Dieser
Effekt ist vermutlich auf die Verringerung der Kontaktfläche
zwischen den rauen Oberflächenstrukturen und den Bakteri-
enzellen zurückzuführen, wodurch die Anlagerung der Zellen
unterdrückt wird.
Adhäsion von E. Coli K12 auf unterschiedlichen Beschich-
tungen.
Zellz
ahl d
urch
Flu
ores
zenz
mik
rosk
opie
Lebe
ndtie
r [c
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L]
OD
590
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Kris
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0,14
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00PEG
68,7°KW:Silikon107,1°
TMS117,7°
Silan/TMS~157°
3000
2000
1000
1200
1000
800
600
400
200
00
Superhydrophobe Beschichtungen
In der Natur findet man häufig superhydrophobe Oberflächen
wie etwa die Blätter vieler Pflanzen oder das Gefieder von
Wasservögeln. Auf den Blättern der Lotuspflanze bildet Wasser
Tropfen mit Kontaktwinkeln von mehr als 150°. Anhaftende
Partikel werden auf diese Weise bei Regen einfach mit dem
abperlenden Wasser von der Oberfläche gespült – das Blatt
reinigt sich selbst (»Lotuseffekt«). Am Fraunhofer IST ist es
gelungen, derartige Beschichtungen in einem Atmosphären-
druck-Plasmaverfahren technisch umzusetzen.
Beschichtungsprozess
Die Beschichtungen werden mittels dielektrisch behinderter
Entladung (Barrierenentladungen) hergestellt. Mit dem
Ziel, eine mikrostrukturierte Oberfläche mit einer möglichst
starken Rauheit zu erhalten, wurden Siliziumoxidpartikel in
Kombination mit einer dünnen hydrophoben Schicht basie-
rend auf siliziumorganischen Monomeren oder fluorhaltigen
Kohlenwasserstoffen auf verschiedene Oberflächen aufge-
bracht. Auf Polymerfolien, Silikon oder Textilien konnte so
KontaKtM. Sc. Kristina Lachmann
Telefon +49 531 2155-683
kristina.lachmann@ist.fraunhofer.de
Dipl.-Ing. Torsten Baranski
Telefon +49 531 2155-678
torsten.baranski@ist.fraunhofer.de
1 3 42
1 Wassertropfen (mit
Fuchsin angefärbt) auf super-
hydrophobem Vliesstoff.
2 Wasserrandwinkel-
messung auf einer super-
hydrophob beschichteten
Oberfläche.
3 REM-Aufnahme einer
superhydrophoben Beschich-
tung auf Vlies.
4 REM-Aufnahme: Innen-
beschichtung eines Kunst-
stoffbeutels mit superhydro-
phober Schicht.
80 81
M e n S C h u n D u M w e l T
dünnschichtsensoriK für gitarrensaitenhalter
1 In die Saitenhalterung
integrierte sensorische
Unterlegscheiben.
2 Saitenhalter mit sensori-
schem Dünnschichtsystem.
KontaKtDr.-Ing. Saskia Biehl
Telefon +49 531 2155-604
saskia.biehl@ist.fraunhofer.de
Das Fraunhofer IST entwickelt zusammen mit der F i rma M3i Technologies GmbH ein neuart iges Verfahren
zur Messung von Zugkräften, d ie während des Gitarrenspie ls auf die Gitarrensaiten ausgeübt werden. Die
Integrat ion von sensor ischen Dünnschichtsystemen auf Bas is der piezores ist iven DiaForce®-Schicht in das
Instrument ste l l t e ine v ie lversprechende Mögl ichkeit dafür dar.
Innendurchmesser 3 mm, Außendurchmesser 9 mm und
einer Dicke von 1,5 mm. Diese Scheiben wurden einseitig
mit der piezoresistiven Sensorschicht DiaForce® beschichtet.
Als Elektrodenmaterialien wurden Stahlfolien wie auch
metallisierte Kunststofffolien mit Laser geschnitten und in
direkten Kontakt mit der sensorischen Funktionsschicht
gebracht. Diese »intelligenten Unterlegscheiben« wurden,
wie in Bild 1 dargestellt, in die Gitarre integriert. Verschiedene
Kontaktmaterialien, Schichtdicken und Abscheideprozesse
wurden untersucht, bis man zu Parametern gelangte, die eine
solide Messung bei den auf der Gitarre existenten Zugkräften
und deren Abweichungen an jeder Saite erlauben. Auf eigens
dafür hergestellten Saitenhaltern wurden die sensorischen
Schichtsysteme mit den zuvor ermittelten Prozessparametern
beschichtet, um eine auch industriell herstellbare Lösung für
die Saitenzugmessung zu demonstrieren. In einer Variante
des sensorischen Schichtsystems wurden die Elektroden direkt
auf die DiaForce®-Schicht strukturiert abgeschieden (Bild 2).
Die ersten Versuche im Entwicklungsprozess zeigen sehr
vielversprechende Ergebnisse.
ausblick
Eine weitere mögliche Anwendung der DiaForce® -Schicht
wird zurzeit untersucht: Beschichtete Saitenhalter könnten
künftig die hexafonen Tonabnehmer ersetzen. Dazu müsste
die Schicht jedoch so empfindlich sein, dass die an der
Saitenaufhängung noch vorhandene Schwingungsenergie in
brauchbare Widerstandsänderung umgesetzt werden kann.
Derzeit wird untersucht, ob beschichtete Saitenhalter zukünf-
tig hexafone Tonabnehmer ersetzen können. Entscheidend
dafür ist, ob die Schicht sensibel genug ist, um die an der
Saitenaufhängung noch vorhandene Schwingungsenergie in
eine brauchbare Widerstandsänderung umzusetzen.
gitarren werden mit neuartigen sensorischen Schichtsys-
temen ausgestattet
Virtuoses Gitarrenspiel gründet auf einer makellosen Technik.
Die Messung des Saitenzugs ist ein wichtiges Element, um die
Spielweise eines Gitarristen möglichst eindeutig in Steuerdaten
umzusetzen, da das Gitarrenspiel verschiedene Saiten-
zug - (Bending) und Vibrato - Techniken einschließt. Mit der von
der Firma M3i Technologies GmbH zur Tonhöhenerkennung
entwickelten Laser Pitch Detection können diese Spannungen
nicht erfasst werden. Daher wurde in Zusammenarbeit mit der
Gruppe Mikro- und Sensortechnologie am Fraunhofer IST ein
mit DiaForce® beschichteter Saitenhalter entwickelt, der den
Zweck des Tension Sensing erfüllt.
entwicklung der Dünnschichtsensorik auf Basis der
piezoresistiven DiaForce®-Schicht
Die Entwicklung begann mit »intelligenten« Unterlegscheiben,
die an die Zugkräfte der Saiten angepasst und mit Kontakten
versehen wurden. Diese Unterlegscheibensensorik besteht
aus einseitig polierten Unterlegscheiben mit den Maßen
1 2
83
l e I S T u n g e n u n D k o M P e T e n z e n
Magnetron-Sputtern und hochionisierte gepulste Plasma-verfahren (HIPIMS, MPP)
Hohlkathodenverfahren
PACVD-Verfahren
Heißdraht-CVD-Verfahren
Atomlagenabscheidung (ALD)
atmosphärendruckverfahren
Galvanische Mehrkomponentensysteme
Elektrochemie
Atmosphärendruck-Plasmaver fahren
Mikroplasmen
Niedrig-Temperatur-Bonden
Kunststoffmetallisierung
Korrosionsschutz
Mikro- und nanotechnologie
Grenzflächenfunktionalisierung
Mikro- und Sensortechnologie
Nanokompositschichten
Zur Bearbeitung der in den vorangegangenen Kapiteln exemplarisch vorgestellten Geschäftsfelder nutzt das IST ein breites Spek-
trum an Kompeten zen, die sich zum einen auf spezielle Schichtsysteme beziehen und zum anderen auf Beschichtungsverfahren:
niederdruckverfahren elektrische und optische Schichten
Optische Schichten
Transparente leitfähige Schichten
Diamant-Elektroden
Silizium-basierte Schichten für Photovoltaik und Mikroelektronik
Oxidische Halbleiter
Isolationsschichten
Superharte Schichten
Diamant
Kubisches Bornitrid (cBN)
reibungsminderung und Verschleißschutz
Amorphe Kohlenstoffschichten (DLC)
Diamantschichten
Hartstoffschichten
Plasmadiffusion
Trockenschmierstoffschichten
analytik und Qualitätssicherung
8 I 9
leistungen und KompetenZen
Darüber hinaus bietet das Institut ein breites Spektrum an Geschäftsfeld übergreifenden Leistungen: Ober flächenvorbehandlung,
Schichtentwicklung, Prozesstechnik (einschließlich Prozessdiagnostik, -modellierung und -regelung), Schichtcharakterisierung
und -prüfung, Aus- und Weiterbildung, anwendungsbezogene Auslegung und Modellierung, Anlagen- und Komponentenent-
wicklung sowie Technologietransfer.
84 85
l e I S T u n g e n u n D k o M P e T e n z e n
hochionisierte gepulste plasmaproZesse – hipp-proZesse
1
1 Prinzip: Unterschied
zwischen HIPIMS und regulä-
rem Sputtern.
KontaKtDr. Ralf Bandorf
Telefon +49 531 2155-602
ralf.bandorf@ist.fraunhofer.de
Jahrzehnt ist die erfolgreiche Integration von HIPP-Prozessen.
Hierzu ist eine breite Expertise auf diesem Feld sowie die
fachkundige Auswahl der richtigen Technologie für die
gewünschten Prozesse erforderlich.
expertise und ausstattung des Fraunhofer IST
Das Fraunhofer IST befasst sich mit der Entwicklung von
Prozessen, Generatoren und Regelungen für HIPP-Prozesse.
Fokus sind HIPP-Prozesse (u. a. HIPIMS, MPP) im Bereich Glas-
beschichtung, TCOs, Photovoltaik, optische, elektrische und
sensorische Schichten sowie Tribologie. Seit 2009 leitet das
Fraunhofer IST eine COST Action zum Thema »Hochionisierte
Gepulste Plasmaprozesse«*. Das Fraunhofer IST verfügt
über nahezu alle kommerziell erhältlichen Hochleistungs-
Pulsgeneratoren sowie eigene Generator-, Regel- und Ver-
fahrenskonzepte zu HIPP-Prozessen. Aktuell sind mindestens
hochionisierte gepulste Plasmaprozesse an der Schwelle
zur industriellen Fertigung
Hochionisierte gepulste Plasmaprozesse wie das Hochleistungs
Impuls Magnetron Sputtern (High Power Impulse Magnetron
Sputtering HIPIMS) und das modulierte Pulsleistungs-
Sputtern (Modulated Pulse Power Sputtering MPP) waren im
letzten Jahrzehnt Gegenstand intensiver und grundlegender
Untersuchungen. Die kurzen, extrem leistungsstarken Pulse
können Plasmen mit 1000fach erhöhten Elektronendichten
erzeugen und so Schichteigenschaften wie Härte, Dichte,
Verschleißfestigkeit, Kristallstruktur nachhaltig beeinflussen.
Aktuell befinden sich ausgewählte Prozesse an der Schwelle
zur industriellen Integration. Dabei werden in Sonderfällen
konventionelle Verfahren verdrängt oder es können einzigar-
tige Schichteigenschaften erzeugt und neue Märkte erstmalig
erschlossen werden. Die Herausforderung für das nächste
Hochionis ierte gepulste P lasmaprozesse (HIPP-Prozesse) ze ichnen s ich durch e inen s ignif ikant erhöhten
Antei l an Ionen des schichtbi ldenden Mater ia ls aus, wodurch s ich die E igenschaften der Schichten nach-
halt ig beeinf lussen lassen.
sechs Labor- und Industrieanlagen für kundenspezifische
Entwicklungen mit HIPP-Technologie ausgestattet. Das
Fraunhofer IST verfügt über Generatoren von:
Advanced Energy (HIPIMS, FuE Prototyp)
Hüttinger Elektronik GmbH + Co. KG (HIPIMS)
Magpuls GmbH (HIPIMS)
Melec GmbH (HIPIMS)
ZPulser LLC (MPP)
ausblick
Zusammen mit der Sheffield Hallam University richten das
Fraunhofer IST und INPLAS e. V. die Internationale HIPIMS
Konferenz 2011 aus. Die weitere Zusammenarbeit mit der
Sheffield Hallam University wird damit auch über das im
Berichtsjahr in Sheffield gegründete HIPIMS-Entwicklungslabor
hinaus intensiviert.
* COST-Action MP0804 Highly Ionised Pulse Plasma Processes, HIPP-Processes; www.hipp-cost.eu
86 87
l e I S T u n g e n u n D k o M P e T e n z e n
pacVd-hochrate-abscheidung Von dlc-schichten
1 PACVD-Anlage DLCar-
bon 1100 mit einer linearen
Mikrowellen-Plasma-Quelle
(Roth&Rau AG).
2 PACVD-Anlage DLCarbon
1100, geöffnete Kammer mit
linearer Mikrowellenquelle
(Roth&Rau AG).
KontaKtDipl.-Ing. Ingmar Bialuch
Telefon +49 531 2155-656
ingmar.bialuch@ist.fraunhofer.de
Dr. Klaus Bewilogua
Telefon +49 531 2155-642
klaus.bewilogua@ist.fraunhofer.de
bleiben. Die dabei betrachteten Prekursoren waren
Toluol – C7H8, Isobutylen – C4H8, Cyclopenten – C5H8 und
Cycloheptatrien – C7H8. Am Fraunhofer IST wurde mit einer
Industrie-Beschichtungsanlage (Kammervolumen ca. 1 m³)
gearbeitet (Bild 1). Die Untersuchungen zeigten, dass für
die betrachteten Prekursoren nur geringe Unterschiede der
Raten zu beobachten sind, wenn man Schichten mit gleichen
Eigenschaften betrachtet. Weitere wesentliche Ergebnisse:
Entscheidend für hohe Abscheideraten sind hohe, am Subs-trat umgesetzte Leistungen, die allerdings auch zu höheren thermischen Belastungen der Substrate führen.
Für die Prekursoren Acetylen (C2H2) und Isobutylen (C4H8) sind höhere Substratleistungen problemlos zu realisieren.
Zunehmende Schichthärten korrelieren mit abnehmenden Abscheideraten.
