Zurück zur Stories Übersicht

Prof. Dr. Sanjay Sampath: Der Präzisionspionier

»Jeder sollte lehren, denn dadurch lernt er sein Fachgebiet besser kennen.«

print

Prof. Dr. Sanjay Sampath widmete seine Karriere dem thermischen Spritzen, einem ebenso komplizierten wie faszinierenden Beschichtungsverfahren. Die wissenschaftlich fundierte Weiterentwicklung dieser Technologie hat er maßgeblich mitgeprägt. Wir haben mit ihm über seine Forschung und Lehrtätigkeit gesprochen. 

von Randy B. Hecht 

Prof. Dr. Sanjay Sampath ist Direktor des ›Center for Thermal Spray Research‹ an der Stony Brook Universität in New York. Er studierte Metallurgie in seinem Heimatland Indien, ehe ein Stipendium als Doktorand in den USA seiner Laufbahn eine ganz andere Richtung verlieh.

Die Metallurgie, so erzählt Sampath, beschäftigt sich normalerweise mit »großen« Vorgängen wie Gießen und Schmieden. An der Stony Brook jedoch »nahmen sie Metalle und sogar Keramik und machten daraus im Grunde genommen Regentropfen, und ließen sie auf Oberflächen treffen.« Das Verfahren nennt sich thermisches Spritzen, bei dem unter extremen Bedingungen für den Werkstoff gearbeitet wird. Sampath: »Das faszinierte mich.«

Für ihn gab es kein Zurück. Vor allem die Wissenschaft und die Lehrtätigkeit sind seither Sampaths große Leidenschaft. »Ich merke mehr und mehr, dass man sein eigenes Denken beeinflussen sollte«, sagt er, »jeder sollte lehren, denn dadurch lernt er sein Fachgebiet besser kennen.« Der Professor verwendet dabei »so ziemlich alle« Geräte von Oerlikon Metco, einschließlich Plasma-Spray- und Geräte für das Hochgeschwindigkeits- Flammspritzen. Über ein Dutzend seiner früheren Studierenden haben zudem bei Oerlikon Metco in Westbury, New York, gearbeitet.

Prof. Dr. Sampath, wie entwickelt sich die Technologie des thermischen Spritzens weiter? Thermisches Spritzen wurde anfangs hauptsächlich in der Praxis von Facharbeitern angewendet, nicht unbedingt von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren. Wir haben jedoch daraus eine präzise wissenschaftliche und technologische Fertigkeit gemacht. Wir haben die Technologie gewissermaßen von einem Verfahren unter vielen in eine präzise, stark wissenschaftlich geprägte Technologie für den Engineering- Bereich umgewandelt. Das hat sich bezahlt gemacht.

Welche Vorteile für Mensch und Gesellschaft ergeben sich daraus?

Früher beherrschten das thermische Spritzen nur wenige gut. In der verarbeitenden Industrie muss die Technologie aber skalierbar, zuverlässig und gut reproduzierbar sein. Man braucht ein präzises Fertigungsverfahren. Und das kann man nur erreichen, wenn man die wissenschaftlichen Grund lagen und die Technologie hinter dem Verfahren versteht.

Das führt dazu, dass das thermische Spritzen eine weitaus größere Marktbasis hat und in vielfältigen Branchen zum Einsatz kommt. Beschichtungen wurden früher allgemein als nachträgliche Maßnahme zur Verbesserung der Funktionsweise betrachtet. Heute nutzen Konstrukteure den Vorteil von Beschichtungen von vornherein als eigentliches Potenzial. Das hat die Konjunktur der Branche deutlich gesteigert. Flugzeugturbinen und Energieerzeugung sind die Bereiche, in denen der Effekt am größten ist – mit einer zweistelligen Steigerung der Effizienz und einer signifikanten Reduzierung der CO2-Emissionen. Hier sieht man die konkreten, messbaren Vorteile am deutlichsten.

Eines ihrer Forschungsgebiete ist die Entstehung und das Aufbringen von mehrschichtigen Oberflächen. Können sie das näher beschreiben?

