Zum Hauptinhalt springen
Reichstagskuppel Berlin

ZVO-Jahreskongress 2019 in Berlin: Neuer Teilnehmerrekord!

Das Fazit zu den diesjährigen ZVO-Oberflächentagen vom 11. bis 13. September in Berlin fällt mehr als positiv aus: 684 Teilnehmer, so viele wie nie, hatten sich zu dem Branchenevent im Estrel Congress Center mit über 90 Vorträgen und einer begleitenden Industrieausstellung mit insgesamt 78 Ausstellern eingefunden. 

Die Teilnehmer des Eröffnungsabends erlebten einen politischen Auftakt: An die Begrüßungsworte von ZVO-Vorstandsvorsitzendem Walter Zeschky schloss sich der Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier an. Seine Botschaft: „Unternehmerische Freiräume sichern durch Wertschätzung, Stärkung und Entlastung“.

Altmaier betonte in seiner Ansprache ausdrücklich die Wichtigkeit des Mittelstands: „Deutschland ist wie kaum eine andere Volkswirtschaft von einem starken und wertorientierten Mittelstand geprägt“, so der CDU-Politiker. Er griff viele der Themen auf, die die Branche derzeit bewegen – Strukturwandel in der Automobilindustrie, Energiepreise, Bürokratismus, Fachkräftemangel, Abschaffung des Solidaritätszuschlags – und versprach, die Probleme des Mittelstandes anzugehen. Er rief aber ebenso dazu auf, sich selbst Gehör zu verschaffen und sich öffentlich einzusetzen. Nach seiner langen Ansprache nahm er sich überdies Zeit, Fragen aus dem Auditorium zu beantworten. Der Besuch des Bundesministers für Wirtschaft und Energie ist ein Beleg dafür, dass die Branche in der politischen Wahrnehmung zunehmend den Stellenwert erhält, der ihr zukommt.

Wolfgang Bosbach würdigt politische und gesellschaftliche Stabilität

Auf die Vergabe des DGO-Nachwuchspreises und des Heinz-Leuze-Preises folgte eine Keynote des ehemaligen Bundestagsabgeordneten Wolfgang Bosbach unter dem Titel „Halbzeit in Deutschland – die Welt im Wandel: Erinnerungen und Erfahrungen“. Der charismatische CDU-Politiker bewies in seinem pointierten Vortrag, dass Politik nicht trocken, sondern durchaus humorvoll sein kann, „auch wenn Fröhlichkeit nicht unbedingt die Kernkompetenz der Deutschen ist.“ Und das, obwohl wir im besten Deutschland leben, dass wir in 1.000 Jahre hatten, mit einem hohen Maß an politischer und gesellschaftlicher Stabilität. „Wir wissen es nur oft nicht zu schätzen“, resümiert Bosbach.

Eine Unterhaltungsshow mit den weltbesten Doppelgängern internationaler Musikstars rundete den Eröffnungsabend ab.

Einen Eindruck von den diesjährigen ZVO-Oberflächentagen in Berlin vermittelt die Bildergalerie.

Beginnend mit dem Nachbericht der Vortragssession „Ergebnisse aus der Forschung – Junge Kollegen berichten”, stellen wir Ihnen sukzessive die Nachberichte aus den diesjährigen Vortragsblöcken vor.

Ergebnisse aus der Forschung – Junge Kollegen berichten

Die gut besuchte Vortragssession „Ergebnisse aus der Forschung – Junge Kollegen berichten“ bot eine überzeugende Leistungsschau laufender Forschungsarbeiten an Universitäten und Hochschulen – häufig in Verbindung mit Fachfirmen. Ein wesentliches Thema betraf die Entwicklung neuer Elektrolytsysteme.

Autor: Wolfgang Paatsch

Die Definition neuer Elektrolyte insbesondere für die Legierungsabscheidung ist im weitgehend üblichen Trial-and-Error-Verfahren ein sehr zeitaufwendiger Prozess. Im Vortrag von Markus Müller (TU Chemnitz) wurden thermodynamische und kinetische Betrachtungen und Messungen vorgestellt, die für die komplexierten Systeme eine numerische Auslegung und damit ein Arbeitsfenster definieren. Mit Hilfe eines derartigen numerischen Elektrolytdesigns, Design of Experiments (DoE) und vollautomatischer robotergestützter Experimentführung, können Entwicklungszeiten drastisch reduziert werden. Die Auslegung der Elektrolyte wird speziell dem Anwendungsfall angepasst. So ist es möglich, eine sehr gute Streufähigkeit bei gleichzeitig hoher Stromausbeute reproduzierbar einzustellen.

Die Nutzung ionischer Flüssigkeiten erlaubt wegen des vergrößerten elektrochemischen Fensters von 5 bis 6 Volt die Abscheidung von Metallen und Legierungen, die wie etwa für Al, Ta oder Ti aus wässrigen Lösungen nicht möglich ist. In zwei Beiträgen wurde der Einfluss von Additiven sowie die Verwendung spezieller Pulsparameter auf die elektrochemische Abscheidung von Niob (Andrea Endrikat, TU Ilmenau) und von Tantal (Thomas Engemann, TU Ilmenau) aus Metallhalogeniden diskutiert. Dabei ist das Ziel, geeignete Abscheide- und Nachbehandlungsbedingungen zu finden und so die resultierenden Schichten zu optimieren. Deutliche Schwierigkeiten ergeben sich aus verschiedenen Zwischenstufen bei der Reduktion der Metalle, bei der Schichthaftung und in den Eigenspannungen der Überzüge. Die Abscheidung stellt derzeit noch eine Grundlagenforschung dar und erscheint deutlich entfernt vom schon existierenden technischen Standard beispielsweise der Abscheidung von Aluminium und dessen Legierungen aus ionischen Flüssigkeiten.  

