أخبار ar.wedoany.com، يطوّر معهد فراونهوفر لتكنولوجيا الليزر (Fraunhofer ILT) بالتعاون مع شركاء صناعيين عمليات طلاء ليزرية عالية الأداء خالية من مواد PFAS ضمن أربعة مشاريع هي RePEEK وEPOS وLEMBAS وpureWaterSeal، تغطي تطبيقات صناعية مثل المكونات المعدنية الكبيرة والمحامل المنزلقة وبكرات المطاط والأختام. تستفيد هذه العمليات من خاصية الطاقة الليزرية في التأثير الدقيق والموضعي وقصير المدى على سطح المادة، مما يتيح طلاء المواد البديلة الخالية من PFAS بشكل موثوق على ركائز مختلفة، مع تجنب مشاكل الأفران التقليدية من ارتفاع استهلاك الطاقة أو التلف الحراري للركيزة.
تتميز المواد المشبعة بالفلور والألكيل المتعدد الفلور (PFAS) بثبات كيميائي وحراري عالٍ للغاية، فهي تقلل الاحتكاك وتمنع التآكل والصدأ وتجنب الالتصاق، وتوفر أداءً طارئًا عند فشل طبقة التشحيم. ويشير الدكتور صامويل موريتز فينك (Dr. Samuel Moritz Fink)، رئيس مجموعة عمليات الأغشية الرقيقة في المعهد، إلى أن المواد المحتوية على PFAS توجد عادة في المواضع الأكثر تعرضًا للأحمال في المكونات، لذا يجب أن تكون المواد البديلة قادرة على الالتصاق بأسطح المعادن أو البلاستيك أو المطاط، وأن تتحمل درجات الحرارة المرتفعة ولا تنفصل تحت الأحمال، مع مراعاة الجدوى الاقتصادية لطلاء المكونات الكبيرة. فمواد مثل البولي إيثر إيثر كيتون (PEEK) تمتلك إمكانات واعدة من حيث الخصائص الكيميائية والميكانيكية، لكنها قد لا تصل إلى كامل خصائص البولي تترافلورو إيثيلين (PTFE)، وبالتالي فإن مجرد استبدال المادة لا يكفي لحل المشكلة.
يكمن الحل الجوهري في عملية الطلاء نفسها. ويوضح الدكتور كريستيان فيدر (Dr. Christian Vedder)، رئيس قسم تكنولوجيا الأسطح وإزالة المواد في المعهد، أن التركيز البحثي لا ينصب على استبدال المواد فحسب، بل على بناء أنظمة طبقات مبتكرة بشكل هادف عبر عمليات الليزر. فليزر يمكنه هيكلة الأسطح، وتحسين ربط المواد البديلة بالمكونات، أو تعديل الطلاء موضعيًا، مع تجنب التسخين القوي للمكون بأكمله.
يستهدف مشروع RePEEK تطوير طلاءات قائمة على PEEK للمكونات المتحركة عالية الأحمال في مجال الهندسة الميكانيكية، مثل المحامل المنزلقة الكبيرة والأختام والمكابس والصمامات الكهرومغناطيسية. ففي المحامل المنزلقة الكبيرة في توربينات الرياح، يدور العمود عادة داخل نظام طبقات يحتوي على PTFE. أما المكونات المعدنية الكبيرة، فإن إدخالها بالكامل إلى الفرن للتسخين يتطلب استهلاكًا عاليًا للطاقة ودورة زمنية طويلة، حيث يتم تسخين كمية من المعدن أكبر بكثير مما هو مطلوب فعليًا للطلاء. يقوم فريق البحث أولاً بتوليد طبقة معدنية خشنة بشكل مقصود على السطح المعدني باستخدام الليزر، ثم يطبق مسحوق PEEK في نفس بيئة العملية ويذيبه موضعيًا، مما يجعل البلاستيك يثبت على السطح المعدني الخشن، ليتشكل مركب يتكون من طبقة معدنية وظيفية وطبقة علوية قائمة على PEEK. ولهذا الغرض، طوّر الفريق تقنية فوهة إعصارية حصلت على براءة اختراع، حيث تعمل هذه الفوهة على إبطاء تدفق الهواء بشكل كبير، مما يجعل المسحوق يصطدم بالسطح بسرعة منخفضة دون أن يرتد، مما يرفع كفاءة استخدام المواد وقابلية التحكم في العملية.
يقود مشروع EPOS الباحث دليل إدريس دمير (Delil Idris Demir) من معهد فراونهوفر ILT، ويدرس كيفية بناء طلاءات قائمة على PEEK على مكونات المحامل المنزلقة كبيرة الحجم بموثوقية عملية عالية وبطريقة متعددة الطبقات. فالتطبيق التدريجي للطبقات يتيح تحقيق سماكات طلاء أكبر دون الحاجة إلى تسخين المكونات التي يصل وزنها إلى عدة أطنان بالكامل. وتشارك في هذا المشروع شركة ACS Coating Systems، التي تواصل تطوير هذه الطلاءات المنزلقة منذ منتصف التسعينيات، وتنتج حاليًا طلاءات تتراوح سماكتها من بضعة ميكرومترات إلى ملليمتر واحد. وينضم مديرها العام الدكتور كريستوف شتيخر (Dr. Christoph Stecher) إلى المشروع من منظور بنية الطلاء والتطبيقات الصناعية والإنتاج التسلسلي اللاحق. وتقوم شركة Polymer Service GmbH Merseburg (PSM) بقيادة البروفيسورة الدكتورة كاترين راينكه (Prof. Dr. Katrin Reincke) بفحص وتقييم الطلاءات، مع التركيز على درجة تبلور PEEK وبنيتها المجهرية وحالتها الحرارية وخصائصها الميكانيكية والحرارية الميكانيكية، بهدف تنسيق عملية الليزر مع بنية الطلاء متعدد الطبقات، وضمان التصاق موحد للطلاء وقدرته على تحمل الأحمال أثناء تشغيل المحمل المنزلق.
