Beschichtungen von Oberflächen prüfen

Abbildung 1: Oberflächenbeschichtungen sind in nahezu allen Industriezweigen unverzichtbar, da sie die Eigenschaften eines Materials gezielt verändern können.

Oberflächen werden in zahlreichen Anwendungsbereichen beschichtet, um die Materialeigenschaften auf ihren Verwendungszweck hin zu optimieren. Eine Möglichkeit zur Charakterisierung der Oberflächenbeschichtung ist die Kontaktwinkelmessung. Diese kann sowohl für die Forschung und Entwicklung, wie auch in der Qualitätskontrolle relevant sein.

Warum werden Oberflächen beschichtet?

Oberflächenbeschichtungen sind in nahezu allen Industriezweigen unverzichtbar, da sie die Eigenschaften eines Materials gezielt verändern können. Eine Beschichtung optimiert die Oberfläche für die geplante Anwendung.

Im industriellen Kontext gibt es eine Vielzahl von Oberflächenbeschichtungen, die je nach Material, Anforderung und Einsatzzweck eingesetzt werden. Sie lassen sich grob in metallische, anorganische, organische und hybride Beschichtungen unterteilen, wobei jede Kategorie unterschiedliche Funktionen wie Korrosionsschutz, Verschleißfestigkeit, Leitfähigkeit oder dekorative Effekte erfüllt.

Eine der wichtigsten Kategorien sind metallische Beschichtungen. Dazu zählen beispielsweise Galvanik- oder Elektroplattierungsverfahren, bei denen Metalle wie Zink, Nickel, Chrom oder Kupfer elektrolytisch aufgetragen werden. Sie dienen primär dem Korrosionsschutz, erhöhen aber oft auch die Härte oder verbessern die Gleiteigenschaften der Oberfläche. Ein weiteres Verfahren ist das Aufschweißen oder thermische Spritzen, bei dem Metalle oder Legierungen auf Werkstücke aufgebracht werden, um Verschleißschutz oder Hitzebeständigkeit zu gewährleisten.

Anorganische Beschichtungen werden mittels Verfahren wie dem Eloxieren von Aluminium hergestellt. Dabei entsteht durch elektrolytische Oxidation eine harte und korrosionsbeständige Oxidschicht. Auch Keramikbeschichtungen fallen in diesen Bereich, etwa als PVD- oder CVD-Schichten, die sehr hart, chemisch resistent und hitzebeständig sind. Anorganische Schichten werden häufig in der Luft- und Raumfahrt, im Werkzeugbau oder bei Hochtemperaturanwendungen eingesetzt.

Organische Beschichtungen bestehen meist aus Polymeren. Dazu gehören Lackierungen, Pulverbeschichtungen oder Kunststoffüberzüge, die optische Effekte, Korrosionsschutz und teilweise auch chemische Beständigkeit bieten. Pulverbeschichtungen werden dabei elektrostatisch aufgetragen und anschließend eingebrannt, was besonders widerstandsfähige Oberflächen erzeugt. Lacke hingegen können sowohl dekorative als auch schützende Funktionen erfüllen und lassen sich flexibel an unterschiedliche Materialien anpassen.

Hybride oder funktionalisierte Beschichtungen kombinieren mehrere Eigenschaften und Technologien. Dazu zählen etwa metall-organische Schichten, selbstheilende oder wasserabweisende Beschichtungen, sowie moderne Nanobeschichtungen, die z. B. Antibeschlag-, Antihaft- oder antibakterielle Eigenschaften besitzen. Sie werden vor allem dort eingesetzt, wo konventionelle Schichten die Anforderungen nicht erfüllen können.

Darüber hinaus gibt es spezialisierte Verfahren wie Laserstrukturierung, Beflammung oder Plasmabehandlung, die punktgenau angewendet werden und oft in Hightech-Anwendungen wie der Medizintechnik oder Luftfahrt verwendet werden.

Wie lässt sich eine Beschichtung der Oberfläche charakterisieren?