Aufgrund der gesundheits- und umweltgefährdenden Wirkung von Chrom(VI)-Salzen steht die Entwicklung von Chrom(III)-basierten Elektrolyten im Fokus der galvanotechnischen Forschung. Empirische Studien belegen, dass Carbonsäuren die Abscheidung von Chrom aus dreiwertigen Chromelektrolyten verbessern können. Zentrale Bedeutung kommt dabei der Komplexbildung der Chrom(III)-Ionen mit den Carbonsäuren zu. Der zugrundeliegende Mechanismus ist allerdings noch nicht verstanden. Viele Chrom(III)-Verbindungen sind in wässrigen Medien kinetisch sehr inert und reagieren verhältnismäßig langsam mit Komplexbildnern wie etwa Carbonsäuren. Hierzu von Lisa Büker (Kiesow Dr. Brinkmann) vorgetragene kinetische Untersuchungen sollen zu einer zielgerichteten Optimierung der Zusammensetzung von Cr(III) Elektrolyten zur Hartchromabscheidung führen. 

Die plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) besitzt ein großes Anwendungspotenzial als Korrosionsschutz von Mg-Legierungen. Insbesondere unter Verwendung fluoridfreier, ökologisch unbedenklicher Elektrolyte stellt die Herstellung dichter Schutzschichten jedoch noch immer eine große Herausforderung dar. Der Beitrag von Claudia Albero Rojas (TU Chemnitz) diskutierte die Möglichkeit der Prozessüberwachung anhand messbarer elektrischer Prozessparameter, um einen direkten Rückschluss auf Schichtmikrostruktur und Schichteigenschaften zu ermöglichen.
Als ein vielversprechendes Kriterium wurde die bei gepulster Stromführung auftretende „Schwellspannung“ identifiziert. Hierbei ist ein direkter Zusammenhang zwischen Schwellspannung und Schichtdicke sowie mit dem Korrosionsverhalten erkennbar. Die Schwellspannung eignet sich folglich als integrales Bewertungskriterium der Schichtqualität für die Prozess-Diagnostik von PEO-Prozessen und die Online-Überwachung des Prozesses. 

Anwendungsfelder für die Druckmesstechnik sind allgegenwärtig und durch eine große Bandbreite an Anforderungen gekennzeichnet – sowohl was die zu messenden Drücke und Medien als auch die Umgebungsbedingungen der Messung betrifft. Um mit einem Messprinzip in möglichst vielen Anwendungsfeldern erfolgreich zu sein, ist die Skalierbarkeit eines Sensors eine Grundvoraussetzung. Im von Kayla Johnson (FEM) vorgetragenen Projekt wurde über die Herstellung von CuSn-Sensormembranen mittels Galvanoformung auf 3D-gedruckten Kunststoffsubstraten berichtet.
Die Vorteile gegenüber dem bisherigen Stand der Technik sind neben der freieren Materialwahl die Herstellungsmethode: Galvanoformung statt Tiefziehen und Stanzen, wo Anisotropieeffekte in Formabweichungen resultieren können. Mit Hilfe einer Simulation des Prozesses konnten die Abscheideparameter und Blendengeometrie so optimiert werden, dass gewünschte Membrangeometrien generiert werden konnten. 

Mit Hilfe von elektrochemischen Verfahren ist es möglich, Metallschichten aufzubringen (Plating) oder abzutragen (Electrochemical Machining ECM). Häufig ist eine solche Bearbeitung nicht nur flächig, sondern lokal gewünscht, wozu zusätzliche Prozessschritte nötig sind. Statt wie bisher üblich organische Masken zu verwenden, kann durch eine geschickte Kombination aus Druckverfahren wie Siebdruck und Dispensen mit der elektrochemischen Bearbeitung ECM zu einem Einzelprozess gänzlich auf organische Masken verzichtet werden.
Im Vortrag von Mathias Kamp (Fraunhofer ISE) wurden Beispiele zur Herstellung von Leiterbahnen für Solarzellen oder weitere Anwendungen wie RFID-, NFC-Antennen erläutert.

Fortsetzung

Autor: Herbert Käszmann

Cyberphysische Systeme in der Galvanotechnik

Die moderne industrielle Produktion strebt in zunehmendem Maße eine Optimierung der gesamten Fertigungsprozesse auch über mehrere Unternehmen hinweg an, um Energie und Ressourcen einzusparen oder die Flexibilität der Herstellprozesse zu erhöhen. Wie Prof. Dr. Christian Herrmann vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST einführend betonte, werden dazu die Fertigungsprozesse detailliert beschrieben, was sich nach bisheriger Erfahrung für die Galvanotechnik als schwierig herausgestellt hat. Alternativ wird zu diesem Zweck verstärkt auf eine Modellbildung, wie sie unter dem Begriff Industrie 4.0 bekannt ist, gesetzt, wodurch Zeit und Kosten eingespart werden können. Vorteil ist, dass die dafür eingesetzte Visualisierung der Prozessabläufe besser erfassbar ist, als die Auflistung der Kennwerte in Tabellenform.

Die Umsetzung der Technologie wurde im Rahmen eines Projekts zur Abschätzung der Belastung mit Chrom(VI)verbindungen, wie sie für REACH benötigt wird, vorgenommen. Dabei zeigte sich, dass die Planungssicherheit für die Produktion steigt. Mit den heute verfügbaren technischen Mitteln entsteht mit dem Ansatz des cyberphysischen Systems ein reales Abbild eines Produktionsprozesses als digitaler Zwilling. Dadurch werden Eingriffe in die reale Produktion möglich, wenn ungeplante Änderungen oder Störungen im Prozess auftreten. Im nächsten Schritt lassen sich daraus Vorhersagen beispielsweise in Bezug auf Energieverbräuche ermitteln oder Änderungen im Ablauf von Beschichtungsprozessen simulieren. Inzwischen befinden sich die ersten derartigen Systeme in der praktischen Erprobung bei Unternehmen.