Mit zusätzlicher Mikrowellenanregung lassen sich, bei gleichen und teilweise höheren Schichthärten, wesentlich höhere Raten erreichen.
Die hier beschriebenen Untersuchungen zeigen, dass für die
Abscheidung harter a-C:H-Schichten mit hoher Rate Acetylen
(C2H2) und Isobutylen (C4H8) am vielversprechendsten sind.
Höhere Raten lassen sich vor allem durch höhere Leistungs-
dichten erreichen.
Plasma assisted Chemical Vapor Deposition (PaCVD)
Das aktuell in der Industrie am weitesten verbreitete Verfahren
zur DLC-Abscheidung ist die Plasma Assisted Chemical
Vapor Deposition (PACVD). Dabei wird das Substrat mit
einer gepulsten Gleichspannung (100 kHz-Bereich) in einem
Prekursor-Argon-Gemisch angeregt. Zur Schichtbildung tragen
Ionen aus dem Plasma und Radikale bei. Mit PACVD-Verfahren
lassen sich mit entsprechenden Prekursoren verschiedene DLC-
Modifikationen mit unterschiedlichen Eigenschaftsprofilen
herstellen. Für eine effektive und kostengünstige industrielle
Nutzung sind hohe Abscheideraten von besonderem Interesse.
Durch zusätzliche Mikrowellenanregungen (MW-PACVD) las-
sen sich die Plasmadichten und damit auch die Abscheideraten
erheblich steigern. Besonders für die heute in der Industrie
etablierten harten a-C:H-Schichten sind Ratensteigerungen
und damit kostengünstigere Prozesse hoch interessant.
hochrate-Prozesse zur abscheidung harter
a-C:h-Schichten
In einem von der AiF geförderten Projekt (Projektpartner TU
Chemnitz, Institut für Physik) wurde die MW-PACVD - Technik
genutzt, um zu untersuchen, ob es Kohlenwasserstoff-
Prekursoren gibt, mit denen die Abscheideraten von reinen
a-C:H-Schichten gegenüber dem »Standard« - Prekursor
Acetylen (C2H2) weiter gesteigert werden können, dabei
aber die Schichteigenschaften, speziell die Härte, erhalten
Amorphe Kohlenstoffschichten mit d iamantähnl ichen Eigenschaften (DLC-diamond-l ike carbon) s ind we-
gen ihrer außergewöhnl ichen Eigenschaften, u. a. hohe Härte und niedr ige Reibwerte, zurzeit vor a l lem in
der Automobi l industr ie von herausragender Bedeutung.
ausblick
Am Fraunhofer IST wird eine neuartige PACVD-Beschichtungs-
anlage, die mit zwei linearen Mikrowellenquellen und einem
rotierenden Substratteller ausgestattet ist, in Betrieb genom-
men. Mit dieser Anlage sollen die Prozesse zur Abscheidung
verschiedener DLC-Modifikationen weiter optimiert werden.
Korrelation Schichthärte-Abscheiderate für die PACVD-
Abscheidung mit Acetylen- und Isobutylen-Prekursoren, An-
regung mit gepulster Gleichspannung (hellblaue Symbole)
bzw. mit zusätzlicher Mikrowellenanregung (rot).
15
5
35
25
0 10 20 30
Schi
chth
ärte
[G
Pa]
Abscheiderate [µm/h]
Isobutylen AcetylenIsobutylen + MW Acetylen + MW
1 2
88 89
l e I S T u n g e n u n D k o M P e T e n z e n
ändert sich die Ladungsverteilung stetig und langsam. Aus
diesem Grund ist ein iterativer Ansatz für die Feldberechnung
sinnvoll, der auf die Lösung des vorigen Zeitschritts zurück-
greift und sehr schnell konvergiert. Das verwendete Verfahren
basiert auf dem Gauß-Seidel-Algorithmus, mit »Successive
Overrelaxation« (SOR) zur Konvergenzbeschleunigung. In
Kombination mit der Parallelisierung mit Hilfe des Message-
Passing-Interfaces (MPI) konnten enorme Performancegewinne
verzeichnet werden. Bild 3 zeigt eine simulierte Elektronen-
dichteverteilung in einem 3-D-PVD-Reaktormodell bei einer
Leistung von ca. 30 W/m. Räumlich wurde diese Anordnung
mit etwa 1 Million Gitterzellen aufgelöst. Die Berechnungszeit
wurde über die ersten 1000 Zeitschritte gemittelt und in
der rechten Graphik über die Anzahl verwendeter Central
Processing Units (CPUs) nach Anteilen separat aufgetragen. Es
zeigt sich, dass die neue Feldberechnung bis um das 20fache
schneller ist und zudem wesentlich effizienter mit steigender
Prozessanzahl skaliert. Dadurch sinkt der Rechenzeitanteil der
Feldberechnung an der Gesamtrechenzeit inklusive Teilchen-
bewegung und Kollision von zuvor über 90 Prozent auf bis
unter 20 Prozent. Hochgerechnet auf die vollständige PIC-
MC-Simulation (etwa 1 Million Zeitschritte) verkürzt sich die
Rechenzeit bei 32 CPUs von ca. einer Woche auf einen Tag.
Aus diesem Grund wurden bisher 3-D-Simulationen bei stark
verringerter Leistung (<1 W/m) durchgeführt, die aufgrund
niedrigerer Teilchendichte schneller konvergieren. Allerdings
lassen sich mit Plasmen derart geringer Dichte nicht alle
Phänomene realitätsnah beschreiben, denn die Teilchenwolke
ragt weit aus der Targetebene heraus (Bild 1). Erst bei höheren
Leistungen (>10 W/m) lokalisiert sich das Plasma in Targetnähe
und man erhält eine Plasmaverteilung, die einem realistischen
Sputterprozess nahekommt (Bild 2).
ausblick
Die Entwicklung der Hardwarearchitektur führt zu immer mehr
CPU-Kernen – von »multi-core« zu »many-core« – mit hohen
Anforderungen an die Skalierbarkeit der Simulation. Mit der
fortschreitenden Entwicklung angepasster Algorithmen für die
PIC-MC-Software können zukünftig immer komplexere und
größere Probleme behandelt werden. Als nächstes steht die
Erweiterung der magnetischen Feldberechnung zur Diskussion,
um induktiv angeregte Plasmen simulieren zu können.
Gemessene CPU-Zeit der PIC-MC-Simulation mit alter und
neuer Feldberechnung.
1
2000
1600
1200
800
400
02 3 4 6 8 12 16 24 32
alte Feldberechnung (FIM)
Anzahl paralleler Prozesse
neue Feldberechnung (TEX)Partikelbewegung + Kollision
Bere
chnu
ngsz
eit
pro
Zeitz
yklu
s [m
s]Für die fortschreitende Optimierung von industriellen Beschich-
tungsanlagen hinsichtlich Durchsatz und Präzision gewinnen
virtuelle Simulationswerkzeuge aufgrund der Kostenersparnis
gegenüber experimentellen Methoden zunehmend an
Bedeutung. Mit der am Fraunhofer IST entwickelten PIC-MC-
Software werden die komplexen Wechselwirkungsprozesse
innerhalb von Niederdruckplasmen erfasst. Die benötigte
Rechenzeit skaliert allerdings stark mit der Problemgröße
sowie mit der Plasmadichte, die proportional zu der Leistung
der Beschichtungsquelle ist. Für große 3-D-Geometrien wurde
eine neue Methode der Feldberechnung der geladenen
Teilchen unumgänglich, da die bisher verwendete elektrische
Feldberechnung anteilig bis zu 90 Prozent der Rechenzeit
bindet.
Performancegewinn durch neue Feldberechnung
Zur Bestimmung des elektrostatischen Feldes einer beliebigen
Ladungsverteilung muss die Poisson-Gleichung gelöst werden.
Mittels Diskretisierung lässt sie sich in ein lineares Gleichungs-
system überführen, das anschließend mittels frei erhältlicher
Softwarepakete (UMFPACK, PETSc) numerisch gelöst werden
kann. Allerdings stoßen diese Pakete entweder schnell an
die Hauptspeichergrenze und rechnen nicht parallel, d. h. auf
mehreren Prozessoren gleichzeitig, oder die Parallelisierung
skaliert nicht zufriedenstellend. Da während einer PIC-MC-
Simulation die Teilchenpositionen zeitlich aufgelöst werden,
neue 3-d-plasmasimulation für industriereleVante probleme
1 32
KontaKtDipl.-Phys. Christoph Schwanke
Telefon +49 531 2155-644
christoph.schwanke@ist.fraunhofer.de
Am Fraunhofer IST wurde eine paral le le Part ic le- In-Cel l Monte-Car lo (P IC-MC)-Simulat ionsumgebung pro-
grammiert , mit der s ich Gasf lüsse sowie Gasent ladungen orts- und zeitaufgelöst berechnen lassen. Durch
die Neuentwicklung einer paral le l arbeitenden Feldberechnungsmethode konnte die Performance um den
Faktor 10 geste igert werden. Damit lassen s ich erstmals industr ienahe Plasmadichten für große 3-D Geo-
metr ien mit vertretbarem Aufwand behandeln.
1-2 Schnitt durch die 3-D-
Plasmaverteilung niedriger
und hoher Leistung.
1 0,06 W/m, Elektronen-
dichte 2,512 – 2,513/m³
2 30 W/m, Elektronendich-
te 5,514 – 5,515/m³
3 Simulierte Elektronen-
verteilung in einem PVD-
Reaktor.
90 91
l e I S T u n g e n u n D k o M P e T e n z e n
In allen Fällen können Beschichtungsrate-Verteilungen auf
beliebig geformten Substraten, detaillierte Druckverteilungen
sowie Teilchenflüsse und Energieverteilungen von Ionen und
Prekursoren am Substrat aus der Simulation gewonnen wer-
den. Auf diese Weise wird ein detailliertes Prozessverständnis
aufgebaut. Im Prozess auftretende Instabilitäten, Inhomo-
genitäten und andere unerwünschte Nebeneffekte können
systematisch analysiert und beseitigt werden. Die Software ist
als Designtool sowohl für die Auslegung von Vakuum-Kesseln
als auch für die Konstruktion neuer Beschichtungsquellen
einsetzbar.
Beispiel: Sputterprozess mit gleichstrom- oder
hochfrequenter wechselstromanregung
Die Bilder 1 und 2 zeigen als Beispiel eine Anordnung zum
Magnetron-Sputtern mit Argon als Sputtergas. Das Sput-
tertarget (rot) ist entweder mit einer Gleichspannungs- oder
Wechselspannungsquelle verbunden. Die Pfeile repräsentieren
die Stromdichte der Ar+-Ionen, die Skala reicht hierbei von
108/cm²s (blau) bis 1014/cm²s (hellrot). Bei Gleichspannungs-
anregung werden die Ar+-Ionen größtenteils vom negativ
geladenen Sputtertarget angezogen. Durch den Ionenbe-
schuss des Targets entstehen gesputterte Teilchen und Sekun-
därelektronen. Letztere erzeugen durch Stoß-Ionisation mit
den Ar-Atomen im Gas weitere Ar+- Ionen. Das Substrat (grün)
wird hierbei nur in geringem Maße von Ionen bombardiert.
Demgegenüber entstehen bei hochfrequenter Wechselstrom-
anregung (13,56 MHz) die Ionen auch im freien Volumen zwi-
schen Target und Substrat aufgrund der Elektronen-Oszillation.
Aufgrund eines stark positiven Plasmapotenzials werden die
Ionen in Richtung aller umgebenden Flächen beschleunigt und
bombardieren dabei auch das Sub strat. Hierdurch ergeben sich
modifizierte Schichteigenschaften wie z. B. geringere Oberflä-
chenrauigkeit, höhere Dichte oder veränderte Kristallphasen.
ausblick
Particle-in-Cell Monte-Carlo-Simulation ermöglicht eine
detaillierte Vorhersage der Abscheidebedingungen am
Substrat in Abhängigkeit von Anlagenkonstruktion und
Prozessparametern. Hiermit lassen sich Prozesstechnologien
entwickeln, die maßgeschneidert im Hinblick auf geforderte
Schichteigenschaften sind. Weiterhin wird die Übertragbarkeit
eines Beschichtungsprozesses auf unterschiedliche Anlagen-
typen vereinfacht.
Am Fraunhofer IST wurde im Rahmen mehrerer geförderter
Projekte eine parallele Simulationsumgebung zur Beschreibung
von Gasströmungen und Gasentladungen im Niederdruckbe-
reich entwickelt. In dieser Software werden Gase und gelade-
ne Teilchen mit Hilfe von repräsentativen Simulationsteilchen
abgebildet. Durch fortlaufende Bewegung der Teilchen,
Aktualisierung der Feldverteilung und statistische Behandlung
von Kollisionen wird die Boltzmannsche Transportgleichung
gelöst. Durch Wahl der Gitterzellengröße und Simulationsteil-
chenanzahl kann die Genauigkeit der Simulation flexibel den
Erfordernissen angepasst werden. Das Simulationsverfahren
ist auf eine Vielzahl von Niederdruck-Beschichtungsverfahren
anwendbar, z. B.:
Magnetron-Sputtern
Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD)
Ionenunterstütztes Sputtern
Aufdampfen und Atomic Layer Deposition (ALD)
simulation des ionenbombardements beim magnetron-sputtern
1 2
KontaKtDr. Andreas Pflug
Telefon +49 531 2155-629
andreas.pflug@ist.fraunhofer.de
Dünne Schichten s ind neben Schichtdicke und Zusammensetzung auch durch weitere Aspekte wie z. B.
Kr ista l l s t ruktur, Dichte, Morphologie, e lektr ische Leitfähigkeit oder mechanische Verspannung gekenn-
zeichnet. Die Gesamtheit a l ler Schichteigenschaften ergibt s ich im Wesent l ichen aus den Tei lchenf lüssen
und Tei lchenenergien beim Wachstumsprozess. Diese Parameter hängen stark von der Anlagengeometr ie,
der Beschichtungsquel len-Konstrukt ion und von Prozessparametern ab und s ind exper imentel l nur schwer
zugängl ich. Die Übertragbarkeit von Beschichtungsprozessen zwischen verschiedenen Anlagetypen ist
somit stark e ingeschränkt. Mit der Part ic le- in-Cel l Monte-Car lo-S imulat ion können wir d ie Wachstumspa-
rameter am Substrat im Detai l vorhersagen und im Hinbl ick auf geforderte Schichteigenschaften maßge-
schneiderte Prozesstechnologien entwickeln.