يستهدف مشروع LEMBAS البكرات والدواليب المطاطية المستخدمة في إنتاج الأغشية الرقيقة وصناعة التعبئة والتغليف وإنتاج الورق والتقنيات الطبية. فالجسيمات على سطح البكرات يمكن أن تسبب مشاكل في العمليات عالية السرعة، وتستخدم الصناعة عادة طلاءات السيليكون لتوفير خصائص مانعة للالتصاق، لكن متانتها لا تلبي متطلبات العمليات الحديثة عالية السرعة. ويشير آدم الصاروط (Adam El-Sarout) من مجموعة عمليات الأغشية الرقيقة في معهد فراونهوفر ILT إلى أن طلاءات السيليكون توفر خصائص مانعة للالتصاق المطلوبة، لكنها لا تحقق دائمًا المتانة التي تتطلبها العمليات الحديثة عالية السرعة. ويتعاون الفريق مع خبير الطلاءات Rhenotherm لتطوير عمليات ليزر تستخدم بوليمرات عالية الأداء مثل PEEK والبولي أميد أو البولي بروبيلين، وهي مواد أكثر مقاومة للتآكل والمواد الكيميائية من السيليكون وخالية من PFAS. وتكمن الصعوبة التقنية في نافذة درجة الحرارة: إذ يتطلب صهر البوليمرات عالية الأداء درجات حرارة مرتفعة، بينما تتمتع المطاطات مثل EPDM بتحمل حراري محدود، فإذا تم تسخين البكرة المطاطية بالكامل، ستتلف الركيزة. ويعمل الليزر على توليد درجات حرارة مرتفعة موضعيًا وبشكل قصير الأمد في مادة الطلاء فقط، مما يجعل الطبقة الوظيفية تنصهر مع حماية المكوّن المطاطي الموجود أسفلها. كما طوّر الفريق طبقة وسيطة لحماية المطاط وتعزيز ربط الطلاء، وقام بضبط الخصائص البصرية والريولوجية للمواد لتتوافق مع عملية الليزر.
يُنفَّذ مشروع pureWaterSeal بالتعاون بين معهد فراونهوفر لتكنولوجيا الليزر (ILT) ومعهد فراونهوفر لميكانيكا المواد (IWM)، ويهدف إلى تطوير أختام مستدامة خالية من PFAS وقادرة على العمل مع سوائل التشحيم المائية. طوّر خبراء IWM طلاءً من الكربون الشبيه بالألماس (Diamond-like carbon، DLC) مصممًا خصيصًا للمكونات البلاستيكية الخالية من PFAS، ثم يقوم فريق ILT بهيكلة الطلاء باستخدام الليزر، مما يزيل موضعيًا الإجهادات الداخلية والأحمال الميكانيكية مع الحفاظ على استقرار الطلاء بشكل عام. ويمكن للجمع بين الهيكلة الليزرية والطلاء أن يقلل الاحتكاك ويحسن مقاومة التآكل ويطيل عمر خدمة الأختام. ووفقًا لماتياس لارمان (Matthias Laermann)، رئيس فريق هيكلة الأسطح في المعهد، تستهلك ألمانيا حوالي مليون طن من مواد التشحيم الزيتية سنويًا، ويمكن للتر واحد فقط منها أن يلوث ما يصل إلى مليون لتر من المياه الجوفية. وقد تم بالفعل تشغيل النماذج الأولية في مضخات محطات الطاقة الحرارية الأرضية، ويعمل فريق البحث مع شركاء صناعيين على تكييف الأختام لتطبيقات سيارات الركاب والمراوح البحرية وتوربينات الرياح وآلات الحصاد، مع التحضير في الوقت نفسه للنقل إلى معدات أكبر والإنتاج الصناعي التسلسلي.
الخلاصة المشتركة للمشاريع المذكورة هي أن التخلص من PFAS لا يمكن أن يتم عبر استبدال المواد فحسب، بل يتطلب أيضًا عمليات تصنيع ومعالجة أسطح مساندة. ويُعد الليزر أداة رئيسية قادرة على إنجاز طلاء المواد أو صهرها أو هيكلة الطبقات الوظيفية موضعيًا، مع تجنب إضافة أعباء حرارية غير ضرورية على المكونات السفلية. ولا يتعين على الشركات انتظار بديل واحد شامل يغطي جميع تطبيقات PFAS، بل يعمل معهد فراونهوفر ILT مع شركاء صناعيين على تطوير أنظمة طبقات مخصصة لمختلف المكونات ومتطلبات التطبيق، بما في ذلك الأسطح منخفضة الاحتكاك للمحامل المنزلقة، والطلاءات المقاومة للتآكل والالتصاق للبكرات، وأنظمة الأختام الخالية من PFAS في بيئات سوائل التشحيم المائية.