Ein weiterer Ansatz richtet sich darauf, dass die digitalen Systeme nicht mehr aus vorhandenen Datensätzen erzeugt werden, sondern zu selbstlernenden Systemen werden und damit noch schneller auf mögliche Einflüsse reagieren können.

Impulsvorträge

Michael Schätzle, Atotech Deutschland, stellte ein neues Reinigungsverfahren vor, das mit einer niedrigen Temperatur, hoher Standzeit und sehr stabiler Reinigungsleistung betrieben werden kann. Das Verfahren, das sich seit 2017 im praktischen Einsatz bei 17 Unternehmen befindet, hat inzwischen eine Standzeit von etwa zwei Jahren erzielt. Das hochalkalische System ist für alle gebräuchlichen Werkstoffe einsetzbar und kann auf Ölabscheider verzichten. Das abgereinigte Öl wird unter Einsatz eines Additivs zersetzt und in gasförmiger Form entfernt.

Rainer Klein, Spiraltec GmbH, präsentierte ein System auf Basis der Dialyse, mit dem Säure aus wässrigen Systemen zurückgewonnen werden kann. Bisher findet das System vor allem im Bereich des Anodisierens Anwendung, wo es die Trennung von Schwefelsäure und gelöstem Aluminium bewirkt. Damit erhöht es die Effizienz der Verfahren und unterstützt die Bemühungen zur Vermeidung von Abfällen. Derzeit wird daran gearbeitet, die Dialyse auch für andere wässrige Lösungen einzusetzen.

Christian Kaiser, Coventya GmbH, stellte die Produkte der zur Coventya-Gruppe gehörenden Microgleit vor. Diese sind darauf ausgelegt, ein definiertes Reibverhalten zwischen Festkörpern zu gewährleisten. Die damit herstellbaren Trockengleitfilme kommen beispielsweise in Fahrzeugen zum Einsatz. Bei den zukünftigen elektrisch betriebenen Fahrzeugen garantieren sie die geforderten Eigenschaften bei Aluminiumverschraubungen.

Das Unternehmen von Heiko Schneider, eska Schneider Lagersysteme GmbH, stellt Paternosterlager her, die zunehmend Interesse in Galvanikbetrieben für die platzsparende Lagerung von Galvanogestellen finden. Die Systeme lassen sich beispielsweise an der Decke von Hallen anbringen, wodurch bauliche Änderungen entfallen können. Sie zeichnen sich unter anderem durch ihre kurzen Zugriffszeiten oder eine optimale Einbindung in ERP-Systeme aus.

Die Eilenburger Elektrolyse- und Umwelttechnik GmbH bietet Verfahren und Geräte für die Metallrückgewinnung und Wasseraufbereitung an, die Dr. Jens Krümberg vorstellte. Die dafür eingesetzten Diamantelektroden erlauben unter anderem die kostengünstige Herstellung von Peroxodisulfat.

Prof. Dr. Helmut Fobbe, Fachhochschule Südwestfalen, stellte den Studiengang Werkstoffe und Oberflächen vor. Dieser Fachbereich kommt der sehr großen Nachfrage aus der Industrie nach und unterstreicht den Bedarf der fachübergreifenden Kenntnisse auf dem Gebiet der Werkstoffkunde, Werkstofftechnik und Werkstoffverarbeitung in Kombination mit modernen Verfahren der Oberflächentechnik.

Im letzten Impulsvortrag zeigte Johannes Spahn, Gravitech GmbH, verschiedene Anwendungen angepasster Analyseeinrichtungen für die Galvanotechnik. Seiner Aussage zufolge ist der Grund für die hohe Akzeptanz und Effizienz der eingerichteten Systeme eine bestmögliche Anpassung an die jeweiligen örtlichen Gegebenheiten. Dafür werden neben der baulichen Substanz des Kunden die fachlichen Qualitäten der zuständigen Mitarbeiter auf die verfügbaren Analysengeräte abgestimmt und mit einer betriebsorientierten Schulung verbunden. 

Industrie 4.0

In modernen Produktionsbetrieben verhilft eine umfassende, automatisierte Erfassung von Maschinendaten bei der Optimierung der Produktion. In der Galvanotechnik ist nach den Erfahrungen von Dr. Maximillian Donath, SurTech, dagegen eine manuelle Erfassung von Kennwerten der Elektrolyte üblich. Dies ist zum Teil dem Mangel an geeigneten Sensoren geschuldet, aber auch dem teilweise komplexen Zusammenspiel der Bestandteile von Elektrolytsystemen, dem Einfluss der Werkstoffe der zu beschichtenden Teil oder der unzureichenden Kenntnis über die Wirkungsweise und Wechselwirkung der beteiligten Systemgrößen.

Dabei kann eine Erfassung und zeitabhängige Darstellung von Prozessgrößen dabei helfen, beim Auftreten von Fehlerbildern deren Ursache schnell zu erkennen und gegenzusteuern. Durch die Nutzung von IT-Lösungen für die Erfassung und Darstellung in Form einer virtuellen Badkarte kann beispielsweise Unterstützung durch technische Fachleute mittels Ferndiagnose erfolgen. Derartige Daten können zudem in Zukunft verstärkt für die Durchführung von Simulationen genutzt werden, die zu einem besseren Verständnis der Prozesse beitragen und die Prozessanpassung bei sich ändernden Rahmenbedingungen beschleunigen. Dazu wurde vom Unternehmen des Vortragenden ein Managementsystem entwickelt, das derzeit in der Praxis auf seine Tauglichkeit getestet wird. 

