#OTLeipzig22 begeisterten die Teilnehmer

Im Eröffnungsvortrag gab Prof. Dr. Frank Mücklich vom Material Engineering Center Saarland (MECS), ein Steinbeis-Forschungszentrum, angesiedelt an der Universität des Saarlandes in Saarbrücken, einen Einblick in seine Arbeit. Wie er eingangs betonte, sieht er seine Aktivitäten entlang der akademischen Wertschöpfung und hierbei insbesondere sein Arbeitsgebiet als eine der drei Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts aus Informatik, Materialwissenschaft/-technik und Biotechnologie.

Prof. Mücklich sieht es als wichtig an, die Materialien einer sehr genauen Betrachtung, vom Mikro- bis in den atomaren Bereich hin, zu unterziehen. Während die Untersuchung des Materialinneren Aussagen über erfolgte Be- und Verarbeitungsprozesse liefert und daraus Ansätze für eine Optimierung der Werkstoffeigenschaften gezogen werden können, führt die Betrachtung und Bewertung der Oberflächen und deren Veränderungen zu zahlreichen wichtigen technischen Verhaltensweisen. Für die entsprechende und oft aufwändigen Untersuchungen ist das Institut des Vortragenden mit unterschiedlichen, sehr modernen Untersuchungsgeräten und -technologien ausgestattet. Zu den obersten Grundsätzen seiner Arbeit zählt die Unterstützung der Kreislaufwirtschaft, um eine Steigerung des Wohlbefindens zu erreichen, aber nicht auf Kosten der Ressourcen und der Umwelt, wie Prof. Mücklich betonte.

Die Anforderung zur verstärkten Nachhaltigkeit zeigt sich unter anderem durch die heute übliche chemische Vielfalt, die in den vergangenen 200 Jahren von einem Einsatz von etwa zehn wichtigen Elementen zu heute bis zu 70 Elementen angewachsen ist. Dadurch wurde einerseits zwar die Schaffung aller im Einsatz befindlichen modernen Gerätschaften erst möglich, andererseits werden aber inzwischen Rohstoffknappheiten beziehungsweise die Herausbildung von Monopolstellungen verschiedener Rohstofflieferanten erkennbar. Des Weiteren zeigt es sich, dass die Verteilung der Rohstoffe von klassischen Quellen wie Erzlagerstätten hin zu Produkten, zum Beispiel elektronische Geräte, geht. Zwar liegt der Anteil bestimmter Metalle in Lagerstätten um Größenordnungen niedriger als in Produkten, jedoch ist die Gewinnung aus Lagerstätten nach wie vor einfacher und wirtschaftlicher. Manche Produkte und Teile von Produkten sind kreislauffähig, was zum Beispiel anhand von Magneten für Elektromotoren aufgezeigt wurde. Viele der wichtigen chemischen Elemente lassen sich jedoch nur in einem geringen Umfang im Wertstoffkreislauf halten.

Am Beispiel der Oberflächenfunktionen zeigt er, dass Funktionen durch die Gestaltung der Oberfläche mit Hilfe von mechanischen Mitteln erzielt oder verändert werden können. Am Institut des Vortragenden wurden beispielsweise mit Hilfe von Lasern Verfahren zur gezielten Strukturierung von Oberflächen entwickelt und in die Praxis umgesetzt. Durch die Herstellung von Interferenzmuster mit der xDLIP-Technologie lassen sich gezielt diese Eigenschaften einstellen beziehungsweise verstärken. Die benötigten periodischen Oberflächenmuster können inzwischen in einer Geschwindigkeit von 1 m²/min auf nahezu alle Materialien aufgebracht werden, was die Wirtschaftlichkeit der Technologie untermauert. Da hierfür keine Werkzeuge im Vorfeld hergestellt werden müssen, kann die Mustererzeugung auch ohne nennenswerten Aufwand in die Praxis eingeführt werden. Dafür wurde das Unternehmen SurFunction gegründet, das aktuell an der industriellen Praxiseinführung arbeitet. Die Oberflächentechnik erhält mit xDLIP (xDLIP – Extended Direct Laser Interference Patterning) ein weiteres Verfahren, um auch in Zukunft seine Schlüsselfunktion zu unterstreichen.

Im Rahmen der vom ZVO unterstützten Stiftungsprofessur für Elektrochemie und Galvanotechnik befasst sich Professor Dr. Andreas Bund an der TU Ilmenau unter anderem mit den Möglichkeiten der Energiespeicherung und Energiegewinnung unter Einsatz von Verfahren der Oberflächentechnik. Wie er einleitend betonte, handelt es sich bei der Batterie um ein geschlossenes Energiesystem, da es nur Energie und keine Materie mit der Umgebung austauscht. Daher muss eine Batterie deutlich besser konstruiert werden als zum Beispiel ein Motor. Aktuell werden in einer üblichen Lithiumionenbatterie Kupfer als Anode und Aluminium als Kathode verwendet. Bei dieser Werkstoffkombination treten Zellspannungen von bis zu 4 V zwischen den Elektroden auf, deren Oberflächen so beschaffen sein müssen, dass keine Schädigungen auftreten.

Für bipolare Batterien ist dagegen ein anderes Elektrodensystem erforderlich, zum Beispiel vernickeltes Aluminium oder Nickelfolie. Wichtig ist hierbei eine porenfreie Abscheidung. In der Praxis hat sich das bipolare Design allerdings noch nicht durchgesetzt. Einen ähnlichen Ansatz verfolgt im Übrigen die Gruppe um Prof. Sörgel, der unter anderem Schwefel in Nickel als Dispersionsschicht nutzt. Ein weiteres Energiesystem ist die Redox-Flow-Batterie, bei der in Lösung befindliche Ionen in unterschiedlichen Ladungszustände zum Einsatz kommen. Ein seit Längerem getestetes System ist das mit Vanadium.

Interessant ist vor allem die Energiespeicherung und Stromerzeugung mittels Brennstoffzellen. Je nach System wird ein mehr oder wenig hoher Anteil an Wärme bei der Energieerzeugung frei. Ein einfaches elektrochemisches System ist die Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, also die Umkehrung der elektrochemischen Wasserzersetzung. Dafür werden leistungsfähige Elektrolyseure benötigt, wobei die Herausforderung bei der Art der zu verwendenden Elektroden liegt. Gute Ergebnisse werden zum Beispiel mit Iridiumelektroden erzielt, allerdings ist Iridium nur in geringen Mengen verfügbar und sehr teuer. Ebenfalls hohe Kosten entstehen durch die heute üblichen Titanelektroden. Deshalb wird im Moment nach Alternativen zu Iridium und Titan gesucht, zum Beispiel in Form von Nickel.

Dr. Mathias Weiser, Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, befasst sich mit der elektrolytischen Oxidation galvanischer Schichten für neue, alternative Elektrodenmaterialien zur Energiespeicherung. Der Vortragende berichtete von der Herstellung von Zinnoxidelektroden auf Basis einer galvanisch abgeschiedenen Zinnschicht. Die durch elektrolytische Oxidation erzeugten Zinnoxidelektroden zeichnen sich durch eine relativ hohe Porosität und damit auch durch eine große Oberfläche aus. Bei der Herstellung bietet sich die Verknüpfung von zwei klassischen Verfahren der Galvanotechnik mit den Einrichtungen der Bandgalvanik an. Bei der anodischen Oxidation von Zinn wird das Metall in den verwendeten Elektrolytsystemen, zum Beispiel Oxalsäure, nicht aufgelöst, sondern primär oxidiert. Grundsätzlich zeigt sich, dass für eine solche Elektrode ein Stromkollektor benötigt wird. Für diese Funktion bietet sich zum Beispiel Kupfer an. Hierfür wird Zinn auf Kupfer abgeschieden und kann vollständig durchoxidiert werden. Mit einer derartigen Elektrode wurde versuchsweise eine Batteriezelle hergestellt, die eine akzeptable Funktion zeigt.

Klaus Schmid stellte die Ergebnisse von Untersuchungen am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA vor, deren Ziel die Herstellung von Lithiumschichten für den Einsatz in Lithiumakkus ist. Durch die Verwendung von Lithiumschichten an Stelle des aktuell eingesetzten Werkstoffgemisches aus Lithiumverbindungen mit Bindemittel sollen erhebliche Mengen an Lithium eingespart und die Effizienz der Akkumulatoren deutlich verbessert werden. Die Herausforderung ist die Entwicklung eines Abscheidesystems, das auf organischen Lösemitteln basieren muss, da Lithium nicht aus wässrigen Lösungen abgeschieden werden kann. Aufgrund der positiven Ergebnisse der ersten Versuche nimmt das IPA nun das Upscaling vom Becherglas zur Durchlaufanlage in Angriff. Dafür muss eine Anlage aufgebaut werden, bei der die Abscheidung unter Schutzgas ausgeführt wird.

Untersucht wurden drei unterschiedliche Elektrolytsysteme: Carbonatsysteme sowie zwei Varianten auf Basis von Etherverbindungen. Mit allen drei Systemen konnten gute Schichten hergestellt werden, bei allerdings geringen Abscheidegeschwindigkeiten. Neben Gleichstrom wurde Pulsstrom zur Abscheidung herangezogen, mit dem kompaktere und feinkörnigere Schichten herstellbar sind. Wenig erfolgreich war die Suche nach Zusätzen, da hier kaum brauchbare Stoffe zu finden sind.

