Das Labor für Oberflächentechnik am Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik hat eine bedeutende Erweiterung seiner Forschungs- und Lehrkapazitäten vorgenommen. Unter der Leitung von Professor Dr. Markus Lake, Leiter des Kompetenzzentrums STAR und des Labors für Oberflächentechnik, wurde eine hochmoderne Suspensionsspritzanlage erfolgreich in Betrieb genommen.

Mit dieser Anlage können im Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren (S-HVOF-Technologie) unter Verwendung von Suspensionen sehr dünne und fein strukturierte Schichten hergestellt werden. Hierbei stellen Suspensionen komplexe Stoffgemische aus einem Feststoff und einer Trägerflüssigkeit dar.

Die Suspensionsspritzanlage, entwickelt und hergestellt von der GTV Verschleißschutz GmbH aus Luckenbach (Rheinland-Pfalz), ist ein technologischer Meilenstein für die Hochschule. Diese Anlage erlaubt es, die Schicht- und Prozessentwicklung auf ein neues Niveau zu heben. Insbesondere im Bereich der Synthese katalytischer Werkstoff- und Oberflächensysteme eröffnen sich hierdurch völlig neue Möglichkeiten. Die S-HVOF-Anlage wird sowohl in der Lehre als auch in der Forschung eingesetzt und ermöglicht es, Studierende praxisnah in hochspezialisierte Technologien einzuführen.

Feierlich übergeben wurde die Anlage durch Hochschulpräsident Dr. Thomas Grünewald, GTV-Geschäftsführer Dr. Klaus Nassenstein und dem Entwicklungsleiter Dr. Andreas Wank. „Wir freuen uns, diese innovative Technologie in die Hände so erfahrener und engagierter Wissenschaftler zu geben“, betonte Dr. Klaus Nassenstein während der Zeremonie. Nassenstein war darüber hinaus bis April 2024 Präsident des Forschungs- und Transfernetzwerkes Mittelstand der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF).

Die HSNR zählt zu den wenigen Forschungseinrichtungen in Deutschland, die über diese fortschrittliche Applikationstechnik verfügen. „Die Entwicklung und Optimierung der Suspensionen erfolgt in enger Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Andreas Roppertz vom Fachbereich Chemie“, sagt Prof. Dr. Lake. Durch diese interdisziplinäre Zusammenarbeit können maßgeschneiderte Lösungen für unterschiedliche industrielle Anwendungen entwickelt werden.

Mit der neuen Suspensionsspritzanlage stärkt die Hochschule ihre Position als führende Forschungseinrichtung im Bereich der Oberflächentechnik und schafft gleichzeitig neue Möglichkeiten für die Entwicklung zukunftsweisender Materialien und Verfahren.

Wir freuen uns bekannt zu geben, dass Prof. Dr. Markus Lake in das renommierte Promotionskolleg NRW aufgenommen wurde. Diese Ehre würdigt seine wissenschaftlichen Beiträge und seine engagierte Forschung auf dem Gebiet der Prozess- und Applikationsentwicklung sowie seine erfolgreiche Betreuung seiner Promovierenden.

Als professorales Mitglied in der Abteilung "Ressourcen und Nachhaltigkeit" des Promotionskollegs konzentriert sich Markus Lake und sein Entwicklungsteam M. Sc. Nikolai Desch und B. Eng. Theresa Gielen auf die Erforschung innovativer Oberflächensysteme. Ein Schwerpunkt der Aktivitäten stellt die Applikationsentwicklung katalytischer Oberflächensysteme dar. Mit diesen Arbeiten treibt er und sein Team die Entwicklung nachhaltiger Technologien voran, die einen wesentlichen Beitrag zum Umweltschutz und zur Ressourcenschonung leisten.

Seine Aufnahme in das Promotionskolleg NRW ist ein bedeutender Meilenstein in seiner wissenschaftlichen Karriere und unterstreicht seine herausragenden Leistungen in der Forschung und in der Betreuung des wissenschaftlichen Nachwuchses.

Über das Promotionskolleg NRW

Das Promotionskolleg NRW ist eine führende Institution zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses in Nordrhein-Westfalen. Es bietet herausragenden Forschenden die Möglichkeit, in einem interdisziplinären Umfeld ihre Promotionen durchzuführen und von einem exzellenten Betreuungs- und Förderprogramm zu profitieren.

Das Labor für Oberflächentechnik verfügt seit neustem über ein Leitfähigkeitsmessgerät des Typs Loresta GX-II der Firma Mitsubishi Chemical Analytech. Dieses Messgerät arbeitet nach der 4-Punkt-Messmethode und basiert auf dem Vierleiterverfahren, mit dem der Einfluss der Kontaktwiderstände auf das Messergebnis eliminiert werden kann. Mit diesem Messgerät können weiterhin der spezifische Volumenwiderstand und der spezifische Flächenwiderstand bestimmt werden.