1+2 Anordnung zum
Magnetron-Sputtern mit
Argon als Sputtergas
Rahmen (blau) geerdet.
1 Bei Gleichstrom.
2 Bei Wechselstrom.
93
n a M e n , D a T e n , e r e I g n I S S e 2 0 1 0
Auch im Jahr 2010 präsentierte sich das Fraunhofer IST wieder auf verschiedenen Plattformen.
Hier finden Sie eine Übersicht der wichtigsten Ereignisse und Aktivitäten des Jahres 2010:
Messen und Konferenzen
ICCG8 – High-tech-Beschichtungen auf Glas und Kunststoff
Workshops
Ereignisse
namen, daten, ereignisse 2010
94 95
n a M e n , D a T e n , e r e I g n I S S e 2 0 1 0
PVSeC 2010
Valencia, 6. – 10. September 2010. Gemeinsam mit zwei den
Fraunhofer-Instituten ILT und IPA stellte das Fraunhofer IST
auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand seine Expertise auf
dem Gebiet der Dünnschicht-Photovoltaik anhand vielfältiger
Anwendungsbeispiele vor. Einen wichtigen Schwerpunkt der
Präsentation bildete das neue Anlagen-Modul »C2« für eine
Magnetron-Sputter-Anlage des Fraunhofer IST. Damit können
bereits heute Oberflächen mit völlig neuen Materialkombi-
nationen beschichtet werden.
6th International Conference on hot-wire Chemical Vapor
Deposition
Paris, 13. – 17. September 2010. Auf der »6th International
Conference on Hot-Wire Chemical Vapor Deposition (Cat-
CVD) Process – HWCVD 2010« in der École Polytechnique,
in Paris-Palaiseau, Frankreich, präsentierte die Abteilung
Diamanttechnologie des Fraunhofer IST zum ersten Mal die
neue Heißdraht-CVD-Inlineanlage. Ein eingeladener Vortrag
stellte die Arbeiten des Fraunhofer IST zur Heißdraht-CVD-
Technologie vor. Was damit schon heute im Bereich der
Siliziumbeschichtung möglich ist, demonstrierten mehrere
mit Silizium und Siliziumnitrid beschichtete Substrate, da-
runter zwei große beschichtete Planarsubstrate im Format
500 x 600 mm2.
messen und KonferenZenPSe 2010
Garmisch-Partenkirchen, 13. – 16. September 2010. Auf
der »12th International Conference on Plasma Surface
Engineering – PSE 2010«, Deutschlands größter internationaler
Plasmatagung, präsentierte sich das Fraunhofer IST gemein-
sam mit dem Fraunhofer FEP, den Firmen SOFTAL und MELEC
sowie dem französischen Netzwerk Via Méca auf einem vom
Kompetenznetz INPLAS e. V. organisierten Gemeinschafts-
stand. Das Fraunhofer IST zeigte dort ein breites Spektrum
seiner Entwicklungen.
IFaT enTSorga 2010
München, 13. – 17. September 2010. Im Rahmen der
Fraunhofer-Allianz Syswasser stellte das Fraunhofer IST die
am Institut entwickelte Technologie zur Behandlung von
Trinkwasser und zur Reinigung von Abwasser auf der Basis von
Diamantelektroden vor. Der Demonstrator stieß auf breites
Interesse der Messebesucher.
glasstec 2010
Düsseldorf, 28. September – 1. Oktober 2010. Ob die eisfreie
Scheibe, aktuelle Forschungsergebnisse im Bereich der trans-
parent leitfähigen Oxide (TCOs), das neue Anlagenmodul zum
zylindrischen Co-Sputtern C2 oder superhydrophobe Oberflä-
chen – das breite Kompetenzspektrum für Glas des Fraunhofer
IST war auf der weltgrößten Glasmesse deutlich sichtbar. Auf
der begleitenden Fachausstellung »Glass Technology live«
zeigte das Fraunhofer IST neueste Entwicklungen im Bereich
transparent leitfähige Schichten auf großen Flächen.
Biotechnica 2010
Hannover, 5. – 7. Oktober 2010. Das Fraunhofer IST war auf
dem niedersächsischen Gemeinschaftsstand mit den neuesten
Forschungsergebnissen zur Innenbeschichtung von Stammzel-
len- und Blutbeuteln für die Medizintechnik vertreten.
euroblech 2010
Hannover, 26. – 30. Oktober 2010. Das Fraunhofer IST stellte
neueste Forschungsergebnisse aus dem Bereich der Titan-
umformung auf der Weltleitmesse der blechbearbeitenden
Industrie vor. Von innovativen Umformprozessen für Bauteile
aus Titan, insbesondere aus höherfesten Titanlegierungen,
über die dafür erforderlichen Umformprozesse und Werkzeug-
werkstoffe bis zu angepassten Werkzeugbeschichtungen – die
präsentierte Bandbreite war groß.
k 2010
Düsseldorf, 27. Oktober – 3. November 2010. Das Fraunhofer
IST beteiligte sich auch in diesem Jahr am Fraunhofer-Gemein-
schaftsstand auf der weltweit größten Kunststoffmesse. Über
sieben Tage präsentierte sich das Institut unter anderem mit
neuen Technologien. Schwerpunkt waren Atmosphärendruck-
Plasmaverfahren, u. a. die Plasma-Printing-Technologie zur
Herstellung gedruckter Elektronik, flexibler Leiterplatten oder
Biosensoren. Darüber hinaus wurden Schichten auf Polycarbo-
nat mit hoher photokatalytischer Aktivität vorgestellt.
denkmal 2010
Leipzig, 18. – 20. November 2010. Wissenschaftler des
Fraunhofer IST präsentierten auf einer der wichtigsten
europäischen Messen zum Thema Denkmalpflege und
Restaurierung neue Methoden zur schonenden Reinigung von
Silberoberflächen im Atmosphärendruck-Plasma.
»karlsruher arbeitsgespräche«
Karlsruhe, 9. – 10. März 2010. Der BMBF-Kongress »Karlsru-
her Arbeitsgespräche Produktionsforschung« fand am 9. und
10. März 2010 zum zehnten Mal statt. Unter dem Motto »Pro-
duktion in Deutschland hat Zukunft« stellte das Fraunhofer IST
ein Projekt zum Thema »Integrierte Dünnschichtsensorik« und
ein weiteres zum Thema »Plasma Printing« vor.
hannover Messe 2010
Hannover, 19. – 23. April 2010. Das Fraunhofer IST war
in diesem Jahr mit der Gruppe Mikro- und Sensortechnik
innerhalb der Fraunhofer - Allianz Adaptronik auf der Hannover
Messe vertreten. Es wurden unterschiedliche Anwendungen
der Dünnschichtsenorik in Umformprozessen vorgestellt: vom
Tiefziehen bis zur Innenhochdruckumformung.
1st International Conference on hIPIMS
Sheffield, 6. – 7. Juli 2010. Ein weiterer Baustein der Koopera-
tion zwischen dem Fraunhofer IST, der Sheffield Hallam Uni-
versity und INPLAS e.V. ist die gemeinsame Ausrichtung einer
internationalen, jährlich stattfindenden HIPIMS Konferenz, die
abwechselnd in Sheffield oder in Braunschweig stattfinden
wird. Der Anfang wurde im Juni 2010 in Sheffield gemacht:
Hier fand die »1st International HIPIMS Conference« statt und
war mit 120 Teilnehmern aus aller Welt ein großer Erfolg.
96 97
n a M e n , D a T e n , e r e I g n I S S e 2 0 1 0
ab und ist der Treffpunkt der Community der Glas- und
Kunststoffbeschichtung.« Zwei ausgewählte wissenschaftliche
Beiträge der ICCG8:
wie kann photokatalytische aktivität quantitativ
analysiert werden?
Photokatalytische Beschichtungen sind von großem
industriellem Interesse bei verschiedenen Anwendungen wie
selbstreinigenden, bewuchshemmenden, antibeschlagenden
und antimikrobiellen Oberflächen. Das bekannteste und in
kommerziellen Produkten am häufigsten eingesetzte photo-
katalytische Material ist kristallines Titandioxid (TiO2). Für die
Herstellung von TiO2-Beschichtungen können unterschiedliche
Beschichtungstechniken zum Einsatz kommen, wie zum
Beispiel Magnetron-Sputtern, thermische Aufdampfverfahren,
Sol-Gel-Verfahren, Lackiertechnik, thermisches Spritzverfahren
oder verschiedene CVD-Verfahren. All diese Technologien
werden innerhalb der Fraunhofer-Allianz Photokatalyse unter-
sucht. Um die Leistungsfähigkeit der mit den verschiedenen
Technologien hergestellten Beschichtungen besser miteinander
vergleichen zu können, entwickelt die Fraunhofer-Allianz Pho-
tokatalyse neue Methoden für eine quantitative Bestimmung
der photokatalytischen Aktivität. Dr. Michael Vergöhl, Sprecher
der Fraunhofer-Allianz Photokatalyse und der Leiter der Ab-
teilung Optische und Elektrische Schichten des Fraunhofer IST
stellte auf der ICCG8 einen Vergleich der verschiedenen
Herstellungsmethoden vor. Dr. Michael Vergöhl, Fraunhofer IST
Strukturierte Metallisierung von kunststoff- und gla-
soberflächen mittels Plasma-Printing
Kosteneffiziente und ressourcenschonende Technologien
zur strukturierten Funktionalisierung und Beschichtung von
Oberflächen im Mikrometerbereich spielen für die Glas - und
Kunststoffindustrie eine wichtige Rolle. Wissenschaftler des
Fraunhofer IST entwickeln derzeit zusammen mit Partnern aus
Industrie- und Wissenschaft eine neue Technologie zur ortsse-
lektiven Behandlung von Polymerfolien im Durchlaufverfahren
auf der Basis des Plasma-Printings bei Atmosphärendruck.
Damit können die Oberflächen von Folien beispielsweise so
funktionalisiert werden, dass additiv auf den plasmabehan-
delten Bereichen eine haftfeste Metallisierung mittels außen-
stromloser Verfahren möglich ist. Diese Technologie ermöglicht
die kostengünstige Herstellung von unter anderem flexiblen
Leiterplatten, RFID-Antennen oder Biosensoren bei gleichzeitig
sparsamem Umgang mit wertvollen Rohstoffen wie Kupfer.
Plasma-Printing ist aber auch für die Strukturierung von Glas-
oder Siliziumoberflächen, wie z. B. bei der Herstellung von
Solarzellen oder MEMS, einsetzbar. Dr. Michael Thomas, Fraunhofer IST
Die über 400 Teilnehmer erwartete an fünf Konferenztagen
ein von einem Gremium internationaler Experten zusammen-
gestelltes vielfältiges Programm aus Vorträgen zu Märkten
und Trends im Bereich Glas und Kunststoff, zur Technologie
der Plasma- und Ionenquellen, zu Atmosphärendruckplas-
maverfahren, zu Prozesskontrolle und Charakterisierung,
den Eigenschaften dünner Schichten und zu einer Vielzahl
verschiedener Anwendungen, u. a. aus den Feldern Photovol-
taik, Automotive, Architektur, Displays und flexible Elektronik.
Eine Podiumsdiskussion zum Thema »Large Area Thin Films for
Energy Efficiency« und eine Posterausstellung ergänzten das
umfangreiche Informationsangebot. In der begleitenden tech-
nischen Ausstellung präsentierten mehr als 40 internationale
Unternehmen und Forschungseinrichtungen ihre Produkte und
Neuentwicklungen. Die ICCG wurde zum zweiten Mal vom
Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in
Braunschweig organisiert. Professor Dr. Günter Bräuer, Local
Chairman und Institutsleiter des Fraunhofer IST: »Die ICCG ist
auch in diesem Jahr wieder sehr erfolgreich verlaufen – eine
wichtige Konferenz – auch für unser Institut: Sie deckt sowohl
wissenschaftliche als auch anwendungsorientierte Aspekte
iccg8 – high-tech-beschichtungen auf glas und KunststoffVom 13. bis 17. Juni 2010 bot die 8. Internat ional Conference on Coat ings on Glass and Plast ics a ls d ie
führende Konferenz im Bereich Glas- und Kunststoffbeschichtungen Experten und Entscheidungsträgern
aus Wissenschaft und Wirtschaft wieder e ine wicht ige P lattform, um Zukunftstrends, neue Technologien,
Entwicklungen und Anwendungen zu diskut ieren und interessante Kontakte zu knüpfen. Die Internat iona-
le Konferenz wurde zum zweiten Mal federführend vom Fraunhofer IST und dem internat ionalen Organi-
sat ionskommitee der ICCG in Braunschweig organis iert .
98 99
n a M e n , D a T e n , e r e I g n I S S e 2 0 1 0
worKshopskick-off workshop der arbeitsgruppen zur
CoST action MP0804
Brüssel, 10. – 11. Mai 2010. Im Rahmen der COST Action
MP0804, die sich mit hochionisierten gepulsten Plasmaprozes-
sen und deren Industrialisierung befasst, fand in Brüssel der
erste gemeinsame Workshop der Arbeitsgruppen der Action
statt. Es trafen sich 42 Experten auf dem Gebiet der gepulsten
Plasmaprozesse, wie z. B. HIPIMS oder MPP und diskutierten
auf hohem Niveau verschiedene Themen. Der Workshop
umfasste die Erzeugung von HIPP Plasmen, die Charakteri-
sierung von Plasma und Schichten sowie die Modellierung
und Simulation von HIPP-Prozessen. Die wissenschaftlichen
Themen wurden durch angewandte Forschungsergebnisse zu
Prozessen für nicht-reaktive und reaktive Schichtabscheidung
mit industrieller Zielsetzung ergänzt. Dieser Workshop
gab den offziellen Startschuss für die Arbeit der einzelnen
Arbeitsgruppen.