Ebenfalls mit dem Einsatz von IT-Systemen, jedoch aus dem Blickwinkel der Produktionsplanung mittels ERP befasst sich Michael Hellmuth, Softec AG. Dazu ist es notwendig, dass der Durchlauf der Produkte durch eine Fertigung zeitnah erfasst wird. In einem neuen Ansatz wird diese Art der Datenerfassung über Barcodes im Unternehmen durch die RFID-Technologie erweitert. Dazu werden Behälter für den Transport von Teilen durch eine mehr oder weniger umfangreiche Produktionskette mit Dokumententaschen, die mit RFID ausgestattet sind, versehen. Im Betrieb eingerichtete Antennen lesen diese RFIDs und liefern damit sehr genau die Position der jeweiligen Teile. Ein damit erstellte Bewegungsprofil hilft, den Kunden mit exakten Lieferterminen zu versorgen, aber auch die eigenen Kapazitäten im Unternehmen abzuschätzen und die Mitarbeiter zu entlasten.

Holger Klempnow, KleRo GmbH, befasst sich mit der Effizienzverbesserung von Beschichtungsprozessen in galvanischen Betrieben. Dazu wurden in Zusammenarbeit mit der TU Chemnitz drei Ansätze ausgearbeitet.

Im ersten Ansatz wird ein Roboter dazu verwendet, Probenbehälter durch ein Labor zu lenken, die erforderlichen Kenngrößen der Elektrolyte und Aktivlösungen zu ermitteln und diese mit der Galvanikanlage in Steuergrößen für die Zudosierungen, Stromdichten oder Arbeitstemperaturen zu verarbeiten.

Im zweiten Ansatz entstand ein Mess- und Analysensystem zur Online-Ermittlung der Stromdichte in den Abscheidepositionen. Dabei kommen beispielsweise Blenden, Hilfsanoden oder Anströmtechniken zur Anwendung, um die erforderlichen Schichtdickenverteilungen zu optimieren. Das System soll aufwändige Simulationen entbehrlich machen.

Der dritte Ansatz arbeitet mit Sensoren zur Steuerung der Ströme an Werkstücken oder Gestellen unter Einsatz mehrerer Anoden. Damit lassen sich Überbeschichtungen an Kanten vermeiden. 

Die Zusammensetzung der galvanischen Elektrolyten zählen zu den wichtigen Einflussgrößen der daraus hergestellten Schichten. Dafür werden gezogene Proben in festgelegten Abständen analysiert und die Elektrolyte und Wirklösungen auf die erforderlichen Sollwerte korrigiert. Die Arbeitsgruppe um Klaus Schmid, Fraunhofer IPA, hat dafür ein Prozessmodell entwickelt, bei dem Abschätzungen hinsichtlich der zu erwartenden Veränderungen in der Zusammensetzung der Elektrolyte getroffen werden. Hierzu werden die zu beschichtenden Teile in Kategorien zum Beispiel aufgrund der Oberflächengeometrie mit den dabei auftretenden lokalen Stromdichteschwankungen (die sich wiederum auf den Verbrauch an Elektrolytbestandteilen auswirken) eingeteilt. Unter Einsatz eines cyberphysischen Systems, entwickelt im Rahmen eines ZIM-Projekts vom Institut IWF, Stuttgart, und der TU Braunschweig, lassen sich in Abhängigkeit der anfallenden Fertigungsmengen an Teilen die tatsächlichen Verbräuche der Elektrolyte einschließlich der unvermeidlichen Verschleppungsverluste simulieren. 

Daniel Schlak, Deutsche Metrohm, stellte ein wartungsarmes und zuverlässiges pH-Messsystem zum Einsatz in hochkonzentrierten Elektrolyten vor. Zwar zählt die pH-Messung zu der am häufigsten angewandte Messung beim Einsatz von wässrigen Lösungen, allerdings kann die Messung durch zahlreiche Faktoren in ihrer Genauigkeit deutlich beeinträchtigt werden. Dazu zählen Temperaturschwankungen, Beschädigung der Elektrode, Drifteffekte bei den zum Einsatz kommenden Elektroden oder Bildung von Ausfällungen an der Elektrode.

Um daraus resultierende Fehlmessungen zu vermeiden, wird die Verlegung der eigentlichen Messung von den jeweiligen Aktivpositionen in einer Galvanikanlage in eine externe Messzelle empfohlen. Eine externe Messzelle kann so eingerichtet werden, dass die regelmäßige automatisierte Kalibrierung und kontinuierliche Reinigung des Systems eine sehr stabile, dauerhaft korrekte Messung gewährleistet. In der Regel lassen sich die hierbei gewonnenen Messwerte ohne großen Aufwand einer Protokollierung zuführen und einer Auswertung im Sinne der Industrie 4.0 Philosophie unterziehen. 

Neue Anforderungen an die Oberflächentechnik

Desiree Lemke, DuPont, befasste sich mit den Alternativen zu den derzeit in Anwendung befindlichen Verfahren zur Kunststoffmetallisierung. Diese werden sowohl im Hinblick auf die Aktivierung von Kunststoff unter Einsatz von Chromsäure als auch die galvanische Verchromung der aufgebrachten Metallschicht durch die Anforderungen aus REACH einem deutlichen Druck zur Entwicklung neuer Verfahren unterworfen.

Kernpunkte der Trocknungsanlagen sind die selbst entwickelte Technologie der sehr effektiven Luftentfeuchtung im Niedertemperaturbereich sowie die auf den jeweiligen Aufgabenbereich optimierte Luftführung. Das von Reinhold Specht, Harter GmbH, vorgestellte Trocknungsverfahren wird für jede Art der zu trocknenden Teile so angepasst, dass schnell und zielgerichtet die unterschiedlichen Trocknungsaufgaben erfüllt werden.