Eingesetzt wird das neue Messgerät in Lehre und Forschung, um die elektrische Leitfähigkeit an dünnen Schichten und Kompaktwerkstoffen untersuchen und bestimmen zu können. Ein wesentlicher Schwerpunkt stellt die Messung des elektrischen Widerstands der im Labor entwickelten Dünnschichtsysteme für die katalytische Wasserbehandlung dar. Im Rahmen der Applikationsentwicklung werden beispielsweise Diamantschichten gezielt dotiert, um die elektrische Leitfähigkeit definiert einzustellen.

Am 25. April 2024 war es wieder soweit. Es war Girls‘ Day und acht Teilnehmerinnen, unterstützt durch das Team aus dem Labor für Oberflächentechnik, widmeten sich der Frage "Was haben alte Nachttöpfe, chemische Reaktoren und modernes Schmuckdesign gemein? – Eine Emailschicht!".

Gestartet wurde mit einer kurzen Einführungspräsentation, in der Prof. Dr. Markus Lake die gängigen Emaillierverfahren und die unterschiedlichen Einsatzbereiche von emaillierten Oberflächen vorstellte. Dann ging es auch schon mit der eigentlichen, praktischen Laborarbeit los und die Teilnehmerinnen konnten sich beim Emaillieren, unterstützt durch B. Eng. Theresa Gielen und M. Sc. Nikolai Desch, versuchen.

In einem ersten Schritt wurden z. B. die Schichtdicken variiert und das Brennergebnis bewertet sowie erste Erfahrungen im Mischen von Farben gesammelt. Mit diesem Wissen konnten die Teilnehmerinnen dann ihre Emaillierkenntnisse direkt praktisch anwenden. Es wurden zahlreiche kunstvolle Schmuckstücke angefertigt, um so ein bleibendes Andenken an einen tollen Tag mit nach Hause nehmen zu können.

Das Labor für Oberflächentechnik verfügt seit November 2023 über eine neue XRD-Anlage des Modells "STADI MP" der Frima Stoe, Darmstadt. Die Beantragung des Röntgendiffraktometers erfolgte durch Herrn Professor Andreas Roppertz, er ist Mitglied im Kompetenzzentrum STAR und Akteur im Labor für Oberflächentechnik, in enger Zusammenarbeit mit Frau Doktorin Sabrina Keil und Professor Markus Lake. Die finanzielle Förderung erfolgt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Programm Großgeräte der Länder.

Die Anschaffung eines Röntgendiffraktometers an der Hochschule Niederrhein bietet die Möglichkeit, theoretische Zusammenhänge aus den Lehrveranstaltungen unmittelbar mit der praktischen Erfahrung zu verbinden. Anwendungsrelevante Fragestellungen wie z. B. der Einfluss von Dotierungsstoffen auf die Phasenbildung oder die temperaturinduzierte Phasenumwandlung u.v.m. lassen sich im Rahmen von Praktika nachhaltig veranschaulichen. Der uneingeschränkte Zugang zu dieser Methode ist insbesondere für die Material- und Phasenanalyse in Projektarbeiten, Abschlussarbeiten und Dissertationen von großem Vorteil. Das neue Gerät dient zur kristallografischen Untersuchung von Pulvern, Bulkmaterialien und dünnen Schichten und verfügt über einen automatischen Mehrfachprobenwechsler, welcher eine zeiteffiziente Analyse großer Probenaufkommen ermöglicht. Das Gerät verfügt ferner über eine modulare in-situ-Zelle, bei der die Proben während der Analyse begast und beheizt werden können. Bei Temperaturen von bis zu 900 °C und einer reaktiven Gasphase können in-situ-Phasenbildungen und -umwandlungen untersucht werden. Die hohe Leistung der Röntgenröhre und die hohe Intensität des Detektors ermöglichen sehr kurze Analysezeiten, sodass die zeitliche Auflösung für in-situ-Experimente gegeben ist. Diese Analysen ermöglichen die Aufklärung von Reaktionsmechanismen in der Festkörperchemie, welche im Bereich der reaktiven Oberflächen und Werkstoffsysteme von enormer Bedeutung sind.

Sämtliche Oberflächen, mit denen man im täglichen Leben in Kontakt tritt, spielen gerade im Hinblick auf die Verbreitung von Krankheitserregern eine besondere Rolle. Titandioxid ist in seiner Modifikation Anatas photokatalytisch aktiv und kann daher als ein selbstreinigendes, antimikrobielles Oberflächensystem genutzt werden. Besonders im Hinblick auf die Entstehung und Verbreitung von Bakterien (z. B. Coli-Bakterien), Keimen (z. B. MRSA), Pilzen und Algen kann Anatas somit einen Beitrag leisten um deren Entstehung und Verbreitung zu mi-nimieren. Hoch frequentiert berührte Oberflächen wie z. B. Türklinken können somit antimikrobiell ausgestattet werden.

Ein weiteres potentielles Anwendungsgebiet, welches die photoassistierte Katalyse nutzen kann, ist die Aufbereitung von Wasser. Titandioxid kann dabei durch eine fortgeschrittene Oxidation (engl.: Advanced Oxidation Process, AOP) organischen Substanzen zersetzen und einen Beitrag dazu leisten die Belastung von Abwasser mit Schadstoffen, pharmazeutischen Produkten, Bakterien oder Pestiziden zu verringern.

Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde ein Prozess unter Verwendung der Magnetron Sputter Ion Plating-Technologie entwickelt, um in einem Niedertemperturprozess Titandioxid in der Modifikation Anatas zu synthetisieren. Die geringen Prozesstemperaturen und die Prozessführung erlauben es, diese antimikrobielle Beschichtung auf unterschiedlichen Werkstoffen z. B. Metallen, Keramiken und Kunststoffen, reproduzierbar abzuscheiden.

In dem Projekt "Elektrochemische Oxidation an bordotierten Diamantelektroden zur Behandlung von Chemisch Nickel Bädern" soll im Rahmen eines Up Scalings eine Pilotanlage aufgebaut werden, um Hypophosphit und Phosphit elektrochemisch zu Phosphat zu oxidieren. Hypophosphit ist Bestandteil der Bäder, Phosphit entsteht als Nebenprodukt bei der chemischen Beschichtung mit Nickel, der sogenannten außenstromlosen Beschichtung.

Aus ökonomischen und ökologischen Gründen steht die Entsorgung der verbrauchten Lösungen aus dem Prozess der außenstromlosen Beschichtung im Fokus der Beschichter. Ebenso hat die Reinigung von Abwässern an Bedeutung gewonnen. Gelangen Phosphorspezies in die Umwelt, so führt dies in den meisten Fällen zum überdurchschnittlich starken Wachstum von Pflanzen, der sogenannten Eutrophierung. Aus diesem Grunde arbeitet die Hochschule Niederrhein im Rahmen des Projektes ‘Elimination des Phosphits in Abwässern aus der Beschichtungsbranche‘ an der Aufbereitung von Abwässern und verbrauchten Bädern, die bei dem Beschichtungsprozess ‘Chemisch Nickel‘ entstehen. Hierzu steht eine, von der Hochschule patentierte Aufbereitungstechnologie zur Verfügung (DE102012100481, Stabbündelelektrode). Das Hauptaugenmerk der Arbeiten liegt auf der Eliminierung des Schwermetalls Nickel und der Oxidation der Phosphorspezies zu Phosphat.

Die Stabbündelelektrode und die ablaufenden elektrochemischen Vorgänge sind geeignet, um den Oxidationszustand des Phosphors zu erhöhen, wenn herkömmlichen Methoden versagen. Die Stabbündelelektrode arbeitet dabei insbesondere sehr gut im Bereich niedriger Konzentrationen. Die im Chemisch Nickel Bad vorhandenen Phosphorspezies werden an einer Stabbündelelektrode aus bordotierten Diamanten (BDD) zu Phosphat oxidiert. Die anodische Oxidation von Hypophosphit (H₂PO₂^-) und Phosphit (HPO₃^2-) zu Phosphat (PO₄^3-) findet an der Elektrodenoberfläche statt. Der größte Vorteil der Stabbündelelektrode, gegenüber den herkömmlichen Plattenelektroden, liegt in der verhältnismäßig großen Oberfläche. Um eine Rückreaktion des Phosphats zu vermeiden, ist eine kathodenseitige Abschirmung des Bades durch ein Diaphragma notwendig. Die Versuche zeigen, dass die Stromdichte, der Volumenstrom, die Badzusammensetzung und die Elektrolysezeit in der Zelle einen Einfluss auf die Phosphorumwandlung haben.

Wir danken dem Land NRW für die Unterstützung dieses Forschungsprojektes im Rahmen des EFRE-Projektes Patent Validierung. EFRE 2014-2020, Investition in Wachstum und Beschäftigung, Förderkennzeichen EFRE 0400090, Laufzeit 2 Jahre.

Im Projekt "Modellbasiertes reaktives Fügen zur Erhöhung der Prozesssicherheit und –zuverlässigkeit (MoReBond)" werden die zeitliche Wärme- und Spannungsverteilung in Fügeprozessen unter Verwendung von reaktiven Multischichten (RMS) simuliert und an unterschiedlichen Demonstratoren nachgestellt. Durch eine möglichst exakte Modellierung sollen die räumliche und zeitliche Wärme- und Spannungsverteilung sowohl innerhalb der Fügezone als auch im angrenzenden Bauteil ermittelt werden, um die optimalen Material- und Prozessparameter beim reaktiven Fügen ohne vorherige, aufwändige Versuchsreihen zu finden.

In diesem Projekt arbeiten das Institut für Modellbildung und Hochleistungsrechnen (IMH) und das Kompetenzzentrum Surface Technology Applied Research (STAR) der Hochschule Niederrhein mit den Forschungspartnern Hahn Schickard Institut in Villingen-Schwenningen und Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik in Dresden zusammen.

Fördergeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF)
Fördernummer: 20896 BG
Laufzeit: 01.11.2019 bis 30.04.2022

Das Video zeigt die Hochgeschwindigkeitsaufnahme einer Reaktionsfront im System Zr-Al [Quelle: Masterprojekt "RMS-Speed" im SoSe 2021]