3. workshop zur Internationalen Standardisierung von
kohlenstoffschichten
Garmisch-Partenkirchen. Die internationale Normung
von Kohlenstoffschichten bildete den Schwerpunkt eines
Workshops, den das Fraunhofer IST auf der PSE 2010 in
Garmisch-Partenkirchen organisiert hat: Auf dem »3rd Work-
shop International Standardization of Carbon Films« stellten
Vortragende aus Europa und Asien den jeweiligen Stand der
eFDS-workshop »gepulste hochionisierte Plasmen – von
der grundlage zur anwendung«
Dresden, 28. November 2010. Gemeinsam mit der Europäi-
schen Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e. V. hat das
Fraunhofer IST den Workshop »Gepulste hochionisierte Plas-
men – von der Grundlage zur Anwendung« vorbereitet. Einer
Einführung in das Thema folgten verschiedene akademische
und industrielle Beiträge zum Stand der Technik im Bereich
gepulster hochionisierter Plasmen (PVD, PACVD, Diffusion). Im
Fokus standen Plasma-CVD- und PVD-Verfahren, mit der Ver-
tiefung Hochleistungs-Impuls-Magnetronsputtern (HIPIMS).
online-Vorlesung »Plasma leuchtet ein«
Welchen Siegeszug die Plasmatechnik bis heute bereits
angetreten hat und welche Potenziale in ihr für die Zukunft
stecken, beschreibt Prof. Dr. Günter Bräuer, Institutsleiter
am Fraunhofer IST in einer Online-Vorlesung zum Thema
»Plasma-Oberflächentechnik – ein Blick in eine bisher fast
unbekannte Welt«. Kompakt und verständlich, unterstützt
durch viele Graphiken und Zuspielfilme, führt Prof. Dr. Günter
Bräuer in das Anwendungsspektrum der Plasmatechnik und
die Möglichkeiten, die dünne Schichten bieten, ein. Die
Vorlesung kann als DVD unter www.ist.fraunhofer.de bestellt
werden.
Forschung, Normung und den industriellen Einsatz vor. In der
anschließenden Podiumsdiskussion betonten viele der circa
50 Teilnehmer die Notwendigkeit einer international einheitli-
chen Klassifikation und Nomenklatur, ISO-Norm, für amorphe
Kohlenstoffschichten (DLC) und CVD-Diamantschichten.
22. und 23. Treffen des Industrie-arbeitskreises werk-
zeugbeschichtungen und Schneidstoffe
Berlin, Braunschweig – März, November 2010. In diesem Jahr
traf sich der Industrie-Arbeitskreis, der vom Fraunhofer-Institut
für Schicht- und Oberflächentechnik IST und dem Institut für
Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb IWF der TU Berlin or-
ganisiert wird am 3. März 2010 in Berlin am Produktionstech-
nischen Zentrum (PTZ) und ein zweites Mal am 16. November
2010 in den Räumen des Fraunhofer IST in Braunschweig.
Auf beiden Veranstaltungen präsentierten wieder namhafte
Experten aus Industrie und Forschung neueste Erkenntnisse
und Entwicklungen zu Herstellung und Einsatz von beschich-
teten Zerspanungswerkzeugen und Schneidstoffen, diesmal
unter anderem zu den Themen Werkstoffe im Powertrain,
Glatte Diamantbeschichtungen, Gesamtschneidstoffsysteme,
Temperaturregelung, Wälzbeständigkeit von DLC-Schichten,
Schleifen mit CVD-Diamantschichten und Schichtsysteme für
die Hartbearbeitung. In der begleitenden Industrieausstellung
wurden Produkte zur optischen Vermessung der Form und
Rauheit von Werkzeugen sowie Überwachungssysteme für
Zerspanungsprozesse vorgestellt.
100 101
n a M e n , D a T e n , e r e I g n I S S e 2 0 1 0
ereignisseForschung für die Dünnschicht-Photovoltaik –
Fraunhofer IST und helmholtz-zentrum Berlin (hzB)
vereinbaren enge zusammenarbeit
Wie kann der Wirkungsgrad von Solarzellen weiter gesteigert
werden? Wie können die Kosten gesenkt werden? Antwort
auf diese und andere Fragen zur Dünnschicht-Photovoltaik
geben das Fraunhofer IST und das HZB zukünftig gemeinsam.
Beide Institute wollen ihre zentralen Kompetenzen bündeln:
Das Fraunhofer IST bringt sein Know-how zur Dünnschicht-
technik ein, das HZB ist führend auf dem Gebiet der
Dünnschicht-Photovoltaik. Um den Technologietransfer zu be-
schleunigen, wurde am HZB das Kompetenzzentrum PVcomB
gegründet. Hier werden Produktionstechniken zur Herstellung
von Dünnschichtmodulen aus Silizium und CIS erprobt. Das
Fraunhofer IST bringt dabei seine Forschungskompetenz auf
den Gebieten Oberflächentechnik und Schichtsysteme ein.
Fraunhofer IST gründet hIPIMS research Centre
Das Fraunhofer IST und die Sheffield Hallam Universität in
Sheffield UK haben ein gemeinsames HIPIMS Research Cen-
tre gegründet, um die internationale Spitzenstellung, die die
beiden Institutionen auf diesem speziellen Gebiet der PVD-
Beschichtungstechnologien besitzen, weiter auszubauen und
zu festigen. Ziele des Centres sind die Zusammenarbeit in
internationalen Projekten, der Austausch von Mitarbeitern und
Studenten sowie das Angebot von Blockvorlesungen in beiden
Institutionen. Das Centre wurde im Rahmen einer feierlichen
Zeremonie anlässlich der 1st International Conference on HI-
PIMS im Juni 2010 in Sheffield von Vice-Chancellor Professor
Mike Smith, SHU und Wolfgang Diehl, stellvertretender Insti-
tutsleiter Fraunhofer IST, vorgestellt und eröffnet.
reTeCza - globale Partnerschaft zur armutsminderung
in Südafrika
Im Rahmen des RETECZA Resource-Driven Technology Con-
cept Centre sollen kostengünstige und autonome Lösungen
für Hausbau, Infrastruktur sowie Fahrzeuge, die für den
Einsatz in abgelegenen Regionen Südafrikas geeignet sind,
entwickelt werden. Als erstes erfolgreiches Projekt der RETEZ-
CA Initiative wurde im Rahmen der 2. RETECZA Konferenz
im August 2010 in Kwa Maritane das »Hydrogen-Bike«, ein
wasserstoffbetriebenes Dreirad in Anwesenheit der südafri-
kanischen Forschungsministerin der Öffentlichkeit vorgestellt.
Die Presse- und Medienresonanz dazu war außergewöhlich
groß: über drei Monate wurden weltweit Fernsehbeiträge und
Radioreportagen ausgestrahlt. Das Fraunhofer IST arbeitet
innerhalb des Projektes im Bereich »Water Treatment« an Dia-
mantelektroden zur Abwasserbehandlung und Hygienisierung.
Wolfgang Diehl, stellvertretender Institutsleiter, vertritt das
Fraunhofer IST im Board des Projektes.
Mädchen-zukunftstag am Fraunhofer IST
Auch 2010 hieß es im Fraunhofer IST wieder: Mädchen unter
sich. Für die acht Teilnehmerinnen des Girls’ Days stand das
Erproben ihrer technischen Fähigkeiten im Vordergrund, als
sie in Reinraumkleidung Mikrostrukturen im Gelblichtlabor
herstellten. Mittels Fotolithografie und anschließender
nasschemischer Ätzung wurden dekorative Bilder in eine
Chromschicht strukturiert. Die hergestellten Designs
untersuchten die Mädchen danach mit Lichtmikroskopen
und Profilometern. Innerhalb eines Tages durchliefen die
Schülerinnen so die Prozesskette, die für die Mikrotechnologie
typisch ist. »Es ist jedes Jahr wieder ein gutes Gefühl zu sehen,
mit wie viel Interesse die Schülerinnen diese anspruchsvollen
Aufgaben meistern. Wir hoffen sehr, in Zukunft einige von
ihnen als Praktikantinnen hier am Institut wieder zu sehen«, so
die Beauftragte für Chancengleichheit des Instituts, Dr. Saskia
Biehl, über das Engagement der Teilnehmerinnen.
neubaueinweihung am Fraunhofer IST
Gemeinsam mit Prof. Dr. Alfred Gossner, Finanzvorstand
der Fraunhofer-Gesellschaft, und über 100 Gästen aus
Forschung, Industrie und Politik weihte das Fraunhofer-Institut
für Schicht- und Oberflächentechnik IST am 28. Mai 2010
den neuen Institutsteil ein. Nach drei Jahren Bauzeit sind die
beiden Abteilungen »Transferzentrum Tribologie« und »Neue
Tribologische Beschichtungen« in den Neubau eingezogen.
Von der Reinigung und Vorbehandlung der Werkstücke bis zur
Beschichtung wird hier in industriellem Maßstab gearbeitet.
Nicht nur die Abteilungen des Fraunhofer IST, sondern auch
das Universitätsinstitut für Oberflächentechnik IOT, das von
Prof. Bräuer und Prof. Klages geleitet wird, zieht in die neue
Halle und bringt Maschinen zur Oberflächenhärtung mit
den sogenannten Plasmadiffusionsverfahren ein. Hier ergibt
sich eine einzigartige Möglichkeit für die Zusammenarbeit
zwischen Grundlagenforschung und anwendungsnaher
Forschung. Die Infrastruktur des Gebäudekomplexes hat sich
besonders im ersten Stock verändert. Eine gläserne Brücke
mit elektrochromen Fenstern verbindet beide Institutsteile
miteinander. »Die Brücke steht für das verbindende Element
zwischen dem neuen und dem alten Institutsteil und damit für
die Zukunft unseres Instituts. Mit den schaltbaren Schichten
möchte das Fraunhofer IST ein weiteres Einsatzfeld für
modernste Dünnschichttechnologie präsentieren. Darüber
hinaus liefert das Hightech-Glas auch einen Beitrag zum
Klimaschutz«, so Prof. Bräuer, Institutsleiter des Fraunhofer IST.
Tag der offenen Tür 2010
Wie erzeugen die Forscher Blitze im Labor und was machen sie
mit einem Plasma? Wie kann man mit Diamant Wasser reini-
gen? Am 28. August 2010 lud das Fraunhofer IST gemeinsam
mit dem Fraunhofer WKI alle Interessierten aus Braunschweig
und Umgebung dazu ein, diese und viele andere spannende
Fragestellungen der Schicht- und Oberflächentechnik und der
Holzforschung spielerisch zu entdecken. In den Laboren und
auf dem Fraunhofer-Campus konnten die über 900 Besucher
einen ganzen Tag lang in vielfältigen Mit-Mach-Aktionen,
Vorführungen und einem bunten Rahmenprogramm für
Groß und Klein mit Kletterwand, Hüpfburg und vielem mehr
erleben, was hinter den Fassaden der Hightech-Institute steckt.
Das Fraunhofer IST feierte mit dem Tag der offenen Tür auch
seinen 20. Geburtstag.
Festkolloquium für Dr. Peter willich – Verabschiedung
von Monika geertsema
Mit einem Festkolloquium verabschiedete das Fraunhofer IST
am 22. Juni 2010 den international anerkannten Experten
und langjährigen Abteilungsleiter für Analytik und Qualitäts-
sicherung am Institut Dr. Peter Willich. Peter Willich baute die
analytische Abteilung im Fraunhofer IST federführend auf und
erweiterte sie bald durch den sehr erfolgreichen Bereich der
externen Auftragsanalytik. Mit seiner Expertise hat er das Profil
des Instituts von Beginn an maßgeblich geprägt. In diesem
feierlichen Rahmen wurde ebenfalls Monika Geertsema,
Sekretärin der Institutsleitung, verabschiedet. Sie war seit der
Etablierung des Fraunhofer IST 1994 dabei. Mit viel Herz,
Organisationstalent und Entschlossenheit hat sie sich stark für
die Mitarbeiter und unsere Kunden engagiert.
102 103
V e r ö F F e n T l I C h u n g e n
MITarBeIT In greMIenBandorf, R.: COST Action MP0804, Action Chairman.
Bandorf, R.: Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische
Baugruppen 3-D MID e. V., Mitglied.
Bandorf, R.: Humboldt Stiftung, Gutachter.
Bandorf, R.: International Conference on HIPIMS, Conference
Chairman.
Bandorf, R.: International Conference on Metallurgical Coatings and
Thin Films, Session Chairman.
Bandorf, R.: Society of Vacuum Coaters, Session Chairman, Volun-
teer Mentor.
Bandorf, R.: Zentrum für Mikroproduktionstechnik e. V., Mitglied.
Bewilogua, K.: DGM-Arbeitskreis »Materialkundliche Aspekte der
Tribologie und der Zerspanung«, Mitglied.
Borries, von, G.: Kompetenzzentrum »Ultradünne funktionale
Schichten«, Mitglied.
Brand, C.: Europäische Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e. V.
(EFDS), Mitglied.
Brand, C.: Kompetenznetz Industrielle Plasma-Oberflächentechnik
INPLAS e. V., Geschäftsführerin.
Brand, C.: Plasma Germany, Mitglied des Koordinierungs-
ausschusses.
Brand, J.: Europäische Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e.V.
(EFDS), Leitung des Fachausschusses »Tribologische Schichten«.
Brand, J.: Gesellschaft für Tribologie (GfT), Mitglied.
Brand, J.: International Colloquium Tribology, Tribology and Lubrica-
tion Engineering, Mitglied im Programme Planning Committee.
Bräuer, G.: AufsichtsratderPVATePlaAG, Mitglied.
Bräuer, G.: European Joint Committee on Plasma and Ion Surface
Engineering (EJC / PISE), Chairman.
Bräuer, G.: International Conference on Coatings on Glass (ICCG),
Mitglied des Organisationskomitees.
Bräuer, G.: International Council for Coatings on Glass (ICCG) e. V.,
Mitglied des Vorstands.
Bräuer, G.: ISFH, Mitglied des Beirats.
Bräuer, G.: Kompetenznetz Industrielle Plasmaoberflächentechnik
(INPLAS) e. V., Vorstandsvorsitzender.
Bräuer, G.: Nano- und Materialinnovationen Niedersachsen e. V.
(NMN), Mitglied des Vorstands.
Bräuer, G.: Zeitschrift »Vakuum in Forschung und Praxis«, Mitglied
des Kuratoriums.
Bräuer, G.: Zentrum für Mikroproduktionstechnik e. V., Mitglied des
Vorstands.
Diehl, W.: Deutsche Forschungsgesellschaft für Oberflächenbehand-
lung DFO, Mitglied des Vorstands.
Diehl, W.: Europäische Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e. V.
(EFDS), Mitglied des Vorstands.
Diehl, W.: ForschungRegion Braunschweig, Mitglied des Lenkungs-
kreises.
Diehl, W.: Glass Performance Days (GDP), Mitglied des Advisory
Boards.
