Optimierte Dichtung im Fahrradgetriebe dank Plasma

Getriebe sollen leicht laufen und gleichzeitig Dicht sein, damit weder Öl austritt noch Verschmutzung in die Mechanik eindringen kann. Wo der Einbauraum den Einsatz konventioneller Wellendichtungen nicht zulässt, kommen dazu flüssige Dichtmittel zum Einsatz. Die Herausforderung besteht aber darin, dass diese an gut an den metallischen Oberflächen haften. Gemeinsam haben das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, die Rohloff AG und der dänische Anlagenbauer Tantec A/S dafür nun eine innovative Lösung realisiert, die die Haftung dieser Dichtstoffe gezielt verbessert.

In einer weiterentwickelten Plasmaanlage vom Typ „VacuTEC2020+ designed for COntrolled ADhesion“ kommt der neu entwickelte Beschichtungsprozess „COAD“ vom Fraunhofer IST zum Einsatz. Dieser sorgt für eine zuverlässige Haftung des Dichtstoffs auf dem Wälzlagerstahl.

Plasma als Schlüssel:  Oberflächen reinigen und beschichten in einem Prozess

Der Weg zur Lösung war nicht ganz einfach: Erste Versuche fanden mit nasschemischen Reinigungsverfahren oder sogar mit herkömmlichen Plasmabehandlungen. Allerdings führte keiner dieser Testversuche zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Das Problem war die geschliffene Oberfläche des Lagers. Diese ließ nicht zu, dass der Dichtstoff optimal daran haften blieb. Auch eine intensive Vorbehandlung brachte keinen Unterschied. Erst das COAD-Verfahren brachte den Durchbruch.

Der dafür speziell am Fraunhofer IST entwickelte trockene Plasmaprozess läuft dabei vollautomatisiert ab. Die einzelnen Schritte der Reinigung und anschließenden Beschichtung erfolgen nacheinander.

Zunächst muss die Oberfläche vollständig von Unreinheiten befreit werden. Im nächsten Schritt wird der sogenannte Präkursor eingebracht. Das ist ein Molekül, welches als Ausgangprodukt einer Reaktion agiert. Dadurch wird das Plasma aktiviert und es entsteht eine extrem dünne, hochreaktive Schicht auf der Oberfläche. Die hohe Reaktivität verbessert dann die Anziehungskräfte, also die Adhäsion, zwischen Bauteil und Dichtstoff deutlich. Sie haften damit ganz ohne Lösungsmittel oder energieaufwendige Zwischenschritte aneinander.

Umsetzung als Gemeinschaftsprojekt

Die Umsetzung des Plasma-Projekts erfolgte gemeinschaftlich. Anlagenbauer Tantec A/S lieferte dafür das Grundsystem. Das unternehmen übernahm auch die  die Anpassung der Anlagentechnik und Software für den neuen Prozess. Das Fraunhofer IST entwickelte nicht nur den COAD-Prozess, sondern auch die Beschichtungseinheit und das Anlagenuntergestellt. Außerdem war es für die Optimierung der Prozessparameter und die Schulung des Personals verantwortlich. Die Rohloff AG testete dann die Beschichtung hinsichtlich Adhäsion und Qualität und integrierte die Anlage in die eigene Fertigung. Seit Juni 2024 ist die Anlage am Standort Fuldatal der Rohloff AG im Einsatz und das auch sehr erfolgreich.

Nachhaltige Produktion für umweltfreundliche Mobilität

Das entwickelte Verfahren ist nicht nur technisch überzeugend, sondern auch nachhaltig: Es braucht kein Lösungsmittel, keine aufwändigen Trocknungsprozesse und hat kaum CO₂-Emissionen, vor allem wenn während des Prozesses auf regenerative Energien gesetzt wird. Außerdem ist es vielseitig anwendbar und lässt sich flexibel auf verschiedene Materialien, Bauteilgrößen und Stückzahlen anpassen.

Gemeinsam mit Tantec A/S plant das Fraunhofer IST eine Umsetzung auf größere Anlagendimensionen. Beispielsweise wird derzeit am Fraunhofer-Zentrum Circular Economy für Mobilität CCEM in Wolfsburg, einem Zusammenschluss mehrerer Fraunhofer-Institute unter der Leitung des Fraunhofer IST, die großvolumige Variante des Verfahrens auf einer VacuTEC 8080+ erprobt. Ziel ist des Fraunhofer IST ist, gemeinsam mit Industriepartnerinnen und -partnern den COAD-Prozess für größere Bauteile und weitere industrielle Anwendungen, wie in der Automobil- und Luftfahrindustrie oder der Medizin- und Pharmatechnik, nutzbar zu machen.