Betrachten wir zunächst das Wort mehrschichtig, das meiner Meinung nach von großer Bedeutung für die Zukunft ist. Als die Technologie noch nicht so stark war, beziehungsweise noch nicht so gut verstanden wurde, spritzte man einfach nur den gleichen Belag auf. Aber mit unserem Wissen über die Möglichkeiten der Technologie tragen wir die Beschichtungen heute nicht als Werkstoff aus einem Guss auf, sondern eher als so etwas wie eine konstruierte Verbindung. Kein einzelner Werkstoff kann alle Anforderungen erfüllen. Durch das Übereinanderschichten auf intelligente, strategische Weise kann man viele Dinge gleichzeitig erreichen und das nennen wir dann Multifunktionalität. Im Grunde genommen werden viele Werkstoffe – oder Werkstoffeigenschaften – in Schichten übereinander gelagert. Es ist fast so wie beim Aufbau von Halbleiterchips. Wir tun etwas Ähnliches, nur eben größer.

Ein weiteres ihrer Forschungsgebiete ist die Weiterentwicklung von Mikrostrukturen, die bezüglich der Ausgeglichenheit suboptimale Bedingungen haben. Was bedeutet das?

Ein wichtiger, aber nicht sehr erwünschter Aspekt des thermischen Spritzens ist die Tatsache, dass wir im Grunde genommen so eine Art Regentropfen aus Hochtemperaturwerkstoffen erzeugen. Das passiert in einem sehr hohen Temperaturbereich. Diese Teile treffen auf die Oberfläche und kühlen extrem schnell ab, in einigen Fällen minus eine Million Grad pro Sekunde. Wenn Meteoriten auf die Erde stürzen, entstehen Krater. Hier passiert etwas Ähnliches, allerdings im sehr kleinen Maßstab. Jedes einzelne dieser kleinen Tröpfchen ist so groß wie der Durchmesser eines Ihrer Haare. Wir nehmen diese Teile und sprühen sie bei extrem hohen Temperaturen und Geschwindigkeiten auf. Sie prallen mit hoher Energie auf und kühlen sehr schnell ab. Deshalb sagen wir, dass diese Werkstoffe unter extremen Bedingungen künstlich zusammengesetzt werden. Im Prinzip versuchen wir, neue Wege zu finden, diese nicht ausgeglichenen Prozesse zu integrieren. Die weltweite Fachcommunity musste das ganze Forschungsvorhaben mehr oder weniger neu aufstellen und sich eine ganz andere Denkweise aneignen. Eine, die nicht der traditionellen oder etablierten Denkweise im Engineering folgt.

Eine weitere ihrer Pionierarbeiten ist die Entwicklung von mesoskaligen ›Direct writing technologies‹ auf Basis des thermischen Spritzens. Können sie erklären, was sich dahinter verbirgt?

Ich vereinfache das mal. Thermisches Spritzen ist wie ein Farbpinsel. Es erzeugt breite, dahin sausende Farbschwaden. Für ein Projekt der US-Regierung wurde ich gebeten, anstelle eines Farbpinsels einen thermischen Spritzstift zu konstruieren. Das ist unter mesoskaliges Direct Writing oder auch direktes Schreiben im mittelgroßen Maßstab zu verstehen. Wir haben einen thermischen Spritzpinsel genommen und daraus einen thermischen Spritzstift gemacht.

Dies ist allerdings kein leichtes Unterfangen. Es hat über 10 Millionen US-Dollar und viel Arbeit gekostet, weil man nicht einfach thermisches Spritzen miniaturisieren kann. Für die praktische Umsetzung benötigt man nicht nur eine Unmenge an Fachwissen, sondern auch die geeignete Hardware. Und weil wir jetzt nicht nur lackieren, beziehungsweise beschichten, sondern auch schreiben können, lassen sich damit ganz interessante Sachen machen. Ich kann zum Beispiel einen Schaltkreis auf eine Beschichtung schreiben. Das erlaubt es mir, die Betriebstemperatur des Bauteils zu erfassen. Wenn ich Antennen auf eine Struktur drucke, kann ich elektromagnetische Signale aufzeichnen.

Diese Art der Kombination von Schichten und Drucken ermöglicht es uns, direkt zu schreiben. Stellen Sie sich vor, ich könnte Werkstoffe genau nach meinen Vorstellungen in 3D gestalten. Ich bräuchte dazu nicht nur einen Stift zum Schreiben, sondern auch Roboter und Werkzeugmaschinen, die es mir erlaubten, einen echten Schaltkreis auf ein 3D-Teil zu drucken. Wir jedoch können eine Antenne auf ein vorhandenes Teil schreiben – zum Beispiel auf einen Helm oder sogar auf ein Flugzeugbauteil. Das haben wir tatsächlich schon gemacht.