Diehl, W.: Plasma Germany, Mitglied des Koordinierungsausschusses.
Diehl, W.: RETECZA NPO, Pretonia SA, Mitglied des Boards.
Diehl, W.: Society of Vacuum Coaters (SVC), Director, Mitglied des
Executive Board.
Diehl, W.: Society of Vacuum Coaters (SVC), Mitglied des »Internati-
onal Relations Committee«.
Diehl, W.: Technologietransferkreis ForschungRegion Braunschweig,
Mitglied.
Dietz, A.: Arbeitsgemeinschaft Elektrochemischer Forschung (AGEF),
Mitglied.
Dietz, A.: Deutsche Gesellschaft für Galvano- und Oberflächentech-
nik e. V. (DGO), Mitglied des Vorstands.
Dietz, A.: Deutsche Gesellschaft für Galvano- und Oberflächen-
technik e. V. (DGO), stellvertretender Vorsitzender Ortsgruppe
Niedersachsen.
Dietz, A.: Fachausschuss »Forschung« der DGO, Mitglied.
Dietz, A.: Fachausschuss »Kombinationsschichten« der DGO,
Mitglied.
Dietz, A.: Gesellschaft für Korrosionsschutz (GfKorr), Mitglied.
Gäbler, J.: DIN Normenausschuss 062 Materialprüfung, Arbeits-
ausschuss 01-72 »Chemische und elektrochemische Überzüge«,
Mitglied.
Gäbler, J.: European Society for Precision Engineering and Nanotech-
nology, Mitglied.
Gäbler, J.: European Technology Platform for Advanced Materials
and Technologies EuMaT, Mitglied.
Gäbler, J.: Industrie-Arbeitskreis »Werkzeugbeschichtungen und
Schneidstoffe«, Leitung.
Gäbler, J.: Kompetenznetz Industrielle Plasma-Oberflächentechnik
INPLAS, Arbeitsgruppenleiter Werkzeuge.
Gäbler, J.: VDI-Richtlinien-Fachausschuss »CVD-Diamant-Werkzeu-
ge«, Mitglied.
Neumann, F.: CEN / TC386 »Photocatalysis«, WG2 »Air Purification«,
WG4 »Selfcleaning«, WG6 »Light Sources«, Mitglied, Europäisches
Komitee für Normung.
Neumann, F.: DIN Normenausschuss 062 Materialprüfung, Arbeits-
ausschuss NA 062-02-93 AA »Photokatalyse«, Mitglied; Leitung des
Arbeitskreises »Photokatalytische Selbstreinigung«, DIN Deutsches
Institut für Normung e.V..
Keunecke, M.: European Society for Precision Engineering and
Nanotechnology, Mitglied.
Keunecke, M.: International Conference on Metallurgical Coatings
and Thin Films (ICMCTF), Session Chairman.
Klages, C.-P.: Nano- und Materialinnovationen Niedersachsen e.V.
(NMN), Fachbeirat Oberflächen.
Klages, C.-P.: Europäische Forschungsgesellschaft Dünne Schichten
e.V. (EFDS), Mitglied des wissenschaftlichen Beirats.
Schäfer, L.: Beirat der Condias GmbH, Mitglied.
Schäfer, L.: Industriearbeitskreis »Werkzeugbeschichtungen und
Schneidstoffe«, Mitglied.
Schäfer, L.: Nano- und Materialinnovationen Niedersachsen e. V.
(NMN), Mitglied.
Schäfer, L.: Nanotechnologie-Kompetenzzentrum Ultrapräzise
Oberflächenbearbeitung CC UPOB e. V., Mitglied.
Thomas, M.: Arbeitskreis Atmosphärendruckplasmaverfahren (AK-
ADP), Mitglied.
Thomas, M.: EFDS-Fachausschuss »Atmosphärendruck Plasmatech-
nologien«, Mitglied.
InTernaTIonale gäSTeHerr Sang-gweon Kim, Ph.D., KITECH – Korea Institute of Industrial
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elektrisch leitfähige Schicht, Anordnung umfassend eine photoelek-
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ten Elektrode.
Veröffentlichungen
104 105
V e r ö F F e n T l I C h u n g e n
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108 109
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technik: Stand und Perspektiven, Berichtsband über das 32. Ulmer
Gespräch am 29. und 30. April 2010 in Neu-Ulm (Donau), Edwin-
Scharff-Haus, Silcherstraße 40. Saulgau: Leuze, 2010, S. 102 − 106.
Thomas, M.; Borris, J.; Weidlich, E.-R.; Elbick, D.; Klages, C.-P.:
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nizing Committee of ICCG u. a.: Proceedings of the 8th International
Conference on Coatings on Glass and Plastics (ICCG): Advanced
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sputtering of SiO2 with planar and cylindrical magnetrons. In: Kon-
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on Glass and Plastics (ICCG): Advanced Coatings for Large-Area or
High-Volume Products, Braunschweig, Germany, June 13 − 17, 2010.
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Conference on Coatings on Glass and Plastics (ICCG): Advanced
Coatings for Large-Area or High-Volume Products, Braunschweig,
Germany, June 13 − 17, 2010. Braunschweig, 2010, pp. 301 − 305.
Vergöhl, M.; Rademacher, D.; Fritz, B.: Sputtern optischer Schichten
mit Rotatable-Kathoden: Partikelbelastung und Schichteigenschaf-
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Kolloquium »Dünne Schichten in der Optik«, Tagungsband: Plen-
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Biehl, S.: Optimierte Regelung von Umformprozessen durch inte-
grierte Dünnschichtsensorik (Poster), Karlsruher Arbeitsgespräche,
Karlsruhe, Deutschland, 9. − 10. März 2010.
Biehl, S.: Hydrogenated carbon layer system for sensory applications
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Biehl, S.: Das Anwendungspotenzial von sensorischen Dünn-
schichtsystemen für den funktionsintegrierten Leichtbau (Vortrag),
Nano- und Materialinnovationen Niedersachsen e. V. (NMN) AK
Funktionsinte- grierter Leichtbau, Braunschweig, Deutschland, 28.
September 2010.
Biehl, S.: Energieautarke hochverschleißfeste Dünnschichtsensoren
für Anwendungen im Maschinenbau (Vortrag), Deutsche IMAPS
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für sensorische Anwendungen »3dThinSens« (Vortrag), Öffentliche
Präsentation der Wissenschaftlichen Projekte des Jahres 2010 von vdi
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Biehl, S.: Measurement and Monitoring System for Forming Proces-
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Weber, M.; Kaestner, P.; Köster, K.; Thomsen, H.; Paschke, H.: Influ-
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Vacuum Coaters, 2010, pp. 519 − 524.
VorTräge, PoSTerAntsupov, G.; Gäbler, J.; Brinksmeier, E.; Schäfer, L.; Riemer, O.;
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Wheels (Poster), 11th International euspen Conference, Delft,
Niederlande, Mai / Juni 2010.
Antsupov, G.; Brinksmeier, E.; Riemer, O.; Gäbler, J.; Schäfer, L.: CVD
Diamond Coating as Abrasive Layer for Grinding, 23. Treffen des
Industrie-Arbeitskreises Werkzeugbeschichtungen und Schneidstoffe,
Braunschweig, Deutschland, November 2010.
Antsupov, G.; Brinksmeier, E.; Riemer, O.; Gäbler, J.; Schäfer, L.: CVD
Diamond Coating as Abrasive Layer for Grinding, 66. Kolloquium für
Wärmebehandlung, Werkstofftechnik, Fertigungs- und Verfahrens-
technik, Wiesbaden, Deutschland, Oktober 2010.
Antsupov, G.; Brinksmeier, E.; Gäbler, J.: CVD-Diamantschichten als
Abrasivbelag beim Schleifen, European Conference on Grinding,
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Bandorf, R.; Gerdes, H.; Wallendorf, T.; Bräuer, G.: Characterization
of HIPIMS discharges with tailored constant current phase (Talk), 1st
International Conference on HIPIMS, Sheffield, United Kingdom,
6. − 7. Juli 2010.
Bandorf, R.; Gerdes, H.; Bräuer, G.: Influence of Target Material and
Cathode Impedance on HIPIMS Plasmas (Invited Talk), MIATEC 2010,
Metz, Frankreich, 15. − 18. Juni 2010.
Bandorf, R.; Gerdes, H.; Loch, D.; Bräuer, G.: Reactive Sputter
Deposition of Alumina Coatings by HIPP Processes (Talk), Twelfth
International Conference on Plasma Surface Engineering (PSE),
Garmisch-Partenkirchen, Deutschland, 13. − 17. September 2010.
Bandorf, R.: Gepulste Hochleistungs-PVD-Verfahren (Talk), EFDS
Workshop »Gepulste hochionisierte Plasmen – von der Grundlage zur
Anwendung«, Dresden, Deutschland, 24. November 2010.
Boentoro, T. W.; Szyszka, B.: Mechanical characterization of hard
coating on polycarbonate substrate with finite element analysis
(Poster), 8th International Conference on Coatings on Glass and
Plastics (ICCG), Braunschweig, Deutschland, Juni 2010.
Boentoro, T. W.; Öngün, Y.; Szyszka, B.: Entwicklung eines
Kratztestmodells für dünne Schichten auf Polycarbonat Substrat
und Miteinbeziehen von Spannungsrelaxation (Vortrag), Deutsche
SIMULIA-Konferenz, Heidelberg, Deutschland, September 2010.
Borris, J.; Thomas, M.; Lachmann, K.; Cerezuela-Barreto, M.; Klages,
C.-P.: Erzeugung funktioneller Oberflächen durch plasmaunterstützte
Beschichtung mittels dielektrischer Barrierenentladung (DBD-PACVD)
(Vortrag), 6. Thüringer Grenz- und Oberflächentage, Gera, Deutsch-
land, September 2010.
Borris, J.; Thomas, M.; Dohse, A.; Möbius, A.; Elbick, D.; Weidlich,
E.-R.; Klages, C.-P.: P3T – neuartiger Ansatz zur Herstellung flexibler
Elektronik im Rolle-zu-Rolle-Verfahren, 18. Neues Dresdner Kolloqui-
um, Dresden, Deutschland, Oktober 2010.
Borris, J.; Thomas, M.; Dohse, A.; Möbius, A.; Elbick, D.; Weidlich,
E.-R.; Klages, C.-P.: P3T – neuartiger Ansatz zur Herstellung flexibler
Elektronik im Rolle-zu-Rolle-Verfahren (Vortrag), 4. Fachtagung mit
Ausstellung – Transparent leitfähige Schichten (TCO) mit Grundlagen
TCO (»OTTI«-Tagung), Neu-Ulm, Deutschland, November 2010.
Bräuer, G.: Innovative Oberflächen durch funktionale Beschichtung
(Vortrag), DPG Frühjahrstagung, Regensburg, Deutschland, 22. März
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Bräuer, G.: Patent Situation in HIPIMS Technology (Vortrag), Twelfth
International Conference on Plasma Surface Engineering (PSE),
Garmisch-Partenkirchen, Deutschland, 12. September 2010.
Bräuer, G.: Status der Dünnschicht-Photovoltaik in Deutschland
(Vortrag), NMN Symposium, Celle, Deutschland, 7. Oktober 2010.
Bräuer, G.: Gepulste Plasmen für industrielle Beschichtungsprozes-
se – Übersicht zu den Verfahren und Anwendungen (Vortrag), EFDS
Workshop »Gepulste hochionisierte Plasmen – von der Grundlage zur
Anwendung«, Dresden, Deutschland, 24. November 2010.
Bruns, S.; Werner, O.; Bandorf, R.; Wallendorf, T.: Flexible Control for
Reactive Pulsed Magnetron Sputter Process (Poster), 1st International
Conference on HIPIMS, Sheffield, United Kingdom, 6. − 7. Juli 2010.
110 111
V e r ö F F e n T l I C h u n g e n
Cerezuela Barreto, M.; Borris, J.; Thomas, M.; Hänsel, R.; Stoll, M.;
Klages, C.-P.: Barriereeigenschaften durch Nanobeschichtung – AD-
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Cerezuela Barreto, M.; Borris, J.; Thomas, M.; Hänsel, R.; Stoll, M.;
Klages, C.-P.: Reduction of plasticizer leaching from PVC by barrier
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Dewald, W.; Sittinger, V.; Ulrich, S.; Pflug, A.; Szyszka, B.; Schulte,
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Materials (TCM), Analipsi / Hersonissos, Kreta, Griechenland,
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Diehl,W.; Gäbler, J.; Biehl, S.; Hauschild, F.; Kaestner, P.; Thomsen, H.;
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systems for forming and cutting tools (Keynote Paper), AFRIMOLD,
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Topical Conference on Hard Coatings, Salamanca, Spanien, Septem-
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Paschke, H.; Weber, M.; Kaestner, P.; Bräuer, G.: Influence of Diffe-
rent Plasma Nitriding Treatments on the Wear and Crack Behaviour
of Forging Tools Evaluated by Rockwell Indentation and Scratch Tests
(Poster), 37th International Conference on Metallurgical Coatings and
Thin Films, San Diego, CA, USA, April 2010.
Paschke, H.; Weber, M.; Bräuer, G.; Bistron, M.: Boron containing
coating systems for hot forming tools (Vortrag), 37th International
Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films, San Diego,
CA, USA, April 2010.
Paschke, H.; Stueber, M.; Ziebert, C.; Bistron, M.; Mayrhofer, P.:
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containing multilayer coatings for hot forming tools (Poster), Twelfth
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Garmisch-Partenkirchen, Deutschland, September 2010.
Paschke, H.; Weber, M.: Reibarme und verschleißfeste diamantähn-
liche Kohlenstoffschichten (DLC) für Komponenten und Werkzeuge
(Vortrag), DiF-Seminar »Verschleissschutz technischer Oberflächen«,
Krefeld, Deutschland, Juni 2010.
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Budapest, Ungarn, 5. − 9. September 2010.
Pflug, A.; Vergöhl, M.; Szyszka, B.: Gasentladungs-Sputtern
(Vortrag), OTTI-Fachtagung »Schichtherstellungstechniken für die
Präzisionsoptik«, Regensburg, Deutschland, 21. Januar 2010.
Pflug, A.; Siemers, M.; Schwanke, C.; Dewald, W.; Ulrich, S.; Sittin-
ger, V.; Szyszka, B.: Simulation of the ion energy distribution function
in magnetron sputtering (Vortrag), 3rd International Symposium
on Transparent Conductive Materials (TCM), Hersonnisos, Kreta,
Griechenland, Oktober 2010.