Zu den besonderen Kennzeichen der Technologie zählt die Trocknung im Bereich zwischen etwa 40 °C und 75 °C, die hohe Effizienz durch Luftentfeuchtung mittels Wärmepumpe, die Trocknung im geschlossenen System (ohne Austausch mit Umgebungsluft) unter Verwendung angepasster Deckelsysteme, das druckluftfreie Ablasen und die hohe Energieeffizienz. Die geschlossene Luftführung erlaubt es zudem, dass die Technologie in Reinräumen zum Einsatz kommt und dadurch auch hochempfindliche Produkte in bester Qualität trocknen kann. Für komplex geformte Teile werden beispielsweise Erweiterungen durch Luftpulsverfahren und für die nasschemische Oberflächenbehandlung in Trommeln oder Körben spezielle Anlagen zur gezielten Absaugung eingesetzt. 

Die Stromversorgung zählt zu den entscheidenden Komponenten einer Galvanikanlage. Dabei ist nach Erfahrung der Referenten Thomas Mark und Lukas Büscher, Munk GmbH, zunehmend festzustellen, dass die Beschichtungsunternehmen aus Kostengründen und aufgrund nicht ausreichender Kenntnis über den Aufbau einer zuverlässigen Stromversorgung auf minderwertige Geräte ausweichen. Dem Erwerb einer zuverlässigen, modernen Gleichrichtertechnik für galvanische Anwendungen sollte eine intensive Planung vorausgehen. Hierzu müssen vor allem eine optimale Auslegung der Komponenten mit Leistungsreserven, die Kühlung der Geräte, das bestehende Verschmutzungsrisiko, die zu wählenden Leitungen zwischen Gleichrichter und Abscheideposition sowie die Möglichkeiten zu Wartung und Austausch von Geräten in Betracht gezogen werden. Zudem ist es von Vorteil, ein besonderes Augenmerk auf die im Gleichrichter verbauten Einzelteile zu legen. Hierbei zeigt es sich in der Praxis, dass die Zahl der verbauten Leistungsmodule das Ausfallrisiko einer Stromversorgung erheblich beeinflusst – je höher die Zahl umso höher das Ausfallrisiko. 

Die Aluminiumlegierungen der 2000er Reihe werden in der Luft- und Raumfahrt in umfangreichem Maße eingesetzt, da sie hervorragende mechanischen Eigenschaften besitzen. Allerdings zeigt sie nach Roy Morgenstern, TU Chemnitz, eine schlechte Anodisierbarkeit. Dieser Effekt wird auf das in der Legierung vorhandene Kupfer und die daraus entstehenden Ausscheidungen zurückgeführt. In weiteren Arbeiten werden die gewonnenen Erkenntnisse aus der variierten Wärmebehandlung mit den positiven Auswirkungen auf das Anodisieren auf andere technische Aluminiumlegierungen übertragen. 

Nach Jörg Martin, Galvimax, ist es sinnvoll, beim Einsatz einer Vorbehandlung die verschiedenen Kenngrößen des Verfahrens näher zu betrachten. Dies sind bei einer typischen Vorbehandlung die eingesetzten Bestandteile und die Standzeiten, die zu verwendende Arbeitstemperatur der Lösung, die notwendige Behandlung des anfallenden Abwassers oder die entstehenden Schlammmengen. Damit verbunden sind die Länge der Behandlungszeiten, der anfallende Wartungsaufwand sowie der notwendige Analysenaufwand. Die Optimierung der genannten Kenngrößen verbessert die Wertschöpfung der Vorbehandlung und damit die Wertschöpfung des gesamten Bearbeitungsprozesses.

Die chemische Vernickelung von Aluminium gewinnt zunehmend an Interesse. Um Aluminium mit einer Nickelschicht versehen zu können, ist eine spezielle Vorbehandlung erforderlich, bei der das stets vorhandene Aluminiumoxid entfernt und mit einer ersten Metallschicht, in der Regel Zink, als Haftgrund versehen wird. Bei der nachfolgenden Vernickelung wird diese Zinkschicht durch Nickel ersetzt. Durch diesen Prozess reichert sich nach Aussage von Dr. Mathias Schnippering, Riag Oberflächentechnik AG, der eingesetzte Nickelelektrolyt mit gelöstem Zink und Aluminium an, was die Standzeit des Elektrolyten deutlich verringert.

Durchgeführte Untersuchungen zeigen, dass sich die Struktur der aufgebrachten Nickelschichten mit der Anreicherung an Störstoffen im Nickelelektrolyten deutlich ändert. Bei neuen Elektrolyten entstehen bei einer Art der Zinkatbeize (Vorbehandlung für die Beschichtung von Aluminium) pyramidenförmige Nickelkeime beziehungsweise Nickelkristalle. Mit zunehmender Nutzungsdauer (MTO-Zahl) des Elektrolyten weisen diese in zunehmendem Maße Störungen auf. Bei einer anderen Art der Zinkatbeize sind gut sichtbare Wachstumslinien in der Nickelschicht erkennbar, die mit steigendem Alter des Elektrolyten starke Störungen aufweisen bis hin zur Enthaftung der Nickelschicht. Der Vortragende ist aufgrund der Untersuchungen zum Schluss gekommen, dass die Wachstumsform und -geschwindigkeit der inselförmigen Nickelkristalle von der zu beschichtenden Legierung und dem Elektrolytalter (MTO) abhängig sind. 

