14.08.2026 PFAS-freie Beschichtungen

In den Projekten RePEEK, EPOS, LEMBAS und pureWaterSeal entwickelt das Institut  laserbasierte Verfahren für PFAS-freie Hochleistungsbeschichtungen. Je nach Anwendung trägt der Laser Schichten auf, schmilzt Werkstoffe lokal auf oder strukturiert Oberflächen gezielt. Dabei bringt er die Energie präzise, räumlich begrenzt und nur für kurze Zeit in das Bauteil ein. So lassen sich PFAS-freie Ersatzwerkstoffe verarbeiten, die klassische Ofenprozesse nur mit hohem Energieaufwand aufbringen oder bei denen die notwendige Wärme das darunterliegende Bauteil schädigen kann.

Der Wunsch nach PFAS-freien Alternativen klingt zunächst einfach: Ein kritischer Stoff soll verschwinden, ein anderer soll seine Aufgabe übernehmen. In der Praxis ist dieser Austausch jedoch deutlich komplexer. PFAS-haltige Materialien sitzen oft genau dort, wo Bauteile am stärksten belastet werden. Ersatzstoffe müssen auf Metall, Kunststoff oder Gummi haften, hohe Temperaturen aushalten, dürfen sich bei Belastung nicht lösen und müssen auch bei großen Bauteilen wirtschaftlich aufgebracht werden können. Ein Material wie PEEK ist chemisch und mechanisch sehr interessant, erreicht aber nicht automatisch alle Eigenschaften von beispielsweise PTFE. PEEK ist steifer, teurer und je nach Anwendung schwieriger zu verarbeiten. Für viele industrielle Bauteile reicht es daher nicht, ein anderes Pulver, eine andere Folie oder einen anderen Kunststoff auszuwählen.

Entscheidend ist das Verfahren. Wie kommt das Ersatzmaterial auf die Oberfläche? Wie verbindet es sich mit dem Bauteil? Wie lässt sich verhindern, dass ein temperaturempfindlicher Werkstoff darunter beschädigt wird? Deshalb betrachtet man am Institut PFAS-Alternativen nicht als reine Materialfrage.Die Forschung konzentriert sich auf laserbasierte Verfahren, mit denen sich innovative Schichtsysteme gezielt aufbauen lassen. Laserprozesse setzen genau dort an, wo ein Ersatzmaterial die geforderten Eigenschaften nicht vollständig erreicht. Sie strukturieren Oberflächen, verbessern die Verbindung zum Bauteil oder verändern Schichten lokal, ohne das gesamte Bauteil stark zu erwärmen.

Im Projekt RePEEK untersucht man, wie sich PEEK-basierte Beschichtungen auf metallische Bauteile aufbringen lassen, die in bewegten und stark belasteten Systemen arbeiten. Im Fokus stehen Anwendungen aus dem Maschinenbau: große Gleitlager, Dichtungen, Kolben und Magnetventile. Besonders anschaulich wird die Aufgabe bei großen Gleitlagern, wie sie in Windkraftanlagen vorkommen: Eine Welle läuft in einer beschichteten Lagerschale, bislang meist mit PTFE-haltigen Schichtsystemen.

PEEK wird heute bei großen Bauteilen oft als Folie aufgebracht oder als Pulver verarbeitet und anschließend thermisch gefügt. Bei kleinen Bauteilen kann das funktionieren. Bei tonnenschweren Metallkomponenten wird es dagegen aufwändig: Das gesamte Bauteil muss in einem Ofen auf hohe Temperatur gebracht und danach wieder langsam abgekühlt werden. Der Energieaufwand ist hoch, der Prozess dauert lange, und erhitzt wird am Ende viel mehr Material, als für die eigentliche Beschichtung nötig wäre.

Die Forschenden erzeugen zunächst mit einem laserbasierten Auftragsverfahren eine metallische Schicht. Diese Oberfläche ist gezielt rau und gibt dem Kunststoff Halt. Anschließend bringen sie PEEK-Pulver im selben Prozessumfeld auf und schmelzen es lokal auf. Der Kunststoff verankert sich in der rauen Metalloberfläche; so entsteht ein Verbund aus metallischer Funktionsschicht und PEEK-basierter Deckschicht.

Für das PEEK-Pulver wurde eine spezielle Düsentechnik entwickelt und das Verfahren bereits zum Patent angemeldet. Eine Zyklondüse bremst den Gasstrom stark ab, sodass das Pulver mit geringer Geschwindigkeit auftrifft, statt abzuprallen. Dadurch nutzt der Prozess mehr Material, lässt sich besser steuern und arbeitet effizienter.

An RePEEK schließen bereits weitere Arbeiten an. Im Projekt EPOS untersucht man, wie sich PEEK-basierte Schichten auf großformatigen Gleitlagerkomponenten prozesssicher und in mehreren Lagen aufbauen lassen. Der schrittweise Auftrag soll größere Schichtdicken ermöglichen, ohne tonnenschwere Bauteile vollständig in einem Ofen zu erwärmen. ACS Coating Systems bringt dafür seine langjährige Erfahrung mit PEEK-Beschichtungen ein, insbesondere auch für ebensolche Gleitbeschichtungen. Das Unternehmen entwickelt solche Schichtsysteme seit Mitte der 1990er-Jahre und fertigt heute Beschichtungen mit Dicken von wenigen µm bis zu 1 mm. Im Fokus stehen unter anderem die Kristallinität, die Gefügestruktur und der thermische Zustand des PEEK sowie die mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften. Diese Daten sollen dabei helfen, den Laserprozess und den mehrlagigen Schichtaufbau so aufeinander abzustimmen, dass die Beschichtung gleichmäßig haftet und den Belastungen im Gleitlager dauerhaft standhält.