Christoph Zimmermann von der TU Ilmenau untersucht die Stabilität von galvanischen Beschichtungen, wie sie für Komponenten von PEM-Elektrolyseuren zum Einsatz kommen. Die Herausforderungen bei der Herstellung der Elektroden für derartige Elektrolyseure liegen zum einen in der Verwendung von kostengünstigen Materialien und zum anderen bei der Gewährleistung von korrosionsbeständigen Oberflächen. Das bisher eingesetzte und relativ teure Titan wurde daher unter anderem durch korrosionsbeständigen Stahl (1.4404) ersetzt, der aber anodenseitig zusätzlich mit einer Beschichtung (Nickel sowie Edelmetalle) geschützt werden muss. Hierfür können die übliche Prozessabfolgen einer galvanischen Beschichtung genutzt werden, also Vorbehandlung und Vorvernickelung als Haftschicht. Allerdings muss im Falle von Elektroden zur Elektrolyse die Rauheit der Elektrodenoberfläche erhalten bleiben. Gute Ergebnisse wurden bei der Abscheidung mittels Pulsstrom erzielt.

Die Charakterisierung der abgeschiedenen Schichten erfolgte anhand von Stromdichte-Potenzial-Kurven. Für die Beschichtung wurden zwei unterschiedliche edelmetallhaltige Beschichtungen (PGM) sowie eine Nickellegierung herangezogen, die deutliche Unterschiede bei den Stromdichte-Potenzial-Kurven erkennen lassen. Eine der beiden Edelmetallschichten ließ mit zunehmender Polarisationsdauer eine Korrosion der Oberfläche erkennen, während dies bei der zweiten Edelmetallschicht nicht der Fall war. Die Nickelschicht zeigt ab einer Polarisation von 2 V und höher eine geringe Korrosion sowie die Bildung von relativ stabilem Nickeloxid. Zusammenfassend wies Zimmermann darauf hin, dass Pulse-Plating als Verfahren gute Ansätze besitzt, hinsichtlich der Beständigkeit von Nickelschichten als kostengünstige Alternative aber weitere Arbeiten erforderlich sind, um deren Stabilität zu erhöhen.

Bisher werden die Elektroden für Akkumulatoren in der Regel durch mechanisches Auftragen von Aktivmaterialen (vor allem mit Lithiumkomponenten) auf einen Stromableiter (zum Beispiel Kupferfolie) mittels Rakeln hergestellt. Hierbei wird deutlich mehr Material aufgebracht als technisch notwendig ist. Ein neuer Ansatz ist die elektrochemische Metallabscheidung von Elektrodenmaterial, zum Beispiel durch Dispersionsabscheidung, mit der sich Prof. Dr. Timo Sörgel von der Hochschule Aalen befasst. Zu den Vorteilen dieser Technologie zählt, dass keine Binder zur Befestigung der aktiven Partikel und kein getrennter Stromableiter notwendig sind. Diese Eigenschaften erfüllt das Abscheidemetall (zum Beispiel Nickel) bei gleichzeitig guten elektrischen Eigenschaften. Neben der einfacheren Fertigung sollten sich solche Elektroden nach Ansicht von Prof. Sörgel durch eine hohe Leistungsdichte auszeichnen. 

Neben den bisher untersuchten Werkstoffen Schwefel und Nickel sollen im nächsten Schritt als aktive Werkstoffe NMC (Oxide von Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt) und als Metall Aluminium eingesetzt werden. Die Herausforderung besteht darin, die aktiven Partikel so einzubetten, dass diese in Kontakt stehen und zugleich eine Kontaktoberfläche nach Außen aufweisen. Die Oberfläche ist damit also sehr stark strukturiert. Die Basisfolie wird durch Abscheidung auf eine rotierende Titanwalze und anschließendes Abziehen erzeugt. Das Verhältnis von aktiver Partikeloberfläche zu eingebetteter Partikelmasse ist hierbei sehr hoch. Gegenüber den bisher gebräuchlichen Slurry-Elektroden für Lithiumakkus kann auf diese Weise die Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials um den Faktor 10 bis 1.000 erhöht werden. 

Ein weiterer Prozessschritt ist die Verwendung von Aluminiumträgerpartikeln, deren Oberfläche durch Ätzen vergrößert wird,  dadurch kann eine Beladung mit Schwefel verbessert werden. Für die Beladung stehen zwei Verfahren zur Auswahl: das Spin-Coating und die elektrochemische -Methode unter Verwendung einer wässrigen Kaliumsulfidlösung.

Im letzten Beitrag des Themenblocks ging Sebastian Holl vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) auf die Bedeutung der Galvanotechnik für die Wasserelektrolyse ein. Zu den Hauptkomponenten von Anlagen zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff zählt der Elektrolyseblock, der nach den Erfahrungen des Vortragenden vorteilhafterweise auf der basischen Elektrolyse beruht, da hier mit Edelstahl als Elektrode gearbeitet werden kann. Trotzdem ist es sinnvoll, die Elektroden durch Beschichtung oder Strukturierung anzupassen, um die Spannungen für die Elektrolyse so gering wie möglich zu halten. Eine wichtige Anforderung ist hierbei, die Oberflächen der Elektrode gegen Korrosion oder gegen Passivierung zu schützen.

Aktuell befindet sich die Technologie im Bereich des Hochskalierens. Hieraus ergibt sich ein Bedarf bis 2030 von etwa 1 Million Elektroden, die galvanisch beschichtet werden müssen. Neben der galvanischen Beschichtung wird die Eignung des thermischen Beschichtens untersucht. Bei den galvanischen Verfahren kommen für Kathoden Nickel-Zink-Beschichtungen zum Einsatz, bei denen Zink zur Erhöhung der Rauheit herausgelöst wird. Gegenüber dem thermischen Spritzen haben galvanotechnische Verfahren den Vorteil, dass mit ihnen sehr plane Schichten hergestellt werden können. Zudem zeichnet sich das galvanotechnische Beschichtungsverfahren durch eine hohe Ressourceneffizienz aus. Ein Nachteil ist aktuell die relativ geringe Auftragsgeschwindigkeit.

Der effiziente Umgang mit Energie und Ressourcen erlangt bei den derzeit stark ansteigenden Energie- und Rohstoffpreisen eine wesentliche Bedeutung. Dies gilt insbesondere für die Galvanotechnik, bei der die Energie- und Materialkosten einen hohen Anteil der Gesamtkosten einnehmen, wie Dr.-Ing. Stefan Kölle vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, eingangs betonte. Die Energiekosten machen je nach Verfahrenstechnik etwa sieben bis 20 Prozent der Gesamtkosten aus, die Materialkosten werden im Mittel mit etwa 25 Prozent veranschlagt – mit steigender Tendenz. Potenziale zur Reduzierung des Energie- und Ressourceneinsatzes sind Kölle zufolge vorhanden.

Ein grundlegender Schritt, zielgerichtet Effizienzmaßnahmen umzusetzen, kann der Vergleich mit Hilfe eines Benchmarks sein, bei dem branchenbezogene Kennzahlen gebildet werden. Zudem bietet ein Benchmark die Möglichkeit, den eigenen Verbrauch über einen Zeitraum zu beobachten, um den Erfolg von umgesetzten Effizienzmaßnahmen transparent verifizieren zu können. Im von der Deutsche Bundesstiftung Umwelt DBU geförderten Forschungsprojekt Benchmark Galvanotechnik BenG haben das Institut für Industrielle Fertigung IFF, das Institut für Energieeffizienz in der Produktion EEP der Universität Stuttgart sowie die Abteilung Galvanotechnik am Fraunhofer IPA mit Unterstützung zweier Galvanobetriebe eine Benchmarkmethodik erarbeitet und eine erste Datenerhebung innerhalb der Branche durchgeführt.

Die erhaltene Datenlage in Bezug auf das Gesamtunternehmen war relativ gut, während diese in Bezug auf die Produktionsanlagen noch verbesserungswürdig ist. Auch wurde deutlich, dass im Hinblick auf Energieeinsparung sich die entsprechenden Arbeiten erst in der Anfangsphase befinden, während beispielweise bei der Einsparung von Wasser oder Nacharbeit bereits ein sehr guter Stand erreicht ist.

Reinigung und Vorbehandlung spielen in der Oberflächentechnik eine große Rolle. Moderne Aufbereitungsmethoden wie die Vakuumdestillation, mit denen sich Thomas Dotterweich, H2O GmbH, befasst, bereiten das Spülwasser effizient und nachhaltig auf. Das Ergebnis erfüllt die hohen Anforderungen an Qualität und Wirtschaftlichkeit, bei der vor allem die aktuelle Entwicklung der Energiekosten in den Vordergrund rückt.