Vor allem im Bereich der dekorativen Verchromung in Europa ist es absehbar, dass zukünftig Verfahren auf Basis von Chrom(III) die bisher verwendeten Verfahren weitgehend ersetzen werden. Thomas Linke, Willy Remscheid GmbH, hat diese Umstellung in seinem Betrieb in Angriff genommen. Die bisherigen Ergebnisse mit der neuen Beschichtung sind erfolgreich verlaufen, so dass in der weiteren Planung von etwa 50 Prozent Anteil für Beschichtung mit Chrom(III)-Elektrolyten bis 2021 und von einer vollständigen Umstellung bis 2025 auszugehen ist. 

Dr. Holger Sahrhage, Coventya GmbH, befasste sich mit den unterschiedlichen Arten der galvanischen Herstellung von schwarzen Oberflächen, die neben der Automobilindustrie in zunehmendem Maße auch in anderen Branchen Interesse finden. Zur Auswahl für die Herstellung stehen Verfahren mit Edelmetallen (Gold, Ruthenium), Schwarzchrom, schwarze Nickelverfahren, eingefärbte Anodisationsschichten, Nachbehandlungen für Zinkbeschichtungen, Lamellenbeschichtungen, KTL oder Brünierungen und Phosphatierungen. Die schwarzen Oberflächen der galvanischen Zink- und Zinklegierungsschichten gewährleisten einen sehr guten Korrosionsschutz, führen aber oftmals zur Bildung eines Grauschleiers im Einsatz. Der Gauschleier entsteht durch ein Eindringen der Passivierung in vorhandene Risse der Zinkschichten, wodurch die Auflösung der Zinkschicht beschleunigt werden kann. Deshalb ist es empfehlenswert, die schwarzen Schichten durch Topcoats zu ergänzen.

Deutlich bessere Ergebnisse im Hinblick auf die Beständigkeit werden durch die Verwendung einer Zink-Nickel-Eisen-Legierung erzielt. Weitere Möglichkeiten zur Verbesserung sind der Einsatz eine Nachtauchbehandlung mit einer Lösung auf Basis von Chrom(III) oder eines Topcoats, der bei 180 °C anstelle der sonst üblichen 80 °C eingebrannt wird. 

Das Metall Nickel steht auch bei galvanischen Schichten seit vielen Jahren in Bezug auf seine allergene Wirkung unter Beobachtung. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, sich mit einem möglichen Ersatz beispielsweise für die Zink-Nickel-Beschichtung zu befassen. Mike Krüger , Atotech Deutschland GmbH, stellte dazu das neue Schichtsystem Zink-Eisen mit einem hohen Eisenanteil zwischen 10 und 20 Prozent vor. Die galvanisch abgeschiedene Legierung bildet eine Gammaphase mit einem Eisenanteil zwischen 12  und 16 Prozent, die zu den sehr guten Korrosionseigenschaften der Legierung maßgeblich beiträgt.

Beim Aufbau des Elektrolytsystems sowie der möglichen Nachbehandlung wurde darauf Wert gelegt, keine im Sinne der Gesundheit und Umwelt belastenden Stoffe beziehungsweise Rohstoffe zu verwenden. Dies betrifft insbesondere die notwendigen Passivierungen, Haftvermittler und Versiegelungen beziehungsweise Topcoats. Herstellbar sind neben den silberfarbenen, auf dem Metallton basierenden Beschichtungen auch schwarze Oberflächen. In den durchgeführten Korrosionstests zeigten die neuen Zink-Eisen-Beschichtungen deutliche bessere Ergebnisse als Zinkschichten aus akalischen Elektrolyten und je nach Nachbehandlung gleiche oder bessere Ergebnisse als Zink-Nickel. 

Julius Gröne, SurTec GmbH, zeigte sich überzeugt, dass die Chromoberflächen aus Chrom(III)-Systemen in Bezug auf Farbe und Korrosionsbeständigkeit inzwischen durchaus den klassischen Oberflächen aus Chrom(VI)-Elektrolyten ebenbürtig sind. Allerdings ist es notwendig, sowohl für die Herstellung als auch den Einsatz Anpassungen an die Anforderungen vorzunehmen. Bei der Einrichtung der Anlagentechnik steht der Einsatz geeigneter Anoden im Vordergrund. Für das System der SurTec stehen besondere Anoden zur Verfügung, die eine hohe Standzeit und eine hohe Stromausbeute erlauben. 

Christoph Tschaar, Hansgrohe SE, befasste sich mit der Beschichtung von Kunststoffen durch PVD-Verfahren für Sanitärarmaturen. Für derartige Oberflächen wird in der Regel auf den Kunststoff ein Schichtensystem aus Kupfer, Nickel und Chrom mittels klassischer galvanotechnischer Verfahren aufgebracht. Damit handelt es sich bei der vorgestellten Beschichtung nicht um einen Ersatz von Chrom(VI)-Verfahren, sondern um eine Erweiterung des Spektrums.

Die galvanische Schicht liefert einmal die elektrische Leitfähigkeit für die PVD-Beschichtung und verhindert zum anderen das Ausgasen des Kunststoffes im Vakuum, das für PVD Voraussetzung ist. Darüber hinaus muss verhindert werden, dass das Substrat zu stark erwärmt wird. Die Erwärmung lässt sich vermeiden, indem längere Pausen in den Beschichtungsprozess eingefügt werden.

Eine einzustellende Kenngröße ist die Farbe der PVD-Schicht. Kritisch sind hierbei die möglichen Gase, beispielsweise Stickstoff, die während der Beschichtung in geringen Mengen in die Prozesskammer eingeleitet werden. Diese verändern die PVD-Schicht. Anspruchsvoll ist die Einstellung der Farbe deshalb, weil durch Hochglanz die Farbabweichungen deutlich schlechter zu erkennen sind. Derzeit werden vom Sanitärdesign verstärkt schwarze Oberflächen gewünscht. Für diese eignet sich die Kombination aus galvanischer Grundschicht (in großem Umfang matte Schichten) und PVD-Deckschicht. 