Pflug, A.; Siemers, M.; Schwanke, C.; Dewald, W.; Ulrich, S.;
Sittinger, V.; Szyszka, B.; Koehl, D.; Austgen, M.: PIC-MC simulation
Keunecke, M.; Stein, C.; Bewilogua, K.; Koelker, W.; Kassel, D.; van
den Berg, H.: Modified TiAlN coatings prepared by d.c. pulsed ma-
gnetron sputtering, 37th International Conference on Metallurgical
Coatings and Thin Films, San Diego, CA, USA, April 2010.
Keunecke, M.; Bialuch, I.; Bewilogua, K.; Hofmann, D.; Kunkel, S.:
Silicon modified DLC coatings deposited by PACVD and PVD sputter
techniques (Poster), 37th International Conference on Metallurgical
Coatings and Thin Films, San Diego, CA, USA, April 2010.
Keunecke, M.; Kölker, W.; van den Berg, H.; Chudoba, T.; Hünsche,
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nanoskaligen Materialien und superharten Schichten zur Trocken-,
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»Werkzeugbeschichtungen und Schneidstoffe«, PTZ Berlin, 3. März
2010.
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bonding (eingeladener Vortrag), AVS 57th International Symposium &
Exhibition, Session Atmospheric Pressure Plasmas, Albuquerque, NM,
USA, 17. − 22. Oktober 2010.
Lachmann, K.; Dohse, A.; Thomas, M.; Klages, C.-P.: Tailor-made
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systems (Vortrag), Cells meet surface, Braunschweig, Deutschland,
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Lachmann, K.; Dohse, A.; Thomas, M.; Pohl, S.; Meyring, W.;
Dittmar, K. E. J.; Lindenmeier, W.; Klages, C.-P.: Surface modification
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XII: 12th International Symposium on High Pressure Low Temperature
Plasma Chemistry, Trencianske Teplice, Slowakei, 12. − 17. September
2010.
Laukart, A.; Harig, T.; Höfer, M.; Schäfer, L.: Large Area Deposition of
Silicon Thin Films by Hot Wire Chemical Vapor Deposition (HWCVD)
(Poster), 6th International Conference on Hot-Wire Chemical Vapor
Deposition (Cat-CVD) Process, Ecole Polytechnique, Palaiseau,
Frankreich, 13. − 17. September 2010.
Neubert, T.; Drost, S.; Vergöhl, M.: Organische Schichten für optische
Interferenzschichtsysteme, 6. Thüringer Grenz- und Oberflächentage
(ThGOT), Gera, Deutschland, September 2010.
Diehl, W.; Sittinger, W.; Szyszka, B.: Survey of Thin Film Solar
Technologies in Germany (eingeladener Vortrag), 9th Symposium of
European Vacuum Coaters, Anzio, Italien, Oktober 2010.
Diehl, W.; Bandorf, R.; Bewilogua, K.; Biehl, S.; Brand, J.; Jung, T.;
Klages, C. P.; Kondruweit, S.; Szyszka, B.; Thomas, M.; Vergöhl, M.;
Bräuer, G.: Plasma Process Technology – State of the Art and Recent
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Technology, Incheon, Korea, November 2010.
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deposited composite coatings with functionalized nano-container,
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Dietz, A.; Hochsattel, T.; Moustafa, E.: Neue Eigenschaften von
Dispersionsschichten mit funktionalisierten Nanocontainern,
Galvanik-Symposium, Dresden, Deutschland, November 2010.
Eichler, M.; Michel, B.; Hennecke, P.; Gabriel, M.; Klages, C.-P.:
Low-Temperature Direct Bonding of Borosilicate, Fused Silica and
Functional Coatings (Vortrag), 218th ECS Meeting, Las Vegas, NV,
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Graumann, T.; Neumann, F.: Some aspects of novel luminescent dye
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of p-TCOs (Vortrag), 3rd International Symposium on Transparent
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Rademacher, D.; Richter, U.; Vergöhl, M.: In-Situ Thickness Determi-
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Rechberger, M.; Paschke, H.; Kühne, T.: Fangen, Abbeißen,
Verschlingen: Zähne als Vorbild für selbstschärfende Industriemesser
(Vortrag), 5. Bionik-Kongress, Hochschule Bremen, Deutschland,
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Schäfer, L.: Mit Diamanten Wasser reinigen – Wie geht das? Umwelt-
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Schäfer, L.; Höfer M.; Klaaßen E.; Kramer H.-J.: The status of elec-
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Maritane Bush Lodge, Südafrika, 11. − 13. August 2010.
Schäfer, L.; Armgardt, M.; Harig, T.; Höfer, M.; Laukart, A.: Up-
scaling and industrialization of HWCVD processes for diamond and
silicon based coatings (invited talk), 6th International Conference
on Hot-Wire Chemical Vapor Deposition (Cat-CVD) Process, Ecole
Polytechnique, Palaiseau, Frankreich, 13. − 17. September 2010.
Schäfer, L.; Armgardt, M.; Harig, T.; Höfer, M.; Laukart, A.: Large
area diamond and silicon-based coatings by hot wire activated CVD
technologies (invited talk), 5th International Symposium on Vacuum
based Science and Technology SVST5, Kaiserslautern, Deutschland,
28. − 30. September 2010.
Schäfer, L.; Höfer, M.; van Geldern, M.; Otschik, J.; Schrüfer, A.:
Diamantbeschichtete Gleitringdichtungen und Gleitlager für höchste
Anforderungen (eingeladener Vortrag), 3. Nano und Material
Symposium Niedersachsen, Congress Union Celle, Deutschland,
6. − 7. Oktober 2010.
Schäfer, L.: Von der Materialforschung zum Produkt – DiaCer®
Diamantbeschichtete Keramikkomponenten (eingeladener Vortrag),
3. MATERIALICA Ceramics Kongress, München, Deutschland, 20.
Oktober 2010.
Schnabel, S.; Kotula, S.; Ulrich, S.; Szyszka, B.: Back contact
optimization for P3HT:PCBM bulk heterojunction solar cells (Poster),
Internationale Konferenz mit Fachausstellung, Organische Photovol-
taik, Würzburg, Deutschland, September 2010.
Schwanke, C.; Pflug, A.; Siemers, M.; Szyszka, B.: Parallel Particle-in-
Cell Monte-Carlo Algorithm (Poster), PARA2010 – State of the Art in
Scientific and Parallel Computing, Reykjavik, Island, Juni 2010.
Siemers, M.; Pflug, A.; Schwanke, C.; Szyszka, B.: Applied PIC-MC
Simulation for Process Analysis and Development (Vortrag), 8th
International Conference on Coatings on Glass and Plastics (ICCG),
Braunschweig, Deutschland, Juni 2010.
Sittinger, V.; Dewald, W.; Szyszka, B.: Industrialisierung der
TCO-Technologie für die Dünnschichtphotovoltaik (Vortrag), TCO-
Workshop OTTI, Neu-Ulm, Deutschland, November 2010.
Sittinger, V.; Dewald, W.; Kaiser, A.; Werner, W.; Szyszka, B.: Large
area deposition and long-term stabilization of a reactive mid-
frequency sputtering process of Al-doped zinc oxid films (Vortrag),
Asia-Pacific Interfinish (APIC), Singapur, Oktober 2010.
Sittinger, V.; Horstmann, F.; Boentoro, T. W.; Werner, W.; Szyszka, B.:
Heat Treatable TCO Film for Position 1 Based on HiPIMS (Vortrag),
1st engineered transparency, international conference on glasstec,
Düsseldorf, Deutschland, September 2010.
Sittinger, V.; Werner, O.; Kühnert, B.; Szyszka, B.; Wiese, R.; Voss,
N.: Development of a sensor platform for control and optimization
of industrial plasma processes (Poster), Twelfth International Confe-
rence on Plasma Surface Engineering (PSE), Garmisch-Partenkirchen,
Deutschland, September 2010.
Sittinger, V.; Dewald, W.; Szyszka, B:, Säuberlich, F.; Stannowski,
B.: New approach towards an optimized light trapping morphology
of Al-doped ZnO films (Poster), 8th International Conference on
Coatings on Glass and Plastics (ICCG), Braunschweig, Deutschland,
Juni 2010.
Sittinger, V.; Dewald, W.; Werner, W.; Szyszka, B.: Magnetron-
Sputterprozesse für TCO´s: i-ZnO, AZO und ITO, Teil 1: Forschung
und Entwicklung an AZO (Vortrag), EFDS Workshop »Transparente
Leitfähige Oxide«, Dresden, Deutschland, Juni 2010.
Sittinger, V.; Diehl, W.; Szyszka, B.: Thin film PV on large area: State
of the art and perspectives (Vortrag), DPG Frühjahrstagung der Sek-
tion Vakuumphysik und Vakuumtechnik, Regensburg, Deutschland,
März 2010.
Staufenbiel, S.: Optimierung von Produktionsprozessen durch Einsatz
von Kraftsensoren in Dünnschichttechnologie am Beispiel von Stanz-
und Schneideprozessen in der Blechbearbeitung (Vortrag), Innovative
F&E- Aktivitäten der Mikrosystemtechnik (IGF-Tag), HSG-IMIT,
Villingen-Schwenningen, Deutschland, 18. März, 2010.
Stein, C.; Keunecke, M.; Bewilogua, K.; Kölker, W.; van den Berg,
H.: c-BN coating systems with different interlayers for cutting inserts
(Vortrag), Twelfth International Conference on Plasma Surface
Engineering (PSE), Garmisch-Partenkirchen, Deutschland, September
2010.
Szyszka, B.; Austgen, M.; Bräuer, G.; Bringmann, U.; Britze, C.; Her-
litze, L.; Herwig, W.; Jung, S.; Kaiser, A.; Koehl, D.; Pflug, A.; Polle,
A.; Sittinger, V.; Ulrich, S.; Vergöhl, M.; Weis, H.; Werner, W.; Wuttig,
M.: Rotatable Target Serial Cosputtering – A New Core Technology
for Industrial Large Area Glass Coating? (Vortrag), 8th International
Conference on Coatings on Glass and Plastics (ICCG), Braunschweig,
Deutschland, Juni 2010.
Szyszka, B.; Sittinger, V.; Dewald, W.; Ulrich, S.; Pflug, A.; Gurram,
S. K.; Polenzky, C.: Large area in-line magnetron sputtering of TCOs
(eingeladener Vortrag), 3rd International Symposium on TCOs, Kreta,
Griechenland, Oktober 2010.
Szyszka, B.; Sittinger, V.; Dewald, W.; Ulrich, S.; Pflug, A.; Gurram,
S. K.; Polenzky, C.: Magnetron sputtering of TCO films – an overview
on the state of the art & recent results, 1st Orama Summer School,
Kreta, Griechenland, Oktober 2010.
Szyszka, B.; Sittinger, V.; Ulrich, S.; Pflug, A.; Schäfer, L.; Höfer, M.:
Dünnschichtphotovoltaik auf Glas, Glass Technology Live, glasstec,
Düsseldorf, Deutschland, 1. Oktober 2010.
Szyszka, B.; Ulrich, S.; Polenzky, C.; Löbmann, P.; Götzendörfer, S.;
Elsässer, C.; Körner, W.: The Challenge of Oxide Electronics – An
Overview on Materials, Processes & Applications (eingeladener
Vortrag), SVST-5, Kaiserslautern, Deutschland, September 2010.
Szyszka, B.; Polenzky, C.; Löbmann, P.; Götzendörfer, S.; Elsässer, C.;
Körner, W.: Pathways towards p-type oxide layers for optoelectronic
applications (eingeladener Vortrag), CIMTEC 2010, Montecatini
Terme, Italien, Juni 2010.
Szyszka, B.; Bewilogua, K.; Brand, J.; Bräuer, G.; Dietz, A.; Diehl, W.;
Gäbler, J.; Klages, C.-P.; Schäfer, L.; Vergöhl, M.; Willich, P.: Industrial
thin film processes – Key technologies for cost effective light weight
construction, ACMA Workshop Light Weight Construction, Neu-
Delhi, Indien, März 2010.
Szyszka, B.; Ulrich, S.; Polenzky, C.; Löbmann, P.; Götzendörfer, S.;
Elsässer, C.; Körner, W.: The Challenge of Oxide Electronics – An
Overview on Materials, Processes & Applications, (eingeladener
Vortrag), 2nd International Workshop on Vacuum Electronics, Physik-
zentrum Bad Honnef, Deutschland, November 2010.
Szyszka, B.; Sittinger, V.; Ulrich, S.; Pflug, A.; Dewald, W.; Polenzky,
C.: Übersicht über die Einsatzgebiete und Anwendungen von TCOs,
4. Fachtagung mit Ausstellung − Transparent leitfähige Schichten
(TCO) mit Grundlagen TCO (»OTTI«-Tagung), Neu-Ulm, Deutschland,
November 2010.
Szyszka, B.; Polenzky, C.; Löbmann, P.; Götzendörfer, S.; Elsässer, C.;
Körner, W.: Oxidische Elektronik – ein neues Wachstumsgebiet für
die Informations- und Kommunikationsbranche, 4. Fachtagung mit
Ausstellung − Transparent leitfähige Schichten (TCO) mit Grundlagen
TCO (»OTTI«-Tagung), Neu-Ulm, Deutschland, November 2010.
Szyszka, B.; Sittinger, V.; Ulrich, S.; Pflug, A.; Schäfer, L.; Höfer, M.:
Dünnschichtphotovoltaik auf Glas, OTTI-Fachforum »Schichten auf
Glas«, Regensburg, Deutschland, Mai 2010.
114 115
V e r ö F F e n T l I C h u n g e n
Szyszka, B.; Polenzky, C.; Loebmann, P.; Göetzendörfer, S.; Elsässer,
C.; Körner, W.: Pathways towards p-type oxide layers for optoelec-
tronic applications (Vortrag), Proceedings of the CIMTEC 2010 – 5th
Forum on New Materials, Montecatini Terme, Italien, Juni 2010.
Thomas, M.: Erzeugung reaktiver Gruppen auf Oberflächen durch
Funktionalisierung oder Beschichtung mittels DBD (Vortrag),
Haftungsverbesserung durch Oberflächenfunktionalisierung mittels
Atmosphärendruckplasma, 5. Workshop des AK-ADP, Potsdam,
Deutschland, 9. − 10. Juni 2010.