Die von der H2O genutzte direkte Brüdenverdichtung zeichnet sich durch ein realisiertes Energierecycling aus, bei dem keine zusätzliche Verdampfungsenergie benötigt wird. Im Vergleich zur atmosphärischen Verdampfung lässt sich mit diesem Verfahren eine Energieeffizienz von bis zu 95 Prozent erreichen. Neben der hohen Spülwasserqualität überzeugt die Technologie nach Aussage des Vortragenden durch deutliche ökologische und ökonomische Vorteile.

Marvin Wagner, BIA Kunststoff- und Galvanotechnik GmbH & Co. KG, stellte in seinem Vortrag das Projekt IntelWATT vor, das die BIA-Gruppe in Zusammenarbeit mit der TH Köln und der Universität Birmingham durchführt. Im Projekt wird unter anderem der Einsatz der Umkehrosmose zur Aufarbeitung der Spülwässer untersucht, wobei eine direkte Wiederverwendung der Wasser- und Elektrolytanteile angestrebt wird. Innerhalb des Forschungsvorhabens, gefördert durch das Horizon2020-Programm der Europäischen Union, werden über drei Jahre Methoden erarbeitet, die dies ermöglichen sollen. Aktuell liegt der Fokus auf Chrom(III)elektrolyte, da diese aufgrund der Komplexität des Elektrolyten und der Anzahl der Zusätze eine große Herausforderung darstellen. Sie bieten zudem ein hohes wirtschaftliches Potenzial.

Bei der Umkehrosmose der Spülwässer lässt sich ein Konzentrat gewinnen, das zur Wiederverwendung und Aufdosierung der Chromelektrolyte eingesetzt werden könnte, sowie ein Permeat zur Verwendung in der letzten Stufe der Kaskadenspüle als Ersatz für Frischwasser. Zu den Herausforderungen zählt das Entfernen beziehungsweise Handling der im Elektrolyten enthaltenen Tenside und Organikbestandteile, die zu Fouling in den Membranen führen können. Zudem macht sich die begrenzte Löslichkeit der Borsäure negativ bemerkbar, so dass diese im Endeffekt in das Permeat gelangt. Inzwischen gelingt die Aufkonzentrierung des gelösten Chroms in zufriedenstellendem Maße, während dies für Borsäure und Sulfat nicht der Fall ist.

Klimaneutralität wird in zunehmendem Maße zum Marketinginstrument. Dr. Anna-Theresa Schmidt von der Dr.-Ing. Max Schlötter GmbH & Co. KG gab einen Einblick in die Vorgehensweise zur Ermittlung des Status der Klimaneutralität. Der erste Schritt dabei ist die Erstellung eines Corporate Carbon Footprints (CCF), also des CO₂-Fußabdrucks eines Unternehmens. Sie ist in vier Phasen unterteilt. In der ersten Phase werden die organisatorischen und die Berichtsgrenzen festgelegt. Anschließend werden über eine Wesentlichkeitsanalyse die Daten ermittelt, die bei der Betrachtung eine wichtige Rolle spielen. Aus der Wirkungsabschätzung und der Auswertung ergeben sich dann die Bereiche, in denen große Mengen Kohlenstoffdioxid emittiert werden.

In die Betrachtungen gehen die unterschiedlichen Prozesse zur Herstellung von Produkten, deren Transportvorgänge, aber auch die Bewegungen von Mitarbeitenden sowie die entsprechenden Daten von Kunden ein.

Am Beispiel von Verbindungselementen zeigte Dr. Björn Dingwerth, MacDermid Enthone Industrial Solutions, dass der Beitrag der Oberflächentechnik zur gesamten CO₂-Bilanz einer Komponente neben den Emissionen aus der Bereitstellung des in der Konstruktion eingesetzten Stahls für gewöhnlich gering ausfällt. Durch die Menge der veredelten Bauteile entsteht jedoch im Beschichtungsprozess ein signifikanter Beitrag zu den Gesamtemissionen. Künftige Maßnahmen, wie zum Beispiel der Einsatz von kohlenstofffreien Reduktionsmitteln in der Stahlproduktion, können das Verhältnis der Beiträge aus Stahlherstellung und Oberflächentechnik erheblich verschieben. Hierdurch würde die Oberflächentechnik als CO₂-Emittent in den Vordergrund gerückt.

Es ist also neben der Bilanzierung einzelner Beiträge unerlässlich, heute bereits Einsparpotenziale zu identifizieren und hinsichtlich der wirtschaftlichen Machbarkeit zu bewerten. Ein positiver Nebeneffekt der sich in weniger emittierten Kohlenstoffdioxid-Äquivalenten niederschlagenden Einsparungen sind die bei entsprechender Umsetzung damit einhergehenden Einsparungen von eingesetzten Materialien und eingesetzter Energie, was sich letztlich in der Kosteneffizienz des Fertigungsprozesses positiv bemerkbar macht.

Wie Dr. Manfred Hofschneider, Tribicon GmbH, betonte, geht Deutschland bei der Klimawende einen Sonderweg, der sich von allen anderen Industrieländern unterscheidet: Es verzichtet auf Stromgewinnung aus fossilen Energieträgern, schaltet alle Atomkraftwerke ab und priorisiert die Stromgewinnung aus Wind- und Sonnenenergie. Für den Vortragenden stellt sich die Frage, inwieweit der Produktionsstandort Deutschland dadurch beeinflusst wird, indem etwa die internationale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Unternehmen verändert wird. Unternehmen sind daher gefordert, intensiv nach Möglichkeiten der Kostenreduzierung zu suchen und die sich daraus ergebenden Chancen für sich nutzbar zu machen.

Nach Überzeugung von Lars Baumgürtel, ZINQ Technologie GmbH, hat eine zirkuläre Wirtschaftsweise das Potenzial, die Treibhausgasemissionen um 39 Prozent und den Ressourcenverbrauch um 28 Prozent zu senken. Dem stehen jedoch Zahlen gegenüber, wonach nur 9 Prozent der Weltwirtschaft im Kreislauf geführt werden (Cirucularity Gap Report 2022). Die Europäische Kommission will das ändern und hat mit dem European Green Deal die Grundlagen zur Transformation der Industrie in Richtung einer zirkulären und klimaneutralen Wirtschaft eingeleitet. Zentrales Element ist die Sustainable Product Initiative (SPI) als wichtiger Treiber für zirkuläre Geschäftsmodelle, zur Internalisierung externalisierter Kosten bei der CO₂-Bepreisung im Rahmen von ETS/nETS (ETS – Emissions Trading System) und für verpflichtende zirkuläre Produktpässe.

Für die Oberflächentechnik folgen nach Meinung Baumgürtels aus der SPI Fragestellungen nach den Charakteristiken eines nachhaltigen/zirkulären Produkts sowie der Definition und Eingrenzung von Produktpässen oder auch den erforderlichen Maßnahmen, um der kommenden Circular Economy gerecht zu werden. Ein Ansatz zur Erfüllung der Anforderungen für feuerverzinkten Stahl ist die Schließung eines Stoffkreislaufs, bei dem das eingesetzte Zink wieder Primärqualität erlangt. Dazu dient zum Beispiel eine Rücknahmegarantie, um Stahl und Zink in getrennten Kreisläufen wieder zu verwerten. Eine der dafür notwendigen Voraussetzungen ist die intensive Zusammenarbeit in der gesamten Lieferkette mit detaillierter Datenweitergabe unter Nutzung von digitalen Zwillingen.

Wie Dr. Felix Heinzler, BIA Kunststoff- und Galvanotechnik GmbH & Co. KG, betonte, sind hochwertige Oberflächen aus echtem Metall aufgrund ihrer Beständigkeit und Wertigkeit in der Anwendung nachhaltig, bieten aber auch ein hohes Potenzial für Stoffkreislaufschließung in der Produktion sowie Recycling am Ende der Nutzungsdauer. Für die Gesamtnutzung von galvanisiertem Kunststoff sollten drei Prioritäten gelten: zunächst geringer Energieverbrauch und Ausschuss, dann die Wiederverwendung der eingesetzten Energie und Rückgewinnung von Chemikalien und schließlich die Wiederverwendung von Metall und Kunststoff.

Um dieses Ziel zu erreichen, arbeitet BIA an der Entwicklung von Rezyklaten und deren Integration in die Produktion für galvanisierte Kunststoffbauteile für den Automobilbereich. Hierbei werden sowohl ABS-Polymere aus allgemeinen Quellen für Rezyklate betrachtet als auch die Aufbereitung von nicht kundentauglichen Bauteilen aus der Produktion des Spritzgusses und der Galvanik. So lassen sich in der direkten Kreislaufführung die Kunststoffanteile aus dem Spritzguss aufbereiten und als Rezyklat compoundiert nutzen. Der Ausschuss nach der Galvanik muss in einem zweiten Schritt betrachtet werden, da die Herausforderung in der Separation von Kunststoff und Metall besteht. Eine Prozesskombination aus Trennung und Aufbereitung ermöglicht es, beide Fraktionen wieder dem Stoffkreislauf zuzuführen.

