Instituto Fraunhofer de Tecnologia a Laser desenvolve processo de revestimento a laser sem PFAS na Alemanha

De acordo com pt.wedoany.com-O Instituto Fraunhofer de Tecnologia a Laser (Fraunhofer ILT), em parceria com parceiros industriais, desenvolve nos projetos RePEEK, EPOS, LEMBAS e pureWaterSeal processos de revestimento de alto desempenho sem PFAS baseados em laser, abrangendo aplicações industriais como grandes componentes metálicos, mancais de deslizamento, rolos elastoméricos e vedações. Esses processos utilizam a característica da energia laser de atuar na superfície do material de forma precisa, localizada e de curta duração, permitindo que materiais alternativos sem PFAS sejam aplicados de forma confiável em diferentes substratos, evitando os problemas de alto consumo energético ou danos térmicos ao substrato dos processos convencionais em forno.

As substâncias perfluoroalquiladas e polifluoroalquiladas (PFAS) possuem extrema estabilidade química e térmica, capazes de reduzir o atrito, prevenir desgaste e corrosão, evitar adesão e fornecer desempenho de emergência quando o filme lubrificante falha. O Dr. Samuel Moritz Fink, líder do grupo de processos de filmes finos do instituto, afirma que os materiais contendo PFAS geralmente estão localizados nas regiões dos componentes sujeitas às maiores cargas. Os materiais substitutos precisam não apenas aderir a superfícies metálicas, plásticas ou de borracha, mas também suportar altas temperaturas, não se desprender sob carga e considerar a viabilidade econômica do revestimento de grandes componentes. Materiais como o polieteretercetona (PEEK) têm potencial em propriedades químicas e mecânicas, mas podem não atingir todas as propriedades do politetrafluoretileno (PTFE); portanto, apenas substituir o material não é suficiente para resolver o problema.

O ponto crucial está no processo de revestimento. O Dr. Christian Vedder, chefe do departamento de tecnologia de superfícies e remoção de material do instituto, ressalta que o foco da pesquisa não é meramente a substituição de materiais, mas sim a construção direcionada de sistemas de camadas inovadores por meio de processos a laser. O laser pode estruturar a superfície, melhorar a conexão entre o material substituto e o componente, ou modificar localmente o revestimento, evitando ao mesmo tempo um aquecimento intenso de todo o componente.

O projeto RePEEK desenvolve revestimentos à base de PEEK para componentes móveis de alta carga na engenharia mecânica, como grandes mancais de deslizamento, vedações, pistões e válvulas solenoides. Em grandes mancais de deslizamento de turbinas eólicas, o eixo geralmente opera em sistemas de camadas contendo PTFE. Se grandes componentes metálicos fossem aquecidos integralmente em forno, o consumo de energia seria alto e o ciclo longo, aquecendo muito mais material do que o necessário para o revestimento. A equipe de pesquisa primeiro utiliza laser para gerar uma camada metálica intencionalmente rugosificada na superfície metálica e, em seguida, aplica pó de PEEK no mesmo ambiente de processo, fundindo-o localmente, fazendo com que o plástico se ancore na superfície metálica rugosa, formando um material composto composto por uma camada funcional metálica e uma camada superior à base de PEEK. Para isso, a equipe desenvolveu uma tecnologia de bocal ciclônico, já patenteada, que desacelera significativamente o fluxo de ar, fazendo com que o pó atinja a superfície em baixa velocidade sem ricochetear, aumentando a eficiência de utilização do material e a controlabilidade do processo.

O projeto EPOS, liderado por Delil Idris Demir, do Fraunhofer ILT, investiga como construir revestimentos à base de PEEK em componentes de mancais de deslizamento de grandes dimensões com alta confiabilidade de processo e em múltiplas camadas. A aplicação em camadas sucessivas permite alcançar maiores espessuras de revestimento sem aquecer integralmente componentes que pesam várias toneladas. A ACS Coating Systems participa do projeto; a empresa desenvolve esses revestimentos de deslizamento desde meados da década de 1990 e atualmente produz revestimentos com espessuras que variam de alguns micrômetros a um milímetro. Seu diretor-geral, Dr. Christoph Stecher, contribui para o projeto a partir das perspectivas de estrutura de revestimento, aplicação industrial e produção em série subsequente. A Polymer Service GmbH Merseburg (PSM), sob a liderança da Prof. Dr. Katrin Reincke, realiza testes e avaliações dos revestimentos, com foco na cristalinidade, microestrutura, estado térmico e propriedades mecânicas e termomecânicas do PEEK, a fim de coordenar o processo a laser com a estrutura de múltiplas camadas, garantindo adesão uniforme do revestimento e resistência às cargas operacionais dos mancais de deslizamento.