Thomas, M.; Borris, J.; Klages, C.-P.: Micropatterning using atmos-
pheric pressure plasma processes (Poster), Advanced Coatings for
Large-Area or High-Volume Products, 8th International Conference on
Coatings on Glass and Plastics (ICCG), Braunschweig, Deutschland,
Juni 2010.
Thomas, M.; Hinze, A.; Klages, C.-P.: Optimierung von DBD-
Plasmaquellen durch grundlegende Untersuchungen der Plas-
maunterstützten CVD-Abscheidung (Vortrag), Gasmanagement für
Atmosphärendruck-Plasmatechnologien, EFDS-Workshop, Dresden,
Deutschland, 15. April 2010.
Thomas, M.; Borris, J.; Dohse, A.; Weidlich, E.-R.; Elbick, D.; Klages,
C.-P.: Plasma-Printing: Strukturierte Oberflächenfunktionalisierung
und selektive nasschemische Metallisierung, 32. Ulmer Gespräch,
Neu-Ulm, Deutschland, 29. − 30. April 2010.
Vergöhl, M.; Rademacher, D.; Fritz, B.: Particle generation during
reactive magnetron sputtering of SiO2 with cylindrical and planar
cathodes (Poster & Talk), Optical Interference Coatings (OIC), Tucson,
AT, USA, Juni 2010.
Vergöhl, M.; Rademacher, D.; Fritz, B.: Particle generation during
reactive magnetron sputtering of SiO2 with cylindrical and planar
cathodes (Poster), 8th International Conference on Coatings on Glass
and Plastics (ICCG), Braunschweig, Deutschland, Juni 2010.
Vergöhl, M.; Rademacher, D.; Richter U.: In-Situ Thickness
Determination of Multilayered Structures using Single Wavelength
Ellipsometry (Talk), 3rd NanoCharm Workshop, Berlin, Deutschland,
Oktober 2010.
Vergöhl, M.; Althues, H.; Frach, P.; Glöß, D.; Graumann, T.;
Hübner, C.; Neumann, F.; Neubert, T.; Schottner, G.; Song, D. K.:
Measurement of the photocatalytic activity of TiO2 films deposited
by different methods (Vortrag), 8th International Conference on
Coatings on Glass and Plastics (ICCG), Braunschweig, Deutschland,
Juni 2010.
Weber, M.; Demir, M.: Praxistaugliche Prozessschmierung für das
Presshärten (Vortrag), 7. Forum Tribologische Entwicklungen in der
Blechumformung, Darmstadt, Deutschland, 11. November 2010.
Weber, M.: Entwicklung technologischer Grundlagen für die
Umformung von Titanlegierungen (Vortrag), Fraunhofer Symposium
»Netzwert«, München, Deutschland, 7. − 8. Dezember 2010.
Weiss, P.; Dietz, A.; Ladwein, T.: Galvanische Abscheidung von
Aluminium aus ionischen Flüssigkeiten, Oberflächentage des ZVO,
Berlin, Deutschland, September 2010.
DISSerTaTIonenEigenbrod, V. J.: Superhydrophobe Oberflächen mit Fluorpolymeren
in hierarchischen Strukturen. Stuttgart: Fraunhofer-IRB-Verl., 2010
(Berichte aus Forschung und Entwicklung, 31). Zugl.: Braunschweig,
Techn. Univ., Diss., 2010.
Weinhold, R.: Herstellung und Charakterisierung ternärer Zink-
Legierungsüberzüge auf Stahlfeinblech. Aachen: Shaker, 2010. Zugl.:
Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2010.
DIPloMarBeITende Vries, M.: Herstellung und Charakterisierung von transparenten
Siliziumnitridschichten mittels High Power Impulse Magnetron
Sputtering, Fachhochschule Südwestfalen, September 2010.
Drost, S.: Binäre Metall-Mischschichten für Elektroden von
organischen Solarzellen, Ostfalia Hochschule für angewandte
Wissenschaften, Wolfenbüttel, März 2010.
Kodlubaj, K.: Charakterisierung des Ionenstroms und des Ionen-
anteils in hochionisierten Plasmen, Hochschule für angewandte
Wissenschaft und Kunst Göttingen, Mai 2010.
Schmalz, M.: Konstruktion und Optimierung eines 8“ Hoch-
temperatursubstratheizers, Ostfalia Hochschule für angewandte
Wissenschaften, Wolfenbüttel, Dezember 2010.
Schnabel, S.: Evaluation von mittels Gasflusssputtern hergestellten
Titanoxid-Schichten für den Einsatz in der organischen Photovoltaik,
Technische Universität Braunschweig, Juni 2010.
Scholtalbers, M.: Ionisierte Abscheidung von M-A-X-Schichten
mittels Hochleistungsimpuls-Magnetronsputtern, Jade Hochschule,
Wilhelmshaven, November 2010.
MaSTerarBeITenGwozdz, V.: Me-C:H als sensorische Schicht für Dehnungsmess-
streifen, Goethe Universität, Frankfurt am Main, November 2010.
BaChelorarBeITenBaumer, M.: Bauteilgerechte TiN-Prozessentwicklung als Basis für
borbasierte Schichtsysteme (Bachelor-Arbeit), Fachhochschule
Dortmund, März 2010.
Ben Abdallah, S.: Untersuchungen zur lokalen Behandlung von
Siliziumwafern, Fachhochschule Hannover, Juli 2010.
Hanke, C.: Konstruktion und Inbetriebnahme eines Versuchsstandes
zur Plasmabehandlung und -beschichtung (Bachelor-Arbeit),
Fachhochschule Magdeburg Stendal, April 2010.
Klaaßen, E.: Ozongenerator – Elektrolytische Erzeugung von Ozon,
Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften, Wolfenbüttel,
März 2010.
Peters, M.: Herstellung und Charakterisierung von Cu-DLC für
den Einsatz in Dehnungsmessstreifen, Helmut Schmidt Universität
Hamburg, Dezember 2010.
117
D a S F r a u n h o F e r I S T I n n e T z w e r k e n
Das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST ist mit seiner Forschungs- und
Entwicklungstätigkeit Teil verschiedener interner und externer Netzwerke, die mit unterschiedli-
chen Schwerpunkten im Spannungsfeld zwischen Wirtschaft, Wissenschaft und Politik agieren.
Innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft bündelt das Institut seine Kompetenzen mit denen
anderer Fraunhofer-Institute unter anderem im Fraunhofer-Verbund Light & Surfaces und in
verschiedenen Fraunhofer-Allianzen, um Kunden und Partnern auch technologieübergreifend
optimale Lösungen für deren Aufgabenstellungen anbieten zu können.
das fraunhofer ist in netZwerKen
119
D a S F r a u n h o F e r I S T I n n e T z w e r k e n
Mit ihrer klaren Ausrichtung auf die angewandte Forschung
und ihrer Fokussierung auf zukunftsrelevante Schlüsseltech-
nologien spielt die Fraunhofer-Gesellschaft eine zentrale
Rolle im Innovationsprozess Deutschlands und Europas. Die
Wirkung der angewandten Forschung geht über den direkten
Nutzen für die Kunden hinaus: Mit ihrer Forschungs- und
Entwicklungsarbeit tragen die Fraunhofer-Institute zur
Wettbewerbsfähigkeit der Region, Deutschlands und Europas
bei. Sie fördern Innovationen, stärken die technologische
Leistungsfähigkeit, verbessern die Akzeptanz moderner
Technik und sorgen für Aus- und Weiterbildung des dringend
benötigten wissenschaftlich-technischen Nachwuchses.
Ihren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern bietet die Fraunhofer-
Gesellschaft die Möglichkeit zur fachlichen und persönlichen
Entwicklung für anspruchsvolle Positionen in ihren Instituten,
an Hochschulen, in Wirtschaft und Gesellschaft. Studierenden
eröffnen sich an Fraunhofer-Instituten wegen der praxisnahen
Ausbildung und Erfahrung hervorragende Einstiegs- und
Entwicklungschancen in Unternehmen.
Namensgeber der als gemeinnützig anerkannten Fraunhofer-
Gesellschaft ist der Münchner Gelehrte Joseph von Fraunhofer
(1787–1826). Er war als Forscher, Erfinder und Unternehmer
gleichermaßen erfolgreich.
Forschen für die Praxis ist die zentrale Aufgabe der Fraunhofer-
Gesellschaft. Die 1949 gegründete Forschungsorganisation
betreibt anwendungsorientierte Forschung zum Nutzen der
Wirtschaft und zum Vorteil der Gesellschaft. Vertragspartner
und Auftraggeber sind Industrie- und Dienstleistungsunter-
nehmen sowie die öffentliche Hand.
Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibt in Deutschland derzeit
mehr als 80 Forschungseinrichtungen, davon 60 Institute.
Mehr als 18 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, überwie-
gend mit natur- oder ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung,
bearbeiten das jährliche Forschungsvolumen von 1,65
Milliarden Euro. Davon fallen 1,40 Milliarden Euro auf den
Leistungsbereich Vertragsforschung. Über 70 Prozent dieses
Leistungsbereichs erwirtschaftet die Fraunhofer-Gesellschaft
mit Aufträgen aus der Industrie und mit öffentlich finanzierten
Forschungsprojekten. Knapp 30 Prozent werden von Bund
und Ländern als Grundfinanzierung beigesteuert, damit die
Institute Problemlösungen erarbeiten können, die erst in fünf
oder zehn Jahren für Wirtschaft und Gesellschaft aktuell
werden.
Internationale Niederlassungen sorgen für Kontakt zu den
wichtigsten gegenwärtigen und zukünftigen Wissenschafts-
und Wirtschaftsräumen.
die fraunhofer-gesellschaft auf einen blicK
120 121
D a S F r a u n h o F e r I S T I n n e T z w e r k e n
kompetenz durch Vernetzung
Sechs Fraunhofer-Institute kooperieren im Verbund Light
& Surfaces. Aufeinander abgestimmte Kompetenzen
gewährleisten eine schnelle und flexible Anpassung der For-
schungsarbeiten an die Erfordernisse in den verschiedensten
Anwendungsfeldern zur Lösung aktueller und zukünftiger
Herausforderungen, insbesondere in den Bereichen Energie,
Umwelt, Produktion, Information und Sicherheit. Koordinierte,
auf die aktuellen Bedürfnisse des Marktes ausgerichtete Stra-
tegien führen zu Synergieeffekten zum Nutzen der Kunden.
kernkompetenzen des Verbunds
Schicht- und Oberflächentechnologie
Strahlquellen
Mikro- und Nanotechnologie
Materialbearbeitung
Opto-mechanische Präzisionssysteme
Optische Messsysteme
Fraunhofer-Institut für angewandte optik und
Feinmechanik IoF, Jena
Das Fraunhofer IOF entwickelt zur Bewältigung drängender
Zukunftsfragen in den Bereichen Energie und Umwelt, Infor-
mation und Sicherheit sowie Gesundheit und Medizintechnik
Lösungen mit Licht. Die Kompetenzen umfassen die gesamte
Prozesskette vom Optik- und Mechanik-Design über die
Entwicklung von Fertigungsprozessen für optische und mecha-
nische Komponenten sowie Verfahren zur Systemintegration
bis hin zur Fertigung von Prototypen. Schwerpunkte liegen
auf den Gebieten multifunktionale optische Schichtsysteme,
Mikro- und Nanooptik, Festkörperlichtquellen, optische
Messsysteme und opto-mechanische Präzisionssysteme.
Fraunhofer-Institut für elektronenstrahl- und
Plasmatechnik FeP, Dresden
Die Kernkompetenzen des Fraunhofer FEP sind Elekt-
ronenstrahltechnologie, Puls-Magnetron-Sputtern und
Plasmaaktivierte Hochratebedampfung. Unsere Arbeitsgebiete
umfassen die Vakuumbeschichtung sowie die Oberflächen-
bearbeitung und -behandlung mit Elektronen und Plasmen.
Neben der Entwicklung von Schichtsystemen, Produkten und
Technologien ist ein wichtiger Schwerpunkt die Aufskalierung
der Technologien für die Beschichtung und Behandlung
großer Flächen mit hoher Produktivität. Unsere Technologien
und Prozesse finden Anwendung im Maschinenbau, in der
Solarenergie, der Biomedizintechnik, der Architektur und für
den Kulturguterhalt, in der Verpackungsindustrie, im Bereich
Umwelt und Energie, der Optik, Sensorik und Elektronik sowie
in der Landwirtschaft.
Fraunhofer-Institut für lasertechnik IlT, aachen
Im Bereich Laserentwicklung und -anwendung zählt das
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT weltweit zu den
bedeutendsten Auftragsforschungs- und Entwicklungs-
instituten. Unsere Technologiefelder umfassen Laser und
Optik, Lasermesstechnik, Medizintechnik und Biophotonik
sowie Lasermaterialbearbeitung. Hierzu zählen u. a. das
Schneiden, Abtragen, Bohren, Schweißen und Löten sowie die
Oberflächenbearbeitung, die Mikrofertigung und das Rapid
Manufacturing. Übergreifend befasst sich das Fraunhofer ILT
mit Laseranlagentechnik, Prozessüberwachung und -regelung,
Modellierung sowie der gesamten Systemtechnik.
Fraunhofer-Institut für Schicht- und
oberflächentechnik IST, Braunschweig
Das Fraunhofer IST bündelt als industrienahes FuE-
Dienstleistungszentrum Kompetenzen auf den Gebieten
Schichtherstellung, Schichtanwendung, Schichtcharakterisie-
rung und Oberflächenanalyse. Wissenschaftler, Techniker und
Ingenieure arbeiten daran, Oberflächen der verschiedensten
Grundmaterialien neue oder verbesserte Funktionen zu verlei-
hen, um auf diesem Wege innovative, marktgerechte Produkte
zu schaffen. Das Institut ist in folgenden Geschäftsfeldern
tätig: Maschinen- und Fahrzeugtechnik, Luft- und Raumfahrt,
Werkzeuge, Energie, Glas und Fassade, Optik, Information
und Kommunikation, Mensch und Umwelt.