Dr. Elke Moosbach, Moosbach Kanne GmbH, und Dr. Elke Spahn, Gravitech GmbH, stellten erste Erfahrungen bei der Umsetzung von Digitalisierung, Klimaneutralität und Nachhaltigkeit unter dem Aspekt des European Green Deal vor. Den Untersuchungen von Dr. Moosbach zufolge, entfällt im Unternehmen der Vortragenden der größte Anteil der CO₂-Emissionen auf die Erzeugung von Strom und Wärme, wobei im Bereich 3 der Bewertung die Anfahrtswege der Mitarbeitenden den größten Beitrag stellen. Durch verschiedene Maßnahmen konnten von 2019 bis 2021 bereits mehr als 25 Prozent an Kohlenstoffdioxid eingespart werden. Diese resultieren zum Beispiel aus Maßnahmen in den Bereichen Transport, Isolierungen an Anlagen und Gebäuden, Beleuchtung oder auch aus Verfahrensumstellungen.

Mit der von Dr.  Spahn vorangetriebenen Digitalisierung und den damit verbundenen Technologien lässt sich die Prozesssicherheit verbessern und stabilisieren, woraus sich eine deutliche Einsparung bei den eingesetzten Prozesschemikalien und beim Verbrauch an Prozesswasser erreichen lässt. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Bewertung und Verbesserung des Material- und Energieeinsatzes, wie er zukünftig im Rahmen eines Produktpasses erfasst und veröffentlicht werden soll. In jedem Fall spielen die Digitalisierung und interne Vernetzung eine wichtige Rolle, bei der jedoch darauf zu achten ist, dass Daten nicht nur gesammelt, sondern auch ausgewertet und für die Verbesserung aller Einzelarbeiten im produzierenden Betrieb genutzt werden.

Vor dem Hintergrund explodierender Energiepreise und der bis 2025 steigenden und festgelegten Bepreisung von Kohlenstoffdioxid seitens der Bundesregierung rückt das Thema Energieeffizienz noch stärker in den Fokus der Oberflächentechnik. Der Energiebedarf innerhalb einer Galvanik verteilt sich nach Kenntnis von Lukas Büscher, Munk GmbH, und Florian Demnitz, Öko-Zentrum NRW GmbH, zu einem Drittel auf die elektrische Prozessenergie. Ein Großteil dieser Prozessenergie entfällt dabei auf Gleichrichtergeräte als elektrische Verbraucher. Energieeffiziente Gleichrichtergeräte eröffnen daher infolge von innovativem Design und neuester Halbleitertechnik neue Einsparpotenziale hinsichtlich Energiekosten und ökologischer Fußabdruck.

Der ökologische Nutzen kommt den Unternehmen besonders in der Thematik um die derzeit viel diskutierten CO2-Zertifikate zugute, sowohl im Hinblick auf die Herstellkosten als auch den Klimaschutz. Der Weg zu diesem Ziel wird von der Bundesregierung honoriert und unterstützt. Entsprechende Förderprogramme ermöglichen neben den jährlich eingesparten Energiekosten auch eine einmalige Fördersumme, die sich an den ein-gesparten Kilowattstunden pro Jahr bemisst.

Dr. Michael Schem, MacDermid Enthone Industrial Solutions – Coventya GmbH, bot in seinen Ausführungen eine Betrachtung von Nachbehandlungssystemen für Beschichtungen unter besonderer Berücksichtigung von Nachhaltigkeitsaspekten. Auch wenn bei den meisten galvanischen Beschichtungssystemen die Anforderungen an Korrosionsschutzsysteme im Vordergrund stehen, so werden die Anforderungen insgesamt zunehmend vielfältiger. Dies gilt sowohl für Konstruktionselemente in der allgemeinen industriellen Anwendung als auch im Baubereich oder in der Automobilfertigung. Hierbei spielen neben den generell steigenden Anforderungen an die Langlebigkeit und Haltbarkeit auch Faktoren wie Materialpaarungen, designbedingte exponierte Einbaulagen oder generell neue Anwendungsfelder wie beispielsweise ein Einsatz in der Elektromobilität eine Rolle.

Moderne Korrosionsschutzsysteme verwenden häufig Versiegelungen oder Top-Coats, um die Oberflächenbeschichtung an verschiedene Anforderungsprofile anzupassen und die Lebensdauer generell zu erhöhen. Dabei kommen sowohl lufttrocknende Versiegelungen zum Einsatz als auch reaktive Top-Coats oder lackartige Systeme, die entsprechende Trocknungsbedingungen erfordern.

Moderne Zinklamellenbeschichtungen, mit denen sich Tomislav Maric, Atotech Deutschland GmbH & Co. KG, befasst, bieten Lösungen für Hochleistungskorrosionsschutz in Verbindung mit anspruchsvollen Eigenschaften, wie chemische Beständigkeit, definierte Reibbeiwerte auch nach Mehrfachverschraubung auf verschiedenen Gegenlagen und vieles mehr. Prozessoptimierte Ein- und Zweischichtsysteme erfüllen dabei auch den Umweltaspekt.

Dieser kann unter verschiedenen Blickwinkeln betrachtet werden. Die Zusammensetzung der verwendeten Zinklamellensysteme in Bezug auf flüchtige organische Verbindungen (VOC) spielt dabei ebenso eine Rolle, wie der benötigte Energieverbrauch bei der Beschichtung, hauptsächlich durch Trocknung beziehungsweise Einbrennen. Während bei den lösemittelbasierten Systemen die Einbrenntemperaturen bei 200 °C bis 250 °C liegen, reicht der Temperaturbereich bei den wasserbasierten Verfahren von 300 °C bis 340 °C, woraus ein höherer Energiebedarf von etwa 10 Prozent resultiert. Eine weitere Auswahlmöglichkeit besteht zwischen Ein- und Zweischichtsystemen. Hierbei werden Zinklamellenbeschichtungen mit Top-Coats kombiniert, wodurch der Korrosionsschutz deutlich erhöht werden kann. Damit lassen sich etwa Beständigkeiten von mehr als 1.500 Stunden im Salzsprühtest (ISO 9227) erreichen.        

Die Abscheidung amorpher Chemisch-Nickelschichten auf SiC für Spiegelflächen mit einer Rauheit unter 1 nm zum Einsatz im Weltraum war Thema des Beitrags von Tatjana Porwol, Universität Jena. Für die Haftfestigkeit wurden umfangreiche Phasengrenzuntersuchungen zur Definition einer geeigneten Sn und Pd Aktivierungsbedeckung durchgeführt.

Die Abscheidung von Aluminium aus ionischen Flüssigkeiten für Anwendungen in der Mikroelektronik bringt wesentliche Vorteile im Vergleich zu anderen Materialien. Die Schichten aus dem System EMlmCl/AlCl3 weisen allerdings eine zu hohe Rauheit auf. Durch Additive wie Toluol oder Niacin konnten die gewünschten Oberflächenwerte erreicht werden, wie Silvia Braun, Fraunhofer ENAS, berichtete.

Die Abscheidung von Schichten aus sechs- und dreiwertigen Chromelektrolyten auf Sulfat- und Chloridbasis führt zu deutlichen optischen Unterschieden gemessen im Lab-System. Birgit Möbius, SurTec Int., zeigte, dass sich bei geeigneter Wahl der Parameter Schichten aus den verschiedenen Elektrolyten mit den gewünschten Eigenschaften zielgerichtet erzeugen lassen.

Im Gegensatz zu der durch Ätzprozesse charakterisierten konventionellen Leiterplattenfertigung zeigt die additive Fertigung von Leiterplatten durch FDM-Druck (Fused Deposition Modelling) eine hohe Flexibilität im Design und ist vor allem für Prototypen/Kleinstserien geeignet. Für eine ausreichende Leitfähigkeit der Leiterbahnen müssen die Filamente allerdings durch außenstromlose Kupferabscheidung verstärkt werden. Die Rahmenbedingungen hierfür wurden im Vortrag von Lara Eggert, TU Ilmenau diskutiert.

Ebenfalls im FDM-Verfahren hergestellte Strukturen aus elektrisch leitfähigem Polypropylen waren Gegenstand des Referates von Axel Dittes, TU Chemnitz. Unter geeigneten Bedingungen ist eine direkte Verkupferung und somit eine raschere Prozessfolge möglich.

Die Gefahr einer Wasserstoffversprödung hochfester Bauteile durch galvanotechnische Behandlung stellt ein gravierendes Problem dar, das durch eine geeignete Wärmebehandlung vermieden werden kann. Im von Frank Schweizer, Fraunhofer IWM, vorgestellten Projekt wurde eine Datenbank entwickelt, bei der unter Eingabe der Prozessdaten die optimalen Wärmebehandlungsparameter ermittelt werden.

Die technische Vergoldung aus cyanidischen Elektrolyten ist gängige Praxis. Entsprechend REACH steht die Forderung nach cyanidfreien Elektrolyten seit langem im Raum. Im Beitrag von Lars Lehmann, Hochschule Mitweida, wurden die gängigen Alternativen diskutiert und neue Entwicklungen zur cyanidfreien Gold(1)Abscheidung aufgezeigt.

