Oberflächentechnologien, wie z.B. die Beschichtungstechnologie, bieten ein enormes Potenzial zur Entwicklung neuer bzw. zur Verbesserung bekannter Produkte sowie zur Einsparung von Ressourcen. Beispielsweise werden Werkzeuge zur spanenden Bearbeitung aktuell kaum noch ohne eine leistungsfähige Verschleißschutzbeschichtung eingesetzt. Die Gebrauchseigenschaften der Werkzeuge werden maßgeblich durch die nur wenige Mikrometer dicke Beschichtung bestimmt.
Vakuumbogenquellen (auch: Arc-Quellen) sind sehr effiziente Plasmaquellen für physikalische Vakuum-Beschichtungsprozesse, die häufig für Werkzeugbeschichtungen eingesetzt werden. Nachteil dieser Plasmaquellen ist die Emission mikroskopisch kleiner Partikel des verdampften Materials, die in die Schichten eingebaut werden und zu Schichtdefekten und Rauheiten führen. Moderne Fertigungsverfahren erfordern zunehmend glatte Werkzeugoberflächen, ein steigender Bedarf an geeigneten Lösungen für defektarme Beschichtungen in der Industrie ist also vorhanden.
Anfang März 2015 ist das Forschungsprojekt „Bogenentladungsquelle mit Plasmamodifikation“ mit dem Ziel gestartet, die Partikelbelastung der Schichten zu vermeiden - durch eine Verdampfung der Partikel nach Verlassen der Plasmaquelle. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen zur Partikelfilterung treten hier keinerlei Plasmaverluste auf, durch die Partikelnachverdampfung wird zusätzliches Plasma zur Beschichtung generiert.
Den metallischen Partikeln wird nach Emission durch die Arc-Quelle kurzzeitig zusätzlich so viel Energie zugeführt, dass sie verdampfen und in ionisierter Form zum Beschichtungsplasma beitragen. Dafür kann in Ausbreitungsrichtung des Plasmas eine Röhre genutzt werden, durch die Plasma und Partikel hindurchfliegen. Durch eine elektrische Entladung im Inneren der Röhre, z. B. eine Hohlkathodenentladung, wird eine Zone hoher Plasmadichte geschaffen, die genug Energie bereitstellen kann, um die Partikel im Flug zu verdampfen. Dadurch kann nicht nur ein partikelfreies Plasma verlustfrei zur Verfügung gestellt werden, sondern es erfolgt auch eine zusätzliche Plasmaanregung mit einer einhergehenden Verbesserung der erreichbaren Schichteigenschaften.
Durch das vorgeschlagene Projekt eröffnet sich die Möglichkeit, die Umsetzbarkeit des neuen Plasmaquellentyps relativ kurzfristig zu bewerten. Im Erfolgsfall könnten dann Projekte zur Entwicklung einer industriellen Quelle folgen, die die Voraussetzung zu einer umfassenden Nutzung in der Produktion schaffen würden. Dies stellt einen Beitrag zur Erweiterung der Anwendungen dünner Schichten in der Produktion als effizientes Werkzeug zur Resssourcenschonung und Kosteneinsparung dar.
Das Projekt „Bogenentladungsquelle mit Plasmamodifikation“ am Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit rund 260.000 Euro gefördert. Das Projekt wird im Rahmen der Initiative „Wissenschaftliche Vorprojekte“ bis Ende August 2016 unterstützt.