Fraunhofer-Institut für Physikalische
Messtechnik IPM, Freiburg
Fraunhofer IPM entwickelt und realisiert optische Sensor- und
Belichtungssysteme. Bei den vorwiegend Laser-basierten
Systemen sind Optik, Mechanik, Elektronik und Software ideal
aufeinander abgestimmt. Die Lösungen sind besonders robust
ausgelegt und jeweils individuell auf die Bedingungen am
Einsatzort zugeschnitten. Auf dem Gebiet der Thermoelektrik
verfügt das Institut über Know-how in Materialforschung,
Simulation und Systemen. In der Dünnschichttechnik arbeitet
Fraunhofer IPM an Materialien, Herstellungsprozessen und
Systemen.
Fraunhofer-Institut für werkstoff- und
Strahltechnik IwS, Dresden
Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
ist in den Geschäftsfeldern Fügen, Trennen und Oberflächen-
technik tätig. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten
basieren auf einem ausgeprägten werkstoff- und nanotech-
nischen Know-how und umfassenden Möglichkeiten der
Werkstoffcharakterisierung. Die Besonderheit des Fraunhofer
IWS liegt in der Kombination dieses Know-hows mit weitrei-
chenden Erfahrungen in der Entwicklung von Technologien
und Systemtechnik im Bereich der Schicht- und Lasertechnik.
fraunhofer-Verbund light & surfaces
KontaKtVerBunDVorSITzenDer
Prof. Dr. Andreas Tünnermann
Albert-Einstein-Straße 7
07745 Jena
Telefon +49 3641 807-201
VerBunDaSSISTenTIn
Susan Oxfart
Telefon +49 3641 807-207
www.light-and-surfaces.fraunhofer.de
122 123
D a S F r a u n h o F e r I S T I n n e T z w e r k e n
das KompetenZnetZ industrielle plasma-oberflächentechniK e.V.– inplas
3
1 INPLAS-Gemeinschafts-
stand auf der »Plasma Sur-
face Engineering« PSE 2010
in Garmisch-Partenkirchen.
2 Teilnehmer des Grün-
dungstreffens des Gemein-
schaftsausschusses »Kombi-
nationsschichten« der DGO,
EFDS und INPLAS.
3 Cannes Corporate Media
& TV Award für den Infor-
mationsfilm »Plasma leuch-
tet ein«. Carola Brand und
Jochen Meusel nehmen den
»silbernen Delphin« entge-
gen.
KontaKtGeschäftsführerin
Dipl.-Ing. Carola Brand
Telefon +49 531 2155-574
carola.brand@inplas.de
Netzwerkkoordinator
Dr.-Ing. Gerrit von Borries
Telefon +49 531 2155-662
gerrit.von.borries@inplas.de
www.inplas.de
öffentlichkeitsarbeit
INPLAS war 2010 wieder an verschiedenen Veranstaltungen
und Konferenzen aktiv beteiligt:
Fachtagungen, wie u. a. die ICCG in Braunschweig und die HIPIMS-Konferenz in Sheffield.
INPLAS-Gemeinschaftsstand auf der Internationalen Tagung »Plasma Surface Engineering« PSE in Garmisch-Partenkirchen.
»Plasma-Ralley« in der Ausstellung der PSE, entworfen und umgesetzt von INPLAS für Plasma Germany.
aktive arbeit der arbeitsgruppen
Im September 2010 wurde der Gemeinschaftsausschuss
»Kombinationsschichten« am Fraunhofer IST von der
Deutschen Gesellschaft für Galvano- und Oberflächentechnik
DGO und INPLAS gegründet. Ziel ist es, die Kompetenzen auf
diesem Gebiet deutlich zu bündeln und stärker zu nutzen.
Die Arbeitsgruppe »Neuartige Plasmaquellen und -prozesse«
unter der Leitung von Herrn Dr. Cord, Singulus AG, traf sich
zum Thema »Plasmadiagnostik und Regelungstechnik« und
die AG »Werkzeuge« unter der Leitung von Herrn Dr. Gäbler,
Fraunhofer IST, hatte »Neue Märkte und Testverfahren« im
Blick.
INPLAS hat auch im Jahr 2010 wieder mit zahlreichen erfolg-
reichen Aktivitäten zur weiteren Stärkung und Bekanntheit der
Plasmatechnik beigetragen. Im folgenden sind die wichtigsten
Arbeiten des Netzwerkes dargestellt.
entwicklung und konzeption neuer Forschungsthemen
Die Erkenntnisse konnten gemeinsam mit allen Trägerge-
sellschaften von Plasma Germany erfolgreich kommuniziert
werden und in folgende Prozesse einfließen:
Ausschreibung des BMBF »Innovative Anwendungen der Plasmatechnik« im Rahmen des Förderprogrammes »Optische Technologien« vom Juni 2010
Strategieprozess »Photonik 2020«
kooperation mit dem französischen Maschinenbau-
netzwerk ViaMéca
Auf der Hannover Messe Industrie 2010 wurde mit Unterstüt-
zung des Bundesministeriums für Wirtschaft BMWi und der
Initiative Kompetenznetze Deutschland ein Kooperationsver-
trag zur engen Zusammenarbeit zwischen beiden Netzwerken
in den Bereichen Forschung, Lehre und Öffentlichkeitsarbeit
unterzeichnet.
Das Kompetenznetz INPLAS e. V. hat se ine Geschäftsste l le am Fraunhofer IST. Als Kompetenznetz ist
INPLAS beim Bundesminister ium für Wirtschaft (BMWi) akkredit iert und gehört zu den 100 besten Netz-
werken Deutschlands. INPLAS hat jetzt 33 Mitgl ieder, davon stammen 70 Prozent aus der Industr ie. INPLAS
wurde Pre isträger des Cannes Corporate Media & TV Awards.
großer Preis für kurzen Film
Der INPLAS-Informationsfilm »Plasma leuchtet ein« gewinnt
den silbernen Delphin des Cannes Corporate Media & TV
Award gegen starke Konkurrenz mit insgesamt 350 Einrei-
chungen aus 27 Ländern.
1 2 3
124 125
D a S F r a u n h o F e r I S T I n n e T z w e r k e n
mitgliedschaftenPlasma Germany
www.plasmagermany.org
Competenz-Centrum Ultrapräzise
Oberflächenbearbeitung
CC UPOB e. V.
www.upob.de
Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e. V.
www.dgm.de
Deutsche Gesellschaft für Galvano- und
Oberflächentechnik e. V.
www.dgo-online.de
Europäische Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e. V.
(EFDS)
www.efds.org
European Society for Precision Engineering
and Nanotechnology (euspen)
www.euspen.eu
European Technology Platform for Micro- and
NanoManufacturing (MINAM)
www.minamwebportal.eu
ForschungRegion Braunschweig e. V.
www.forschungregion-braunschweig.de
Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische
Baugruppen 3-D MID e. V.
www.faps.uni-erlangen.de/mid
Fraunhofer-Netzwerk Elektrochemie
Zentrum für Mikroproduktion e. V. (ZeMPro)
www.microcompany.de
International Council for Coatings on Glass e. V.
Kompetenznetz Industrielle Plasma-Oberflächentechnik e. V.
(INPLAS)
www.inplas.de
Materials Valley e. V.
www.materials-valley-rheinmain.de
Nano- und Materialinnovation Niedersachsen e. V. (NMN)
www.nmn-ev.de
Nanotechnologie-Kompetenzzentrum
»Ultradünne funktionale Schichten«
www.nanotechnology.de
Nanotechnologie Kompetenzzentrum Ultrapräzise Oberflä-
chenbearbeitung CC UPOB e. V.
www.upob.de
NANOfutures European Technology Integration and Innovation
Platform (ETIP) in Nanotechnology
www.nanofutures2010.eu
PhotonicNet GmbH – Kompetenznetz Optische Technologien
www.photonicnet.de
Fraunhofer-Allianz Adaptronik
www.adaptronik.fraunhofer.de
Fraunhofer-Allianz Numerische Simulation von Produkten,
Prozessen
www.nusim.fraunhofer.de
Fraunhofer-Allianz Photokatalyse
www.photokatalyse.fraunhofer.de
Fraunhofer-Allianz Proteinchips
www.proteinchips.fraunhofer.de
Fraunhofer-Allianz Reinigungstechnik
www.allianz-reinigungstechnik.de
Fraunhofer-Allianz SysWasser
www.syswasser.de
Fraunhofer-Verbund Light & Surfaces
www.vop.fraunhofer.de
126 127
D a S F r a u n h o F e r I S T I n n e T z w e r k e n
bildVerZeichnisabbildung auf der Titelseite
Das Fraunhofer IST metallisiert die Antennen aus Faserverbundwerkstoff CFK
für die »Sentinel-Mission« der ESA. Bild: Reiner Meier, BFF Wittmar
S. 36; 2: Dr. Kai Ortner , Fraunhofer IST
S. 37; 3: Dr. Kai Ortner , Fraunhofer IST
S. 38: Reiner Meier, BFF Wittmar
S. 40; 1: Hanno Paschke, IST / DOC
S. 40; 2: Marcus Rechberger, UMSICHT
S. 41; 3: Marcus Rechberger, UMSICHT
S. 42; 1: Hanno Paschke, IST / DOC
S. 43; 2: Jan Benz, Fraunhofer IST
S. 44; 1: Martin Weber, Fraunhofer IST
S. 44; 2: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
S. 45; 3: Matthias Demmler, Fraunhofer IWU
S. 45; 4: Matthias Demmler, Fraunhofer IWU
S. 46; 1 – 2: Martin Weber, Fraunhofer IST
S. 47; 3 – 4: Martin Weber, Fraunhofer IST
S. 48; 1: Manuela Lingnau, Fraunhofer WKI
S. 48; 2: Sebastian Staufenbiel, Fraunhofer IST
S. 49; 3: Sebastian Staufenbiel, Fraunhofer IST
S. 50; 1: Manuela Lingnau
S. 51; 2: Manuela Lingnau
S. 52; 1: Tino Harig, Fraunhofer IST
S. 54: Reiner Meier, BFF Wittmar
S. 56; 1: Reiner Meier, BFF Wittmar
S. 58; 1: Reiner Meier, BFF Wittmar
S. 58; 2: Artur Laukart, Fraunhofer IST
S. 60; 1: Falko Oldenburg, Fraunhofer IST
S. 60; 2: Dr. Volker Sittinger, Fraunhofer IST
S. 61; 3: Jan Benz, Fraunhofer IST
S. 62; 1: Jan Benz, Fraunhofer IST
S. 62; 2: Oliver Werner , Fraunhofer IST
S. 64: Falko Oldenburg, Fraunhofer IST
S. 66; 1 – 4: Michael Scholtalbers, Fraunhofer IST
S. 67; 5: Michael Scholtalbers, Fraunhofer IST
S. 68; 1: Hans-Ulrich Kricheldorf, Fraunhofer IST
S. 69; 2: Hans-Ulrich Kricheldorf, Fraunhofer IST
S. 70; 2: Jan Benz, Fraunhofer IST
S. 72; 1: Krees Nagel, Fraunhofer IST
S. 72; 2: Krees Nagel, Fraunhofer IST
S. 74: Falko Oldenburg, Fraunhofer IST
S. 76; 1: Dr. Stefan Fischer, Jannis Fatouros, MRC Systems GmbH
S. 76; 2: Sartorius AG
S. 78; 1: Torsten Baranski, Fraunhofer IST
S. 78; 2: Kristina Lachmann, Fraunhofer IST
S. 79; 3: Torsten Baranski, Fraunhofer IST
S. 79; 4: Kristina Lachmann, Fraunhofer IST
S. 80; 1: M3i Technologies
S. 80; 2: Manuela Lingnau, Fraunhofer WKI
S. 82: Dr. Kirsten Ingolf Schiffmann, Fraunhofer IST
S. 84; 1: Falko Oldenburg, Fraunhofer IST
S. 86; 1: Jan Benz, Fraunhofer IST
S. 86; 2: Jan Benz, Fraunhofer IST
S. 88; 1 – 2: Christoph Schwanke, Fraunhofer IST
S. 89; 3: Christoph Schwanke, Fraunhofer IST
S. 90; 1–2: Andreas Pflug, Fraunhofer IST
S. 92: Jan Benz, Fraunhofer IST
S. 94; 1: Antje Dohse, Fraunhofer IST
S. 95: Anika Heddergott, Fraunhofer IST
S. 96; 1: Myriam Schaller, Fraunhofer IST
S. 96; 2: Myriam Schaller, Fraunhofer IST
S. 98: Saskia Biehl, Fraunhofer IST
S. 100; 1: Myriam Schaller
S. 100; 2: Elena Dröge
S. 116: Mandalla, photocase.com
S. 120; 1 – 4: Fraunhofer-Verbund Light&Surfaces
S. 121; 5: Reiner Meier, BFF Wittmar
S. 122; 1 – 2: Sandra Palm, INPLAS/Fraunhofer IST, Braunschweig
S. 123; 3: Petra Bögge-Dörfler, INPLAS/nemo kommunikation & design
Alle anderen Bilder und Grafiken: Fraunhofer-Institut für
Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig.
S. 2: Falko Oldenburg, Fraunhofer IST
S. 3; 1: Jan Benz, Fraunhofer IST
S. 6; 1: Jan Benz, Fraunhofer IST
S. 6; 2: Myriam Schaller, Fraunhofer IST
S. 7; 3: Jan Benz, Fraunhofer IST
S. 8; 1: Dirk Mahler
S. 10; 1: Elena Dröge
S. 11; 2: EagleBurgmann Germany
S. 12: Jan Benz, Fraunhofer IST
S. 14: Jan Benz, Fraunhofer IST
S. 16: Reiner Meier, BFF Wittmar
S. 20: Jan Benz, Fraunhofer IST
S. 21: Dr. Kirsten Ingolf Schiffmann, Fraunhofer IST
S. 22: Jan Benz, Fraunhofer IST
S. 24: Reiner Meier, BFF Wittmar
S. 26; 1: Matthias Römer, GfG / Gruppe für Gestaltung GmbH
S. 28; 1: Jochen Borris, Fraunhofer IST
S. 28; 2: Falko Oldenburg, Fraunhofer IST
S. 30; 1: Falko Oldenburg, Fraunhofer IST
S. 32: Reiner Meier, BFF Wittmar
S. 34; 1: DLR: Institut für Flugsystemtechnik
S. 35; 2: DLR: Institut für Flugsystemtechnik
S. 36; 1: Dr. Kai Ortner , Fraunhofer IST
impressumDas Fraunhofer-Institut für Schicht-
und oberflächentechnik IST
Institutsleitung
Prof. Dr. Günter Bräuer
Stellvertretender Institutsleiter
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