Die mathematische Modellierung galvanotechnischer Prozesse stellt eine wichtige zeitgemäße Forderung dar. Bekannte Verfahren betreffen die Schichtdickenverteilung, die Zusammensetzung von Legierungen, das Auflösungsverhalten von Anoden oder die Grenzstromdichte als wichtigen Kennwert einer Abscheidung. Stephan Daniel Schwöbel, TU Chemnitz, stellte in seinem Vortrag weitere Entwicklungen von entsprechenden Simulationsverfahren vor.

Der diesjährige Nachwuchsförderpreis an Mario Kurniawan, TU Ilmenau, ging an eine Arbeit, bei der eine Kupferoxidschicht auf einer ebenfalls abgeschiedenen stark offenporigen Kupfergrundlage abgeschieden wurde. Hierdurch wird eine sehr aktive halbleitende Oberfläche großer geometrischer Ausdehnung erzeugt, die bei Lichteinwirkung Wasser zersetzen kann. Sie bietet somit grundsätzlich die Möglichkeit der Wassersstofferzeugung ohne Stromeinsatz wie dies bei der Wasserelektrolyse erforderlich ist. Dies präsentierte der Preisträger in seinem Vortrag.  

Exorbitante Preissteigerungen bei der Energiebeschaffung sind für die energieintensiven Galvanik- und Beschichtungsunternehmen existenzbedrohend. Jährliche Zusatzkosten von einer Million und mehr, je nach Größe des Unternehmens, verlangen nach Strategien zur zukünftigen Energiebeschaffung.

Nach dem Einstiegsvortrag „Möglichkeiten des Energieeinkaufes: Gibt es Alternativen zum Festpreis?“ von Anke Herzel und Silvia Braun, bwh-energy GmbH, bot das Energieforum eine Diskussionsplattform, auf der die Unternehmer ihre Sorgen und Fragen zum Ausdruck brachten, aber auch eigene Überlegungen und Ausweichstrategien vorstellten.

Auditoren leben in einer sehr klar geregelten, schwarz-weißen Welt. Es geht immer um die dauerhafte Einhaltung von möglichst genau definierten Prozessen und Prozessparametern, wie Oliver Brenscheidt, Brenscheidt Galvanik Service, einleitend ausführte. Damit ist die Galvanik der natürliche Feind des Auditors. Denn hier geht es häufig genug darum, auf Prozessschwankungen zu reagieren, mit halbguten Vormaterialien zu arbeiten und unzählige Einflussparameter im Griff zu halten. Der Auditor denkt linear, der Galvaniker arbeitet in einem nur metastabilen Umfeld.

Das Kernproblem einer Auditierung ist nach Ansicht von Oliver Brenscheidt vielfach das klassische Sender-Empfänger-Problem. Beide packen ihre eigenen Erfahrungen und Positionen in die Interpretation der Kommunikation und das gelingt nur bedingt. Eine mögliche Lösung für die betroffenen Parteien wäre, sich jeweils in die Lage des Gegenübers zu versetzen und dessen Sichtweise zu durchdenken. Dem Unternehmer sollte darüber hinaus bewusst sein, dass er mit dem Erreichen des zu auditierenden Zertifikats gleichzeitig auch die Bereitschaft zum Audit öffentlich gemacht hat. Letztlich ist jedes Zertifikat und das damit verbundene Managementsystem nur dann sinnvoll im Unternehmen einzusetzen, wenn die entsprechende Kultur auch im Unternehmen gelebt wird.

Für viele Unternehmen gehört es inzwischen zum täglichen Erscheinungsbild: Die Zahl der zu lösenden Herausforderungen steigt stetig. Lieferprobleme, Systemwandel, Termindruck – und dann kommt nicht zuletzt aufgrund der Coronapandemie und dem fehlenden Nachwuchs der Fachkräftemangel dazu. Manuela Schmied-Wolfsbauer, think.doll Managementcoaching, zeigte Wege auf, um sowohl die Motivation des Führungspersonals als auch die der Mitarbeitenden im Unternehmen beizubehalten beziehungsweise zu steigern und so die Effizienz eines Unternehmens in der aktuellen Situation so hoch wie möglich zu halten.

Die mittelständischen Zulieferer in der Automobilindustrie sehen sich aufgrund der Entwicklung hin zur Elektromobilität, der Digitalisierung oder den CO2-Vorgaben aus dem EU-Klimaprogramm vor hohe Herausforderungen und erhöhten Transformationsdruck gestellt. Dabei sind die finanziellen Spielräume stark eingeschränkt, denn die Covid-19-Pandemie hat tiefe Spuren in der gesamten Autoindustrie hinterlassen. Erst 2023 rechnet der Mittelstand wieder mit dem Erreichen des Vorkrisenniveaus, sieht die Veränderungen der automobilen Wertschöpfungsstruktur aber gleichzeitig als existenzbedrohend. Hans Remsing, Deutsche Bank AG, befasste sich mit den Möglichkeiten, wie sich mittelständische Zulieferer künftig positionieren und die bestehenden Herausforderungen erfolgreich meistern können.

Zu den aktuellen Herausforderungen für Automobilzulieferer rechnet der Vortragende vor allem das Kapitalmanagement, die Deckung der Kostensteigerung unter Einbeziehung der Kunden, die Stabilität in der Beschaffung oder das Energiemanagement. Um diese Herausforderungen zu meistern, ist es nach Ansicht von Remsing notwendig, das Projektmanagement zu stärken, eine hohe Kostentransparenz und eine gute strategische Positionierung zu gewährleisten, die Vorteile des Standorts zu nutzen und sich intensiv mit der Marktentwicklung (Roadmap) zu befassen.

Unternehmen sind seit geraumer Zeit verstärkt Opfer gezielter oder auch ungezielter Angriffe aus dem Internet. Ziel ist, das angegriffene Unternehmen zu erpressen oder anderweitig zu schädigen. Die steigende Zahl an Homeoffice-Arbeitsplätzen, die ein weiteres, hohes Potenzial für Cyberkriminalität bieten, verstärkt das Problem. Wie sich Unternehmen gegen diese Gefahren schützen können, war Thema des gemeinsamen Vortrags von Steve Gödecke, Bosch CyberCompare, und Alexander Graf Bernadotte af Wisbor, BüchnerBarella.

Untersuchungen über alle Arten von Unternehmen hinweg zeigen, dass beispielsweise die Cybersicherheit im Bereich Automobil/Zulieferer oder Transport/Logistik bereits sehr hoch ist, wogegen kleine Unternehmen noch erheblichen Nachholbedarf aufweisen. Besonders hoch sind die Risiken unter anderem bei der Rollen-/der Rechteverwaltung oder dem Schwachstellenmanagement. Gute Ergebnisse im Hinblick auf mehr Sicherheit gegen Cyber-Risiken werden durch Backup-Konzepte oder die Umsetzung von Softwareupdates und Security-Patches erzielt. Schließlich zeigt es sich, dass vor allem in Bezug auf das Risikoempfinden bei den Mitarbeitenden und der Reaktionsfähigkeit im Falle von potenziellen Angriffen noch erheblicher Nachholbedarf besteht (siehe hierzu auch Fachaufsatz in ZVOreport 5/22).

Im Hinblick auf auftretende Schäden schlagen nach einer Analyse der Versicherung vor allem Kosten durch Betriebsunterbrechungen aufgrund von Systemabschaltungen oder Vertragsstrafen aufgrund verspäteter Auslieferungen zu Buche. Als Schutz gegen Schäden lassen sich mit entsprechenden IT-Feuerversicherungen die Datenverschlüsselung sowie die Betriebsunterbrechung abdecken. Die Schädigung von Dritten wird von der Betriebshaftpflicht abgedeckt.

Das Vorliegen einer rechtskonformen CE-Zertifizierung und Produktsicherheit von Anlagen wird sowohl von Berufsgenossenschaften als auch von Marktaufsichtsbehörden und vergleichbaren Stellen mit der vorgeschriebenen Dokumentation eingefordert, wie Jürgen Polath, Polath & Partner, in seinen Ausführungen betonte. Anlagenbetreiber erhalten beim Kauf einer neuen Anlage eine gültige CE-Erklärung mit den rechtlich notwendigen Unterlagen, womit sie erst einmal die Erfüllung ihrer Pflichten nachweisen.

Allerdings ist zu beachten, dass eine Änderung oder Erweiterung bei Anlagen und Geräten eine Änderung der CE-Erklärung oder die Ungültigkeit einer bestehenden Erklärung nach sich ziehen kann. Hier ist eine Prüfung durchzuführen, wie sie zum Beispiel im Interpretationspapier „Wesentliche Veränderung von Maschinen“, das von einer Arbeitsgruppe unter Federführung des Bundesministeriums für Arbeit und Soziales (BMAS) erarbeitet worden ist, aufgezeigt wird. Dieses besagt, dass eine wesentlich veränderte Maschine wie eine neue Maschine behandelt wird. In diesem Fall sind unter anderem die verschiedenen Risiken beim Betrieb zu klären, die Maßnahmen zur Risikominderung zu definieren und zu beschreiben oder neue Betriebsanleitungen zu erstellen.