Eine Methode zur Charakterisierung von Beschichtungen ist die Kontaktwinkelmessung. Hierbei wird ein Flüssigkeitstropfen auf die Oberfläche aufgebracht, und der Winkel zwischen Flüssigkeit und Festkörper gemessen. Kleine Winkel zeigen eine gute Benetzung an (hydrophile oder wasseranziehende Oberflächen), große Winkel hingegen weisen auf eine wasserabweisende, hydrophobe Oberfläche hin.

Aus den Kontaktwinkeldaten kann zudem die Oberflächenenergie der Beschichtung ermittelt werden. Dazu setzt man mehrere Flüssigkeiten mit bekannten Eigenschaften ein und berechnet anschließend die polaren und dispersen Anteile der Oberflächenenergie. Gerade für industrielle Anwendungen ist die Kenntnis der Oberflächenenergie entscheidend, da sie Rückschlüsse auf Haftfestigkeit und Funktionalisierung der Oberfläche erlaubt. Die Oberflächenenergie gibt Aufschluss darüber, wie gut andere Materialien – etwa Klebstoffe, Lacke oder weitere Schichten – auf der Beschichtung haften können. Sie kann auch dazu dienen, die Werte der Oberfläche vor und nach der Beschichtung zu vergleichen, um so herauszufinden, ob die Beschichtung die erforderlichen Eigenschaften aufweist.

Prüfung der Beschichtung im Labor

In der Forschung und Entwicklung werden Beschichtungen häufig umfassend analysiert, um ihre Leistungsfähigkeit unter verschiedenen Bedingungen zu bewerten. DataPhysics Instruments bietet dafür die Kontaktwinkelmessgeräte der OCA-Serie an. Diese Messsysteme ermöglichen eine vielseitige Untersuchung von Flüssigkeiten und festen Oberflächen mittels Tropfenkonturanalysen wie der statischen und dynamischen Kontaktwinkelmessung. Auch die Ermittlung von Oberflächenspannung und Oberflächenenergie sind möglich.

Ergänzend kann mit dem Zeta-Potential-Analysator ZPA 20 von DataPhysics Instruments auch das Zeta-Potenzial gemessen werden. Dadurch lassen sich elektrische Oberflächeneigenschaften in einer Flüssigkeit erfassen lassen – ein Parameter, der etwa bei biofunktionalen oder Antifouling-Beschichtungen eine große Rolle spielt.

Prüfung der Beschichtung in der Produktion

Neben der detaillierten Laboranalyse spielt auch die schnelle Prüfung im laufenden Produktionsprozess eine wichtige Rolle. Dies ist vor allem Aufgabe der Qualitätskontrolle eingehender Werkstoffe oder von fertigen Produkten. Hier muss sichergestellt werden, dass die Beschichtungen gleichmäßig und mit den gewünschten Eigenschaften aufgetragen wurden.

Geräte wie das mobile Kontaktwinkelmessgerät PCA 200 von DataPhysics Instruments ermöglichen eine unkomplizierte Messung der Kontaktwinkel und der Oberflächenenergie direkt an der Produktionslinie. Das Handgerät kann einfach auf die Oberfläche gestellt und die Oberflächenenergie mit einem einzigen Klick ermittelt werden. Durch mehrere Messungen an einem Werkteil lässt sich prüfen, ob die Beschichtung an allen Stellen einheitlich erfolgt ist. Durch Messungen an verschiedenen Bauteilen kann die Beschichtungsleistung verglichen werden. Messungen vor und nach der Beschichtung können ermitteln, ob die Beschichtung die gewünschten Eigenschaften zeigt.

Ein großer Vorteil des PCA 200 ist die schnelle und nicht-destruktive Prüfung. Die Messungen lassen sich direkt in Produktionsprozesse integrieren, wodurch eine kontinuierliche Qualitätskontrolle möglich wird. Zudem können die Ergebnisse klar dokumentiert und mit Referenzwerten verglichen werden, was eine objektive Beurteilung der Beschichtung sicherstellt.

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