O projeto LEMBAS é direcionado a rolos e cilindros elastoméricos utilizados na produção de filmes, indústria de embalagens, produção de papel e tecnologia médica. Partículas na superfície dos rolos podem causar problemas em processos de alta velocidade; a indústria comumente utiliza revestimentos de silicone para fornecer propriedades antiaderentes, mas a durabilidade dificilmente atende aos requisitos dos processos modernos de alta velocidade. Adam El-Sarout, do grupo de processos de filmes finos do Fraunhofer ILT, destaca que, embora os revestimentos de silicone forneçam as propriedades antiaderentes necessárias, nem sempre alcançam a durabilidade exigida pelos processos modernos de alta velocidade. A equipe, em colaboração com o especialista em revestimentos Rhenotherm, desenvolve processos a laser utilizando polímeros de alto desempenho como PEEK, poliamida ou polipropileno, que são mais resistentes ao desgaste, mais resistentes quimicamente e não contêm PFAS em comparação ao silicone. A dificuldade técnica reside na janela de temperatura: a fusão de polímeros de alto desempenho exige altas temperaturas, enquanto elastômeros como EPDM têm resistência térmica limitada; se o rolo de borracha fosse aquecido integralmente, o substrato seria danificado. O laser gera alta temperatura apenas local e brevemente no material de revestimento, fundindo a camada funcional enquanto protege o componente elastomérico subjacente. A equipe também desenvolveu uma camada intermediária para proteger o elastômero e fortalecer a adesão do revestimento, além de ajustar as propriedades ópticas e reológicas do material para se adequar ao processo a laser.

O projeto pureWaterSeal é conduzido conjuntamente pelo Instituto Fraunhofer de Tecnologia a Laser (ILT) e pelo Instituto Fraunhofer de Mecânica dos Materiais (IWM), com o objetivo de desenvolver vedações sustentáveis que não requerem PFAS e podem operar com lubrificantes à base de água. Especialistas do IWM desenvolveram revestimentos de carbono tipo diamante (Diamond-like carbon, DLC) projetados especificamente para componentes plásticos sem PFAS; a equipe do ILT então estrutura o revestimento com laser, eliminando localmente tensões internas e cargas mecânicas, mantendo ao mesmo tempo a estabilidade geral do revestimento. A combinação de estruturação a laser e revestimento pode reduzir o atrito, aumentar a resistência ao desgaste e prolongar a vida útil das vedações. Segundo Matthias Laermann, líder da equipe de estruturação de superfícies do instituto, a Alemanha consome cerca de um milhão de toneladas de lubrificantes à base de óleo por ano, e apenas um litro pode contaminar até um milhão de litros de água subterrânea. Os primeiros protótipos já operam em bombas de usinas geotérmicas, e a equipe de pesquisa, juntamente com parceiros industriais, está adaptando as vedações para aplicações como automóveis de passeio, hélices de navios, turbinas eólicas e colheitadeiras, enquanto se prepara para a transferência para equipamentos maiores e produção industrial em série.

A conclusão comum dos projetos acima é que a eliminação das PFAS não pode ser alcançada apenas com a substituição de materiais; são necessários também processos complementares de fabricação e tratamento de superfície. O laser, como ferramenta-chave, pode realizar localmente a aplicação de materiais, fusão ou estruturação de camadas funcionais, evitando impor carga térmica desnecessária aos componentes subjacentes. As empresas não precisam esperar por uma única alternativa que cubra todas as aplicações de PFAS; o Fraunhofer ILT e seus parceiros industriais estão desenvolvendo sistemas de camadas personalizados para diferentes componentes e requisitos de aplicação, incluindo superfícies de baixo atrito para mancais de deslizamento, revestimentos antiaderentes resistentes ao desgaste para rolos e sistemas de vedação sem PFAS em ambientes com lubrificantes à base de água.