Nach Ansicht von Caroline Genschmer von der Macio GmbH ist Digitalisierung für Unternehmen unabdingbar, um das Fortbestehen am Markt zu sichern. Allerdings ist ihre dringende Empfehlung, blinden Aktionismus zu vermeiden, da dieser in der Regel keinen Erfolg bringt. Wer sein Unternehmen nachhaltig und zu seinem Vorteil digitalisieren möchte, braucht hierfür eine Strategie. Verlockend ist ihrer Erfahrung nach der Blick auf Partner und Wettbewerber. Doch was beim Zulieferer oder Kunden funktioniert, muss im eigenen Unternehmen nicht unbedingt das gewünschte Ergebnis bringen.

Grundsätzlich kennt jedes Unternehmen die eigenen Strukturen und Ziele am besten. Allerdings sind häufig Prozesslücken nicht sofort zu erkennen, sodass das Hinterfragen der eigenen Prozesse hilfreich ist. Die unbefangene Sichtweise von externen Fachleuten kann hierbei sinnvoll sein. Um die richtigen Ansätze für eine Digitalisierungsstrategie zu erkennen, wird der Status quo in verschiedenen Bereichen des Unternehmens ermittelt und die bestehenden Prozesse werden aufgenommen. Mit diesem Wissen kann dann evaluiert werden, welche Probleme am dringendsten zu beheben sind oder wohin sich das Unternehmen in einzelnen Themen entwickeln soll.

Im Rahmen der Stadtquartierentwicklung Siemensstadt in Berlin wird ein Smart Campus der Zukunft angestrebt, ein offenes und nachhaltiges Konzept für Wohnen, Arbeiten und Leben auf einem historisch geprägten Industrieareal. Seit 1897 produziert auf diesem weitreichenden Gelände die Siemens AG mit einer hohen Fertigungsvielfalt und der entsprechenden Fertigungstiefe. Dazu gehörte auch eine Galvanik, ein genehmigter Störfallbetrieb mit erweiterten Pflichten. Die Siemens AG hat im Sinne einer nachhaltigen Zukunft beschlossen, den weiteren Betrieb der 70 Jahre alten Lohngalvanik einzustellen. Dr. Nina Dambrowsky, Siemens AG, erläuterte, wie diese Schließung abgewickelt wird.

Zunächst musste ein Carve-out diverser Beschichtungstechnologien von über 3.000 Artikeln erfolgen sowie ein Technologietransfer von hausinternen Entwicklungen. In diesem Zusammenhang erfüllt die Siemens AG natürlich auch die gesetzlichen Verpflichtungen des Bundes-Immissionschutzgesetztes (BImSchG): Nach einer Betriebseinstellung dürfen von den diversen Anlagen, aber auch vom Anlagengrundstück keine schädlichen Umwelteinwirkungen ausgehen. Die damit erreichte Wiederherstellung eines schadfreien Ausgangszustands ist Voraussetzung, um eine Umnutzung des Geländes im Interesse des Stadtquartiers sicherzustellen. Die Vortragende erläuterte, wie der Rückbau beziehungsweise die Schadstoffsanierung im kontaminierten Bereich erfolgte.

Dieter Lenzenhuber von MacDermid Enthone Industrial Solutions befasst sich seit vielen Jahren als erfahrener Fachmann mit dem Brandschutz in der Galvanotechnik. Den Angaben der Versicherungswirtschaft zufolge ereignen sich in galvanotechnischen Produktionsanlagen jährlich bis zu 80 Brände. Davon sind etwa zehn bis zwölf Großschäden zu verzeichnen, bei denen ein Gesamtschaden von mehr als 500.000 Euro entsteht. Der vor vier Jahren vom Verband deutscher Sachversicherer (VdS) unter dem Titel „Galvanotechnische Betriebe – Gefahren, Risiken, Schutzmaßnahmen“ veröffentlichte Sicherheitsleitfaden 3412 gibt eine Zusammenfassung des Gefährdungspotenzials und unterstützt den Anwender im Alltag mit übersichtlichen Listen zur Eigenüberprüfung in jedem Unternehmen.

Die Risiken beruhen Lenzenhuber zufolge vor allem auf einer kritischen Umgebungssituation der Galvanikbetriebe sowie auf einer besonderen Gemengelage in Verbindung mit dem Faktor Mensch. Zur Vermeidung von Brandschäden kommen seit einiger Zeit zum Beispiel Systeme auf Basis von olfaktorischer Detektion zum Einsatz. Zudem werden Geräte und Schaltschränke, die zu den häufigen Quellen von Bränden zählen, mit Stromtrenn- und Löschtechniken ausgestattet. Sensoren oder der Einsatz von Wärmetauschern runden die Möglichkeit zur Vermeidung von Brandquellen ab.

Um den Faktor Mensch mit einzubeziehen, sind nach Ansicht von Lenzenhuber gut ausgearbeitete Handlungsanweisungen zum Beispiel mit Notfall-Reaktionskarten sinnvoll. Eine Standardhandlungsanweisung (Standard Operating Procedure) hilft zum Beispiel, bei plötzlich eintretenden Brand- oder Havariegeschehen die wichtigsten Handlungsschritte einzuleiten und in der Aufregung nichts Wesentliches zu vergessen. Schließlich steht seit kurzer Zeit mit der systemtheoretischen Prozessanalyse (STPA) ein neues und effizientes Werkzeug zur Verfügung, das auf einem erweiterten Modell der Unfallverursachung basiert. Hier können auch Fälle durchgespielt werden, die bisher noch nicht in den betroffenen Betrieben aufgetreten sind.

Florian Nowack, BüchnerBarella, gab einen Einblick in die Brandschutzmaßnahmen zur Feuer- und Feuerbetriebsunterbrechungsversicherung für Betriebe der Oberflächentechnik. Wie er ausführte, haben aktuelle Feuergroßschäden den Druck auf den Sachversicherungsmarkt immens gesteigert. Die Versicherer reagieren mit einem restriktiven Zeichnungskurs und Maßnahmen im Brandschutz sowie durch Verknappung der Kapazitäten, Preiserhöhungen und der Nichtzeichnung einzelner Risiken.

Insbesondere die Anforderungen an den Brandschutz verschärfen sich zusehends. Ein adäquater Brandschutz kann die Versicherbarkeit langfristig sichern. Daraus leiten sich die Marktanforderungen für Betriebe der Oberflächentechnik ab, die der Vortragende vorstellte.

Für viele Unternehmen gehört es inzwischen zum täglichen Erscheinungsbild: Die Zahl der zu lösenden Herausforderungen steigt stetig. Lieferprobleme, Systemwandel, Termindruck – und dann kommt nicht zuletzt aufgrund der Coronapandemie und dem fehlenden Nachwuchs der Fachkräftemangel dazu. Manuela Schmied-Wolfsbauer, think.doll Managementcoaching, zeigte Wege auf, um sowohl die Motivation des Führungspersonals als auch die der Mitarbeitenden im Unternehmen beizubehalten beziehungsweise zu steigern und so die Effizienz eines Unternehmens in der aktuellen Situation so hoch wie möglich zu halten.

Wie Andreas Scholz, Aucos AG, eingangs seines Vortrags bemerkte, tauchte der Begriff der künstlichen Intelligenz (KI) bereits 1950 durch Alan Turing auf, die Technologie findet aber erst seit wenigen Jahren Einzug in die Praxis. Auch für die Oberflächentechnologie sieht der Vortragende praktische Vorteile, zunächst, wie in vielen anderen Bereichen, bei der Steuerungstechnik.

Im Fall der Oberflächentechnik liegt der Schwerpunkt auf der Erkennung von Beschichtungsfehlern, noch bevor die Ware in die Anlage eingefahren ist, und dem dynamischen Errechnen von Transportbewegungen nahezu in Echtzeit. Wichtige Elemente sind hier die Multiagenten-Systeme und neuronale Netze, durch die das Arbeiten im Bereich der Oberflächenbeschichtung nach den Vorstellungen des Vortragenden nachhaltig verbessert werden soll.

Sebastian Breuckmann, Ditec, zeigte in seinen Ausführungen, wie sich der Gedanke Industrie 4.0 in Bezug auf die Galvanik konkretisieren lässt. Aktuelle Umsetzungen belegen beispielsweise Fortschritte im Wartungsmanagement und bei der vorausschauenden Wartung (Predictive Maintenance), indem in der Praxis eine Steigerung der Verfügbarkeit bei gleichzeitig reduziertem Wartungsaufwand und damit im Endeffekt eine Erhöhung der Produktionsleistung zu erkennen ist.

Darüber hinaus liegt das Elektrolytmanagement im Fokus der Entwicklungen, wobei dieses hochkomplexe System mit vielfältigen Herausforderungen, aber auch Chancen aufwartet. Wichtig ist nach den Erfahrungen des Vortragenden der sinnvolle Einsatz von Künstlicher Intelligenz mit dem Ziel, die Wettbewerbsfähigkeit des Produktionsstandorts Deutschland zu erhöhen.

