Eine funktionale Keramik, direkt aus dem Metall erzeugt

PEO (Plasma Electrolytic Oxidation), also die plasmaelektrolytische Oxidation, ist ein elektrochemisches Verfahren, das die Oberfläche eines Leichtmetallbauteils (Titan, Magnesium, Aluminium) in eine keramische Oxidschicht umwandelt, ohne Zugabe von Fremdmaterial: Die Keramik wird direkt aus dem Metall selbst erzeugt.

Im Gegensatz zu einer aufgebrachten Beschichtung gibt es keine Grenzfläche zwischen Schicht und Substrat: Die Haftung ist metallurgischer Natur, was das Delaminationsrisiko stark einschränkt.

Funktionsprinzip

Die Behandlung erfolgt in einem Elektrolytbad, in dem das Bauteil unter ansteigender Spannung mehrere aufeinanderfolgende Regime durchläuft:

  1. Anodisation — Bildung eines dünnen, kompakten Oxidfilms ohne Entladung.
  2. Durchbruch — oberhalb einer Schwellenspannung gibt das native Oxid nach, und die ersten Mikroentladungen entstehen über die gesamte Oberfläche.
  3. Mikrolichtbogen-Regime — dies ist die nutzbare Zone des Verfahrens: Jede Mikroentladung schmilzt das Oxid lokal auf, das beim Kontakt mit dem Bad sofort wieder erstarrt und so schrittweise die keramische Schicht aufbaut.
  4. Arcing (Lichtbogenbildung) — bei zu hoher Spannung werden die Entladungen seltener, aber sehr energiereich, graben große Krater und können die Schicht rissig machen. Dieses Regime sollte vermieden werden.

Materia Nova steuert das Verfahren so, dass es im Fenster des Mikrolichtbogen-Regimes bleibt, das eine homogene und hochwertige Schicht garantiert.

Die erzeugte Schicht

Die PEO-Behandlung erzeugt eine keramische Doppelschicht:

  • Eine dichte innere Schicht, unter einem Mikrometer, die als Barriere wirkt und die Korrosionsbeständigkeit sicherstellt.
  • Eine poröse äußere Schicht, dicker, die der Oberfläche ihr Erscheinungsbild und ihre Rauheit verleiht und je nach Anwendung versiegelt oder funktionalisiert werden kann — beispielsweise zur Integration antibakterieller Wirkstoffe oder zur Förderung der Zellanhaftung im biomedizinischen Bereich.

Die Gesamtdicke, typischerweise zwischen 5 und 30 µm, lässt sich über die Behandlungsdauer und das angelegte elektrische Profil einstellen.

Erzielte Eigenschaften

  • Härte und Verschleißfestigkeit — die keramische Schicht ist deutlich härter als das blanke Metall, mit stark erhöhter Kratzfestigkeit.
  • Korrosions- und Erosionsbeständigkeit — gewährleistet durch die dichte innere Schicht, die als Barriere wirkt; die äußere Porosität kann versiegelt werden, um diesen Schutz weiter zu verstärken. PEO stellt in dieser Hinsicht eine Alternative zu klassischen Anodisierverfahren dar, mit dem Vorteil, den REACH-Vorschriften zu entsprechen.
  • Mechanische Beständigkeit — die Schicht wächst aus dem Metall selbst, ohne aufgebrachte Grenzfläche, was das Delaminationsrisiko einschränkt.
  • Biologische Funktionalisierung — die Oberflächenporosität kann genutzt werden, um die Osseointegration zu fördern oder antibakterielle Eigenschaften zu verleihen, insbesondere durch die Integration spezifischer Additive in die Schicht.

Vielfältige Anpassungsmöglichkeiten

Mehrere Parameter ermöglichen es, die Eigenschaften der erzeugten Schicht anzupassen:

  • Zusammensetzung und Leitfähigkeit des Elektrolytbads, einschließlich der Zugabe funktionaler Additive (antibakterielle Wirkstoffe, Metallsalze usw.)
  • Angelegte Spannung und Stromstärke
  • Frequenz und Tastverhältnis des Signals
  • Behandlungsdauer
  • Sorte und Zusammensetzung der behandelten Legierung

Diese Kombination von Stellhebeln ermöglicht maßgeschneiderte Entwicklungen, sei es für funktionale Eigenschaften (Härte, Korrosion, Verschleiß, Biokompatibilität) oder für die ästhetischen Effekte, die in bestimmten Branchen wie der Uhrenindustrie und dem Luxussegment gefragt sind.

Anwendungen

  • Technische Bauteile, die eine erhöhte Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit erfordern
  • Komponenten für die Uhren- und Luxusgüterindustrie, mit Möglichkeiten zur ästhetischen Individualisierung (Farben)
  • Biomedizinische Geräte (Zahnimplantate, Stents, osteoartikuläre Prothesen), zur Förderung der Osseointegration und zur Begrenzung des Infektionsrisikos
  • Luftfahrtkomponenten, als Alternative zu klassischen Anodisierverfahren für den Korrosions- und Erosionsschutz
  • Allgemeiner: jede Anwendung, bei der metallurgische Haftung und der Verzicht auf Lösungsmittel oder reglementierte Verbindungen (Chrom(VI) usw.) von Vorteil sind

Materia Nova verfügt über eine moderne PEO-Anlage, verbunden mit fundiertem Know-how in der Elektrolytformulierung, das bei anderen Verfahren erworben wurde (elektrolytische Abscheidung, cyanidfreie Vergoldung und Versilberung). Diese Technologie steht im Mittelpunkt mehrer unserer gemeinsamen Forschungsprojekte.

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