Das Projekt LEMBAS setzt bei elastomeren Walzen und Rollen an, wie sie in der Folienherstellung, Verpackungsindustrie, Papierproduktion und Medizintechnik laufen. Partikel aus der Walzenoberfläche können dort schnell zum Problem werden.Bisher nutzen Unternehmen für solche Anwendungen häufig Silikonbeschichtungen. Sie bieten zwar die nötigen Anti-Haft-Eigenschaften, erreichen aber nicht immer die Beständigkeit, die moderne Hochgeschwindigkeitsprozesse verlangen. Bei LEMBAS entwickelt das Team gemeinsam mit dem Beschichtungsspezialisten Rhenotherm laserbasierte Verfahren, bei denen Hochleistungspolymere wie PEEK, Polyamid oder Polypropylen zum Einsatz kommen. Diese Materialien sind abriebfester, chemisch beständiger und langlebiger als Silikon und kommen vollständig ohne PFAS aus.

Die technische Hürde liegt im Temperaturfenster. Hochleistungspolymere brauchen beim Aufschmelzen hohe Temperaturen. Elastomere wie EPDM vertragen diese Wärme aber nur begrenzt. Würde man eine Gummiwalze vollständig in einem Ofen erhitzen, würde das Substrat Schaden nehmen. Der Laser löst genau dieses Problem: Er erzeugt die hohe Temperatur nur lokal und nur für kurze Zeit im Beschichtungsmaterial. So schmilzt die Funktionsschicht auf, während das elastomere Bauteil darunter thermisch geschont bleibt.

Damit die Schicht dauerhaft hält, entwickeln die Forschenden neben dem Anti-Haft-Material auch eine Zwischenschicht, die das Elastomer schützt und die Verbindung zur Deckschicht stärkt. Außerdem passen sie die optischen und rheologischen Eigenschaften der Materialien an den Laserprozess an und untersuchen geeignete Verfahren für Auftrag und Laservorbehandlung.

Ein Ersatzstoff muss nicht nur die gewünschte Funktion erfüllen, sondern auch zum Bauteil, zur Temperaturgrenze des Substrats und zum Produktionsprozess passen. Gelingt dieser Schritt, verbindet das Verfahren mehrere Vorteile: weniger Abrieb, weniger Produktverunreinigungen, weniger Reinigungs- und Lösungsmittel sowie weniger Energieaufwand als bei klassischen Ofenprozessen.

Im Projekt pureWaterSeal entwickeln Forschende der Fraunhofer-Institute für Lasertechnik ILT und für Werkstoffmechanik IWM nachhaltige Dichtungen, die ohne PFAS auskommen und sich mit wasserbasierten Schmiermitteln betreiben lassen. Damit setzt das Team zugleich bei zwei Umweltproblemen an: PFAS reichern sich dauerhaft in der Umwelt an, während ölhaltige Schmierstoffe Böden und Gewässer belasten.

Expert:innen des Fraunhofer IMW entwickelten hierfür diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtungen (Diamond-like carbon, DLC), die für PFAS-freie Kunststoffkomponenten ausgelegt sind. Das Fraunhofer ILT Team strukturierte die Beschichtung anschließend mit dem Laser und baute dadurch innere Spannungen und mechanische Belastungen lokal ab, ohne die Stabilität der gesamten Schicht zu beeinträchtigen. Gleichzeitig senkt die Kombination aus Beschichtung und Laserstrukturierung die Reibung, erhöht die Verschleißfestigkeit und verlängert die Lebensdauer der Dichtungen.

Erste Prototypen arbeiten bereits in Pumpen von Geothermiekraftwerken. Gemeinsam mit Industriepartnern passen die Forschenden die Dichtungen nun an weitere Einsatzfelder an, darunter Anwendungen in Pkw, Schiffsschrauben, Windrädern und Erntemaschinen. Parallel bereitet das Team die Übertragung auf größere Anlagen und industrielle Stückzahlen vor.

Die unterschiedlichen Projekte zeigen, dass der PFAS-Ausstieg kein reiner Materialwechsel ist, sondern auch passende Fertigungs- und Oberflächenprozesse erfordert. Der Laser spielt dabei eine Schlüsselrolle: Er trägt Materialien lokal auf, schmilzt sie gezielt auf oder strukturiert Funktionsschichten, ohne das darunterliegende Bauteil unnötig zu belasten. Für Unternehmen entsteht dadurch ein neuer Spielraum. Sie müssen nicht auf eine einzige Ersatzlösung warten, die alle PFAS-Anwendungen abdeckt. Das Fraunhofer ILT entwickelt gemeinsam mit Industriepartnern angepasste Schichtsysteme für unterschiedliche Bauteile und Anforderungen: reibungsarme Oberflächen für Gleitlager, abriebfeste Anti-Haft-Schichten für Walzen sowie PFAS-freie Dichtungssysteme für wasserbasierte Schmiermittel.