Werkzeuge können dreidimensional beschichtet werden
Bremer Forscher züchten künstliche Diamanten an der Luft

Physiker der Universität Bremen haben ein Verfahren entwickelt, mit dem synthetische Diamanten an der Luft gezüchtet werden können. Die Abscheidung der Diamanten an einer Oberfläche gelang durch Einsatz von Laserstrahlen. Dadurch ergeben sich neue Anwendungsmöglichkeiten für die Werkzeugindustrie.

HB DÜSSELDORF. Physikern des Bremer Instituts für angewandte Strahltechnik (BIAS) ist es erstmals gelungen, Diamanten auch an der Luft zu züchten. Die Bremer Forscher haben ein so genanntes Photonen-Plasmatron entwickelt, das die Diamantabscheidung an der offenen Luftatmosphäre erlaubt - ohne Unterdruck und ohne Kammer. Schon allein das ist ein riesiger Fortschritt. Doch auch in punkto Schnelligkeit bricht das neue Verfahren alle Rekorde: Nun sind Beschichtungen von zwei Tausendstel Millimetern pro Minute möglich.

Diamanten bestehen aus Kohlenstoff und sind chemisch gesehen das Gleiche wie Ruß oder das Graphit, aus dem Bleistiftminen sind. Erst die unterschiedliche Verbindung der Kohlenstoffatome macht daraus einen Diamanten oder eben Ruß. Bislang konnten diese Diamanten nur bei Unterdruck in Vakuumkammern hergestellt werden - das ist langwierig und teurer. Die Schichten wachsen nur sehr langsam, und die Abmessungen der zu beschichtenden Bauteile wurden durch die Vakuumkammer begrenzt.

Nun könnten auch Sägebänder beschichtet werden

"Wenn unsere Entwicklung in die industrielle Anwendung umgesetzt wird, eröffnet sie der Werkzeugindustrie zusätzliche Horizonte", hebt Prof. Simeon Metev, Abteilungsleiter für Laser-Mikrotechnologie am BIAS, die Bedeutung der Entwicklung hervor. Dann könnten auch dreidimensionale Bauteile beschichtet werden oder etwa lange Sägebänder, wie sie täglich tausendfach zum Schneiden von Metallen eingesetzt werden. Diese Sägebänder, die bislang in keine Vakuumkammer passten, könnten einfach unter den Bremer Plasmatron entlang gezogen werden. "Dabei wäre sogar auch nur die Beschichtung der Spitzen möglich, was wesentlich kostengünstiger wäre", sagt Metev.

Für die Industrie sind diese polykristallinen synthetischen Diamanten wichtig. Werkzeuge, die mit Diamanten beschichtet sind, werden durch die große Härte vor Verschleiß geschützt. Aber auch in der Elektronik werden die Diamantbeschichtungen genutzt: zur Wärmeableitung oder als Isolator. Diamant leitet Wärme fünfmal so gut wie Kupfer.

Die Diamantabscheidung an der Luft wird möglich, weil die Bremer Wissenschaftler Licht statt Elektrizität zur Ionisierung des Trägergases nutzen. Ein starker Multi-Kilowatt-Laser wird über zwei Spiegel geleitet und in einen Brennpunkt fokussiert. Wird die Strahlung kontinuierlich aufrecht erhalten, entsteht dort eine Art Dauerblitz mit Temperaturen zwischen 15 000 und 20 000 Grad Celsius.

Dort wird das Trägergas zum Plasma angeregt, welches das ebenfalls zugeleitete kohlenstoffhaltige Gas an diesem Punkt in seine Bestandteile aufspaltet. Die freien Kohlenstoffatome wachsen auf ein darunter liegendes Substrat auf. Eine Wasserkühlung schützt das optische Plasmatron vor thermischer Überlastung. Das Verfahren wird vom Computer gesteuert, um die exakt definierten Parameter einzuhalten. Dies ist eine wichtige Voraussetzung, um das Wachstum der Diamanten zu steuern und ein schnelles Beschichten zu ermöglichen.

Auf dem Weg vom Labor in die Produktion

Was sich im Ergebnis einfach anhört, basiert auf jahrelangen Versuchen und Forschungen. Um eine perfekte Schicht abscheiden zu können, mussten die Wissenschaftler immer wieder an Größen wie Strömungsgeschwindigkeit, Druckverhältnissen oder Temperaturen feilen. "Allein das gleichmäßige Unterhalten des Plasmas an der Luftatmosphäre ist schon eine schwierige Aufgabe", verdeutlicht Laserexperte Metev. Um zu den richtigen polykristallinen Diamanten zu kommen, sei außerdem eine genaue Kenntnis des Bindungsverhaltens im Kohlenstoff nötig.

Durch das in Bremen entwickelte Verfahren ergeben sich neue und kostengünstige Anwendungsmöglichkeiten in der Industrie. In einem bald beginnenden Projekt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird, soll die Neuerung in die industrielle Fertigung überführt werden. In einem gemeinsamen Projekt mit der Wikus-Sägenfabrik aus Spangenberg, einem Hersteller von Sägebändern, wollen die Bremer Forscher das Verfahren vom Labor in die Produktion überführen. Unterstützt werden sie dabei von dem Anlagenbauer Roth & Rau aus Wüstenbrand, einem Hersteller von Beschichtungsanlagen.

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