Im Prinzip gibt es zwei wichtige Innovationen. Zum einen haben wir ein hochauflösendes thermisches Spritz- Druck-Verfahren kreiert, das revolutionär ist und dessen Technologie heute bereits kommerziell genutzt wird. Zum anderen können wir das thermische Spritzen nun zum Schreiben und Beschichten einsetzen. Wir können elektronische Bauteile herstellen, die im Grunde aus Zeilen und Schichten bestehen. Dazu braucht man aber enormes Fachwissen. Man muss nicht nur wissen, wie man diese Dinge miniaturisiert, sondern auch, wie man die richtigen Werkstoffeigenschaften erhält. Kenntnisse über thermisches Spritzen auf höchstem Niveau, wenn man so will. Und wenn man alles dermaßen klein macht, stellt sich die Frage: Funktionieren die Werkstoffe dann noch richtig? Das war die zweite große Herausforderung. Diese beiden Punkte mussten zusammengebracht werden, damit die Technologie erfolgreich war. Das war nur möglich durch unsere Grundlagenforschung.

Wie weit kann man diese Präzision noch vorantreiben?

Man hält diese Technologie für bahnbrechend. Problematisch daran ist, dass Sie nun über ein Potenzial verfügen, für das eine Anwendung gefunden werden muss. Das ist nicht so einfach. Wir haben die Innovationen sehr stark vorangetrieben, vielleicht sogar bis an die Grenze dessen, was heutzutage technisch machbar ist. Die wirkliche Leistung in der Zukunft liegt darin, den Nutzen dieser bahnbrechenden Innovationen auf viele Anwendungen zu übertragen. Und das geht wesentlich langsamer als wir dachten. Ich glaube, dass man das großartige Potenzial und die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten dieser intelligenten Maschinen in den nächsten zehn Jahren mehr und mehr wahrnehmen wird.

Welche Bereiche innerhalb der Industrie beobachten Sie, wenn es um das thermische Spritzen geht und welchen Einfluss haben diese auf Ihre Forschung?

Damit sich neue Ideen entwickeln können, meide ich den Mainstream. Wenn man sich nur mit seinem eigenen Umfeld unterhält, macht man keine Fortschritte. Ich arbeite zwar mit meinen Fachkollegen zusammen, aber ich verlasse meine Komfortzone so oft es geht. Man kann sich leicht einreden, alles zu wissen, bis man jemanden trifft, der einem etwas ganz Neues erzählt. Seine eigenen Ansichten ständig in Frage zu stellen, ist meiner Meinung nach sehr wichtig.

Wo sehen Sie die besten Möglichkeiten für eine Zusammenarbeit von Wissenschaft und Industrie zur Weiterentwicklung der Technologie und ihrer praktischen Anwendung?

Um Forschung und Praxis zusammenzubringen habe ich vor 15 Jahren das Consortium for Thermal Spray Technology gegründet. Es umfasst 30 Firmen, darunter so bekannte Unternehmen wie General Electric, Rolls-Royce, Siemens oder Caterpillar. Oerlikon ist Gründungsmitglied und großer Unterstützer des Konsortiums. Oerlikon liefert auch Thermal-Spray-Anlagen und -Werkstoffe an unsere Mitglieder. Es ist ein einzigartiges Geschäftsmodell, denn wir haben Kunden und Mitbewerber gleichermaßen am Tisch. 15 Jahre lang haben wir uns alle sechs Monate getroffen, das heißt Generationen von Studenten haben dieses Konzept des Konsortiums miterlebt.

Es war ein erfolgreicher und lohnender Weg. Wir konnten die Firmen nämlich davon überzeugen, dass unsere Grundlagenforschung ihren Produkten und Fertigungsverfahren – also im Prinzip ihrem Geschäftsergebnis – mehr Wert geben kann. Man muss Firmen etwas von Wert geben, etwas, das sie tatsächlich verwenden können, und ihnen gleichzeitig klar machen, dass Grundlagenforschung wichtig ist für sie. Um das zu erreichen, um ein guter Partner zu werden, muss man die Bedürfnisse der Firmen verstehen. Letztlich müssen wir den Kuchen größer machen, damit jeder ein größeres Stück davon bekommt.

Prof. Dr. Sanjay Sampath und sein Team an der Stony Brook Universität in New York

Keine Kommentare bisher

Schreiben Sie den ersten Kommentar!

Einen Kommentar schreiben
Zugehörige Stories