Elektrische Eigenschaften von Oberflächen

An die Oberflächenbeschichtung bei Einpresszonen und die Kontakte aus Aluminium für den Einsatz in Fahrzeugen werden besondere Anforderungen gestellt, mit den sich Ilhan Körbulak, Hatko Teknik Dononimlar Müm. ve Tic A.S., auseinander setzte. Steckverbinder sind wichtige Produkte der Elektrotechnik und werden nahezu zu 50 Prozent in der Automobilindustrie verbaut; weitere wichtige Bereiche sind die Industrieelektronik mit etwa 29 Prozent sowie die Telekommunikation, Konsumerelektronik und Datentechnik (Stand 2014). Dabei verzeichnen die Hersteller von Kontaktelementen seit Jahren einen ungebrochenen Anstieg der Produktionszahlen.

Die Anforderungen an derartige Kontaktelemente richten sich neben den guten elektrischen Eigenschaften auf eine hohe Korrosionsbeständigkeit, Verschleiß-/Reibbeständigkeit, gute Lötbarkeit sowie geringen Edelmetallanteil. Für die notwendigen Beschichtungen kommen Kupfer, Nickel, Zinn sowie Edelmetalle und Edelmetalllegierungen mit Silber, Gold und Palladium zur Anwendung. Großes Interesse erfahren neue Crimpkontakte, die aus miteinander verbundenem Kupfer und Aluminium bestehen und die eine Gewichtseinsparung insbesondere bei den Kabelbäumen für die immer umfangreiche elektrische Versorgung in Fahrzeugen bringen. Wie Körbulak an einem Beispiel aufzeigte, lassen sich damit etwa 25 Prozent an Gewicht einsparen. Die Kontakte eignen sich unter anderem für den Einsatz als Einpresskontakt in Leiterplatten, wodurch das Lösten entfallen kann. Für die Beschichtung werden in großem Umfang Zinnschichten aufgebracht, bei denen vor allem die Whiskerbildung zu vermeiden ist. Dies wird beispielsweise durch die Abscheidung von Zinnschichten mit Zugeigenspannungen erzielt, aber auch mit Hilfe von Nickelzwischenschichten oder Auslagerungen bei Raumtemperatur.

Dominik Höhlich untersuchte in Zusammenarbeit mit Markus Müller, Ingolf Scharf und Thomas Lampke, TU Chemnitz, die Verwendung von Legierungen auf Basis von Wolfram und Molybdän für die Herstellung von Leistungselektronikbauteilen für den Einsatz in der Fahrzeugindustrie. In diesem Bereich sind Neuentwicklungen durch die stetige Erhöhung der Leistungsfähigkeit notwendig, die durch die angestrebte Elektromobilität weiter steigen wird. Die bisher eingesetzten Oberflächen aus Silber, Kupfer, Gold oder Palladium zeigen bei der Belastung mit den zu erwartenden hohen Strömen eine zu geringe Beständigkeit gegen Abbrand.

Abhilfe könnte der Einsatz von Beschichtungen aus Molybdän oder Wolfram bringen, die sich allerdings aus wässrigen Lösungen nicht abscheiden lassen. Dass diese Metalle die erforderlichen Eigenschaften aufweisen, konnte an pulvermetallurgisch hergestellten Bauteilen gezeigt werden. Ein Ansatz zur Herstellung von Schichten aus Molybdän und Wolfram bietet die Abscheidung der Metalle aus ionischen Lösungen, mit deren Entwicklung sich der Vortragend und Kollegen befassen.

Metallische Bauelemente werden dann besonders gut gegen korrosive Angriffe geschützt, wenn eine isolierend wirkende Beschichtung aufgebracht wird, insbesondere bei den weit verbreiteten Zinkoberflächen. Allerdings unterbindet eine isolierende Schicht die elektrische Kontaktierung, die vor allem im Bereich des Fahrzeugbaus und zunehmend unter dem Aspekt der Elektromobilität erforderlich ist. Patricia Preikschat gab einen Einblick in die Eigenschaften von korrosionsschützenden Schichten und deren Beeinflussung im Gebrauch. Insbesondere verzinkte Schrauben müssen einerseits sicher gegen Korrosion geschützt werden, andererseits aber auch gewährleisten, dass die verbundenen Bauteile als Rückleiter für das Bordnetz eines Fahrzeugs funktionieren. Vor allem muss auch eine elektrostatische Aufladung eines Fahrzeugs vermieden werden.

Die üblichen Passivierungen mit Dicken im Bereich von weit unter 1 µm werden beim Einsatz durch wirkende Druck- und Reibkräfte leicht zerstört und stellen damit nur einen geringen zusätzlichen elektrischen Widerstand dar. Ähnlich verhalten sich beispielsweise Gleitwachse. Höhere elektrische Widerstände stellen die Topcoats dar und KTL-Beschichtungen sind meist vollständige Isolatoren. Als nachteiliges Erscheinungsbild hat sich die sogenannte kathodische Unterwanderung herausgestellt, deren Ursachen bisher nicht vollständig geklärt sind. Sehr wahrscheinlich ist die Unterwanderung auf die Bildung von Wasserstoff im Zusammenhang mit der Korrosion der vorhandenen Zinkbeschichtungen zurückzuführen. Die Unterwanderung führt zur großflächigen Lackablösungen und damit zum Verlust der Korrosionsbeständigkeit. Derzeit werden vermehrt Beschichtungen entwickelt, bei denen die elektrische Leitfähigkeit der Schicht einstellbar ist

Forum Bauteilreinigung

Schwerpunktthema des Forums Bauteilreinigung im Rahmen der ZVO-Oberflächentage war das Thema Filmische Verunreinigung, zu dem der FiT im vergangenen Jahr eine Richtlinie herausgegeben hat.