Dr. Andreas Ban, VDEh-Betriebsforschungsinstitut, stellte den Entwicklungsstand einer Methodik zur Bewertung von Verschleißschutzschichten für Umformwerkzeuge am Beispiel des Kaltwalzens von Stahlband mit chrom- und chemisch-nickel-beschichteten Walzen vor. Neben Experimenten wandte Ban numerische Methoden an, um den Verschleiß von Walzenbeschichtungen durch Schichtablösung zu modellieren. Ausgangspunkt für die Durchführung der Arbeiten war es, die Kosten bei der Herstellung von Bauteilen aus Leichtmetallen für Fahrzeuge zu reduzieren. Abhilfe soll unter anderem eine bessere Methode zur Bewertung des Verschleißes von Schichten auf Werkzeugen zum Kaltwalzen und Umformen schaffen.

Für die Untersuchungen wurden Chromschichten und Nickelschichten in Dicken von 20 µm beziehungsweise 50 µm (nur bei den Chromschichten) hergestellt. Ein wichtiges Kriterium bei einer derartigen Betrachtung ist die Schichthaftung. Dazu wurde unter anderem ein neuer Test zur Abscherung einer Beschichtung entwickelt. Zur Ermittlung der Abscherkraft wurden aus Nickel rechteckige Teststrukturen durch Anwendung der Fotolithographie hergestellt und diese unter Einsatz eines Nanoindenters abgeschert. Darüber hinaus wurden die hergestellten Strukturen zyklischen Belastungen ausgesetzt, wie sie auch beim Walzen auftreten. Bei einer Struktur mit 30 µm x 30 µm traten etwa 350 MPa an Scherkraft auf, unabhängig von der lateralen Belastung. Die Untersuchungen zeigen, dass durch die senkrechte Belastung der Teststrukturen deren Haftung stetig abnimmt. Allerdings traten bei den Versuchen keine Ablösungen auf.

Der Simulation lag ein Messmodell zugrunde, das durch akzeptabel kurze Rechenzeiten charakterisiert ist. Das Modell berechnete bei einer Beschichtung mit Nickel-Phosphor, dass nach 28.000 Belastungen lokale Schädigungen auftreten und ab etwa 160.000 Belastungen eine Schichtablösung beginnt. Die Ergebnisse wurden in einem Versuchsstand validiert.

Gerd Töberling, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, befasste sich mit dem Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißen von Mehrstofflegierungen sowie deren Anwendung. Die Schichten finden aktuell vor allem im Maschinenbau Verwendung, insbesondere zur Verminderung des Bauteilverschleißes.

Beim konventionellen Laserauftragschweißen wird auf der Oberfläche vorhandenes Pulver aufgeschmolzen. Beim Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißen wird das Pulver dagegen durch eine Düse in den Laser eingesprüht und kann daher bereits vor dem Auftreffen bis auf Schmelztemperatur aufgeheizt werden. Damit wird der Prozess schneller, die Substratoberfläche erfährt eine geringe thermische Belastung und es lassen sich deutlich dünnere Schichten herstellen.

Neu ist die Abscheidung von martensitischen Hartstoffschichten mit hohen Abscheidegeschwindigkeiten, ohne dass Vermischungen zwischen Substrat und Schicht auftreten und nur ein geringer Wärmeeintrag in das Substrat stattfindet. Ebenfalls neu ist die Beschichtung mit Hochentropielegierungen. Den Auftragsmetallen sind nichtmetallische Elemente wie Bor, Silizium oder Kohlenstoff beigemischt, wodurch intermediäre Phasen entstehen. Da die Legierungen sehr teuer sind, bietet das lokale Auftragen auf ein Substrat Vorteile. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Schichten keinen Abbrand zeigen.

Im letzten Beitrag der Reihe gab Dr. Roy Morgenstern von der TU Chemnitz einen Einblick in seine Arbeiten über die Strategie zur Lokalisierung der Schichtbildung bei der anodischen Oxidation mittels Elektrolytfreistrahl. Eine lokale Anodisation ist zum Beispiel im Falle des Verschleißschutzes bei hochbeanspruchten Bauteilen wie Zahnrädern oder Zylindern üblich. Ähnliche Anforderungen, allerdings in Form von galvanischer Abscheidung, sind bei elektrischen Kontakten zu finden. Oftmals werden zu diesem Zweck Abklebetechniken oder Tamponanodisieren eingesetzt.

Neu ist die Verwendung von Anlagen zum Einsatz der Elektrolytfreistrahltechnologie. Hierbei wird der Strahl aus einer Düse mit einem Arbeitsabstand von etwa 2,5 Millimetern vor der zu beschichtenden Oberfläche angebracht. Die erzeugten Schichtdicken liegen im Bereich von 1 µm. Geringe Variationen bei den Schichtdicken lassen sich über den Arbeitsabstand der Düse vor der Oberfläche erzielen. Die Schicht weist die übliche poröse Struktur auf.

In neueren Arbeiten werden eine gepulste Spannung und eine Drahtelektrode eingesetzt. Die hierbei erzeugte Schicht weist eine sehr gleichmäßige Dicke über einen kreisförmigen Punkt auf, wobei die Schichtdicken mit bis zu 2,5 µm deutlich höher ausfallen. Ein weiterer neuer Ansatz ist die Verwendung einer Koaxialdüse, bei der in der Mitte der Elektrolyt und ringförmig darum herum Wasser aufgesprüht wird. Damit kann die Korrosion des umgebenden Aluminiumbasismaterials reduziert und die Art der Oxidschicht verändert werden.

CQI ist nicht nur ein Titel der AIAG (AIAG – Automotive Industry Action Group), sondern auch Programm und steht für Continuous Quality Improvement, also für die kontinuierliche Qualitätsverbesserung, wie Andreas Redaoui, TopQM-Systems AG, betonte. Die beiden Standards CQI-11 und CQI-12 wurden von Praktikern entwickelt und sind mit jeweils der Version 3 nochmals deutlich konkreter und praxisnäher gestaltet worden. Sie stellen Best Practices im Hinblick auf die spezifischen Qualitätsanforderungen für die unterschiedlichen Verfahren der Oberflächenbeschichtung bei der Produktion von Fahrzeugbauteilen dar.

Die Standards im Bereich Oberflächentechnik wurden erarbeitet, um die angebotenen Qualitäten der zahlreichen Dienstleister im Bereich der Oberflächenbeschichtung sowie die stetig steigenden Kundenanforderungen in einen Rahmen zu fassen und vergleichbar zu machen. Enthalten sind unter anderem Prozesstabellen für die verschiedenen Oberflächenausführungen wie etwa galvanische Zinkbeschichtung, mechanisches Plattieren, galvanische Schichten auf Kunststoffen, Hartchromschichten, chemisch abgeschiedene Nickelschichten, Verfahren zur Vermeidung von Wasserstoffversprödung, Reinigung, mechanische Vorbehandlung oder auch Lackierungen. Die Inhalte bezüglich der Grunddaten haben sich mit den verschiedenen Erweiterungsstufen nicht verändert, während die Fragetechnik vereinfacht wurde. Insgesamt ist aber der Zusatzaufwand bei den Einzelanforderungen nach Aussage des Vortragenden relativ hoch und durch Prozesstabellen umfangreicher geworden.

Dr. Gunther Wiehl, SurTec Deutschland GmbH, gab einen Einblick in die Rolle der Anodentechnik für den stabilen Betrieb von dreiwertigen Chromelektrolyten in der industriellen Fertigung, wie er ihn in Zusammenarbeit mit Dr. Schneider, Metakem GmbH, ermittelt hat. Für die Industrialisierung dieser Verfahren und das Erreichen hoher Prozessstabilitäten ist die direkte Verzahnung zwischen Mischoxid-Anodentechnik und Elektrolyteigenschaften von hoher Bedeutung. Auch wenn moderne Elektrolyte eine gewisse Menge an sechswertigem Chrom puffern können, müssen die Anoden die Entstehung von sechswertigen Chromionen so gut wie möglich verhindern.

Zur Prüfung der Eignung von Anoden wurde ein Testelektrolyt entwickelt, der eine hohe Sensibilität für Chrom(VI)-Ionen besitzt und unter gleichen Prüfbedingungen wiederholbare Mengen an Chrom(VI) erzeugt. Das System eignet sich für den Einsatz in Hullzellen, sodass auch die Abscheidungen nach klassischer Verfahrenstechnik bezüglich Streufähigkeit oder Glanz geprüft werden können. Bei einem Vergleich verschiedener Anodentypen schnitt elektrolytoffenes Titan sehr gut ab. Eine Neuentwicklung der Metakem trägt zur Minderung der Kosten für die Aufrechterhaltung eines optimalen Prozesses bei.

Die Performance von E-Fahrzeugen hat sich in den vergangenen fünf Jahren schnell weiterentwickelt. In dieser Zeit konnten jedoch die potenziellen Fahrzeugkäufer noch nicht ausreichend überzeugt werden, insbesondere durch die noch begrenzte Reichweite der Fahrzeuge, die benötigte Zeit zum Aufladen der Batterien sowie die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit. Autohersteller versuchen den Erfahrungen von Rainer Venz, ESI Automotive/Coventya International GmbH, zufolge, Fahrzeugsysteme in Bezug auf Kosten, Performance und Unterscheidung zum Wettbewerber zu optimieren. Werkstoffe, die in Fahrzeugbatterien, Wechselrichtern, Motoren sowie in Fahrerassistenzsystemen eingesetzt werden, haben signifikanten und messbaren Einfluss auf die Fahrzeugleistung.