In vielen Industriezweigen ist die Sauberkeit von Bauteiloberflächen nach Vor-, Zwischen- und Endreinigungsschritten ein wichtiges Qualitätsmerkmal. Trotz des Einsatzes modernster Produktionstechniken können fertigungsbedingte Verunreinigungen nicht immer vollständig ausgeschlossen werden. Vorhandene Verschmutzungen müssen entsprechend abgereinigt werden, damit das Bauteil eine hinreichende Sauberkeit für die nachfolgenden Fertigungsschritte wie Fügen oder Lackieren und die Endanwendungen aufweist.

Wurden in den vergangenen Jahren dabei hauptsächlich partikuläre Verunreinigungen betrachtet, werden derzeit zunehmend auch chemisch/filmische Verunreinigungen als qualitätsbeeinflussend wahrgenommen. Zu den filmischen Verunreinigungen gehören Öle und Fette, aber auch Rückstände von Korrosionsschutzmitteln, Beschichtungen, Kühlschmierstoffen und weiteren Fertigungshilfsmitteln. Ebenso dazu zählen Konservierungsstoffe und Klebstoffe sowie Handschweiß- und Fingerabdrücke. Ganz allgemein können filmische Verunreinigungen als dünne, zusammenhängende, nicht‑partikuläre Schicht aus unerwünschten, fremdartigen Bestandteilen auf Teil- oder Vollflächen von Bauteilen beschrieben werden.

Die Situation für Teilehersteller und Reinigungsanlagenbetreiber wird immer anspruchsvoller, da eine zunehmende Zahl an Fertigungsprozessen und Endanwendungen auf saubere Bauteiloberflächen hinsichtlich filmischer Verunreinigungen angewiesen sind. Basierend auf dem verfügbaren Stand der Technik, angereichert mit Praxis- und Expertenwissen sowie Anwendererfahrung der Autoren wurde die FiT-Richtlinie „Filmische Verunreinigungen beherrschen“ erarbeitet, die André Lohse in Vertretung für Dr. Michael Flämmich im Rahmen des Forums Bauteilreinigung vorstellte.

Marcel Kleßen befasste sich im Anschluss speziell mit der filmischen Verunreinigung in der Vakuumtechnik. Die Sauberkeitskontrolle vor dem Beschichten war Thema von Stefan Büttner. Sein Vortrag gab einen Überblick über die gängigsten Methoden und einen tieferen Einblick in die Fluoreszenzmessung zur Sauberkeitskontrolle.

Den neuen Adhäsa-Ansatz zur Prüfung von filmischen Verunreinigungen stellte Dr. Markus Rochowicz vor. Im Industrieverbund „AdhäSa – Adhäsive Sauberkeit“ arbeiten Anwender aus der Automobil- und Zulieferindustrie sowie Dienstleistungslabore, die sich mit der Prüfung von Verunreinigungen befassen, eng zusammen. Auch hier ergeben sich hinsichtlich filmischer/chemischer Verunreinigungen Klärungsbedarfe zu:

  • Grenzwertprüfung (im Kunden-Lieferanten-Verhältnis)
  • Ursachenforschung und Optimierung von Prozessen
  • Überwachung von Prozessen

Zu den Punkten 2 und 3 gibt bereits eine Reihe etablierter Verfahren. Eine robuste und quantitative Methode, die zum Beispiel im Kunden-Lieferanten-Verhältnis zur Prüfung von Sauberkeitsgrenzwerten aus vertraglich vereinbarten Spezifikationen geeignet ist, ist hingegen noch nicht verfügbar. Hier leistet AdhäSa Entwicklungsarbeit.

Yunus Demirtas befasste sich mit der Feinst-Entfettung mit integriertem Niederdruck(ND)-Plasma. Bauteile werden zur Feinst-Entfettung nach der Nassreinigung oft einem weiteren Behandlungsschritt, zum Beispiel einer separaten Plasmareinigungsanlage, zugeführt. Mit der Anlagenlösung von Ecoclean können sie in einem kombinierten Prozess zuerst mit Lösemitteln gereinigt/entfettet und anschließend im ND-Plasma feinst-entfettet werden.

Eine allgemeine Einführung in die wässrige Reinigung anhand eines Anwendungsbeispiels aus dem Galvanik-Bereich gab Thomas Gutmann.

Jan Sommer stellte die prozessintegrierte Qualitätsüberwachung bei der Oberflächenbearbeitung und Laserstrahl-Reinigung von Bauteilen vor. Bei der Reinigung mit Laserstrahlung werden durch gebündeltes Licht Schmutz- und Deckschichten umweltfreundlich entfernt. Besonders im Leichtbau sind automatisierte, schlüsselfertige Lösungen gefragt, die sich in Form von laserbasierten Reinigungsstationen direkt in die Prozesskette integrieren lassen und somit Zeit und Kosten sparen, Ressourcen schonen und die Qualität sichern. Das Laserverfahren bietet dabei zahlreiche Möglichkeiten der integrierten Prozesskontrolle.

Kerstin Zübert ging der Frage nach, ob, wo und wie die Regulierungswut auch bei Medien für die Vorbehandlung und Reinigung von Metallteilen zuschlägt.

Den Abschluss der Vortragsreihe machte Dr. Andreas Voßberg mit der Vorstellung der neuen DGUV Information 209-088 „Reinigen von Werkstücken mit Reinigungsflüssigkeiten“, die Betreiber mit praxisnahen Beispielen bei der Erstellung der Gefährdungsbeurteilung unterstützt. Schwerpunktmäßig betrachtete er die Gefährdungen an Reinigungseinrichtungen aufgrund von Bränden und Explosionen und leitete konkrete Empfehlungen für Schutzmaßnahmen ab.