Die optimierte Auswahl von Werkstoffen für Oberflächen- und Fügetechnik in Kombination mit Qualitätssystemen hilft, die Anforderungen an die verwendeten, vornehmlich elektronischen, Komponenten zu verbessern und die gestellten Anforderungen zu übertreffen. Rainer Venz zeigte am Beispiel von Komponenten für Fahrerassistenzsystemen, wie die Materialauswahl für Werkstoffe in der Oberflächen- und Fügetechnik sowie deren Zusammenspiel die Zuverlässigkeit von elektrischen und elektronischen Bauteilen und Baugruppen optimieren kann (siehe hierzu auch Fachaufsatz in ZVOreport 5/22).

Salvatore Bongiorno von der Galvatore Plating & Equipment stellte in seinem Vortrag ein neues System einer Gestellisolierung vor, das eine Absorptionsbarriere als Sperrschicht zur Vermeidung von chemischen Reaktionen bietet. Dadurch werden eine Gestellmetallisierung und die unerwünschte Oxidation von Manganionen zu Braunstein minimiert. Anwender erzielen ein stabileres chrom(VI)-freies Beizsystem und können eine konstante Prozessführung sicherstellen.

Das Thema Nachhaltigkeit erhält einen immer größeren Stellenwert in der Gesellschaft – und wird auch für Kleinunternehmen ebenso bedeutsam wie für Konzerne, wie Andreas Redaoui, TopQM-Systems AG, betonte. Um in diesem Bereich die richtigen Aktivitäten in Gang zu setzten, sind im Vorfeld unter anderem Fragen dahingehend zu klären, welche Methoden und Anforderungen am wichtigsten für das Unternehmen sind oder wie ein Nachhaltigkeitskonzept im Unternehmen umgesetzt werden kann.

Die SAQ-4.0-Leitlinie des Herausgebers Drive Sustainability wird bereits von vielen Kunden gefordert (SAQ – Self-Assessment Questionnaire). Drive Sustainability ist eine Partnerschaft von elf führenden Automobilunternehmen, die den Wandel hin zu einer kreislauforientierten und nachhaltigen Wertschöpfungskette in der Automobilindustrie vorantreiben wollen. Ziel ist es, die Nachhaltigkeit in der gesamten automobilen Lieferkette zu verbessern. SAQ 4.0 ist eine Selbstbewertung zur Nachhaltigkeit auf einer von OEMs gemeinsam entwickelten Internetplattform für alle weltweiten Zulieferer. Von den Zulieferern wird erwartet, dass sie diese Leitlinien der Automobilindustrie zur Verbesserung der Nachhaltigkeit einhalten und bestätigen. Auch immer mehr Non-Automotive-Kunden nehmen an SAQ 4.0 teil.

Herkömmliche Heißlufttrockner bringen nach den Erfahrungen von Reinhold Specht, Harter GmbH, oft nicht den gewünschten Erfolg. Die Trocknung ist deshalb vielerorts das Nadelöhr in der Fertigung. Darüber hinaus verbrauchen Trockner je nach Bauart viel Energie. Ein alternatives Trocknungsverfahren, das vom Staat als förderfähige Technologie eingestuft wurde, ist die Kondensationstrocknung auf Wärmepumpenbasis. Diese Art der Trocknung basiert auf dem Verfahren der Kondensation und hebt sich dadurch von herkömmlichen Verfahren ab. Durch die Entfeuchtung mit extrem trockener Luft im energetisch geschlossenen System werden Produkte schnell, sicher und energiesparend getrocknet.

Die Trocknung findet in einem variablen Temperaturbereich von 20 °C bis 90 °C, je nach Bauteil und Prozess, statt. Das Verfahren ist flexibel einsetzbar – für Batchbetrieb oder kontinuierliche Anwendungen. Neben Chargentrocknern wie Gestelltrocknern ist auch die Trocknung von Schüttgütern direkt im Behältnis möglich. Darüber hinaus eignet es sich zur Trocknung von industriellen Schlämmen aus der Abwasserreinigung.

Rainer Klein, Spiraltec GmbH, befasst sich seit vielen Jahren mit der ressourceneffizienten Wertstoffrückgewinnung durch den Einsatz kombinierter Verfahren aus sauren oder alkalischen Prozesslösungen. Er stellte die Funktionsweise der praxiserprobten Diffusionsdialyse zum Recycling von Wertstoffen als Stand-alone-Technologie in Prozessabwässern dar. Das Verfahren bietet sich auch als effiziente Komponente eines Wertstoff-Recyclingsystems mit anderen Verfahren an, insbesondere für Ultra- oder Nanofiltration zur Wertstoffrückgewinnung aus organisch belasteten sauren oder alkalischen Prozessabwässern, auch mit geringen Wertstoffgehalten. Die physikalische Technologie der Diffusionsdialyse ist platz- und energiesparend.

Daniel Schlak, Deutsche Metrohm Prozess­analytik, und Dr. Thomas Moritz, Hillebrand Chemicals, stellten ein System zur kontinuierlichen Analyse organischer Additive in Echtzeit mittels Raman-Prozess-Spektroskopie zum Einsatz in der Galvanotechnik vor. Die Raman-Prozess-Spektroskopie ermöglicht es, organische Parameter im Minutentakt und direkt inline zu analysieren.

Schlak ging im ersten Teil des Vortrags auf die Grundlagen des Spektroskopieverfahrens ein. Die wesentlichen Vorteile der Ramanspektroskopie sind die einfache Implementierung in den Prozess sowie die Möglichkeit, in stark wässrigen Medien ohne weitere Probenvorbereitung und sehr selektiv zu analysieren. Mit dem Messverfahren lassen sich Festkörper, Flüssigkeiten und Gas schnell und zerstörungsfrei erfassen. Der Prozessanalysator besteht aus einer Durchflusszelle, Lichtleiter sowie Spektrometer in einer geschützten Einhausung mit Auswerteeinheit. In Kombination mit einem Multiplexer können kosteneffizient mehrere Messstellen mit einem System überwacht werden, einschließlich der Einrichtung eines Referenzsystems.

Die Umsetzung der Technologie bei der Hillebrand Chemicals erläuterte Dr.  Moritz anhand eines Praxisbeispiels zur Überwachung von Zink-Nickel-Elektrolyten. Bei Hillebrand Chemicals wurde das spektroskopische System mittels externer Standards verifiziert und wird inzwischen für die automatische QM-Prüfung herangezogen.

Schichtdickenmessungen im industriellen Umfeld werden vorteilhafterweise mit hoher Geschwindigkeit und Genauigkeit bei höchster Stabilität durchgeführt. Idealerweise können die Prüfsysteme zudem berührungslos, zerstörungsfrei und in Bewegung messen. Jörg Mülleneisen, OptiSense GmbH, stellte dazu ein entsprechendes neuartiges Sensorkonzept vor.

Der Fokus liegt auf einem RAIS-Sensorsystem (RAIS – Redundant Array of Independent Sensors), bei dem eine große Anzahl von miniaturisierten Sensoren im Verbund arbeitet. Der Ausfall von einzelnen Sensoren bleibt ohne Auswirkung. Der Schwarm-Sensorverbund sorgt zudem dafür, dass Daten nicht verloren gehen und die Messstation permanent verfügbar bleibt. Als Messverfahren kommt zum Beispiel das photothermische Prinzip zur Anwendung.

Die Sensoren werden durch Datenverarbeitungskomponenten kombiniert und so Kalibrierungsvorgänge minimiert. Durch den Einsatz der Robotertechnik lassen sich die Messgenauigkeit und vor allem die Wiederholgenauigkeit deutlich erhöhen, wie an Beispielen aus der Praxis des Lackierens von Fahrzeugen gezeigt werden kann (siehe auch Fachaufsatz in ZVOreport 5/22).

Mit Pulse-Plating lassen sich in einem Beschichtungsprozess Eigenschaften, wie Streufähigkeit, Feinkornhärtung oder die Variation von Legierungszusammensetzungen durch Variation der Stromdichte beliebig schnell einstellen oder ändern. Nach Ansicht von Dr. Ingolf Scharf, ProtectCoat Oberflächentechnologie UG, könnte dies erlauben, auf Chemikalien zu verzichten, die diese Eigenschaften gewöhnlich gewährleisten, und somit den Beschichtungsprozess deutlich umweltfreundlicher zu betreiben. Die technische Anwendbarkeit wird jedoch durch die äußerst große Anzahl von elektrischen Parametern und verschiedenen Elektrolyttypen und Zusammensetzungen eingeschränkt.

Zudem existiert keine Modellvorstellung, die eine Übertragbarkeit in den industriellen Maßstab gestattet. Der Vortragende befasst sich mit den Lösungsmöglichkeiten, um Pulsparameter sowie Grenzstromdichten aus Elektrolytzusammensetzungen vorherzusagen. Daraus lassen sich Aussagen zur industriellen Skalierbarkeit treffen.

Um effizienter arbeiten zu können und ihre Produktion zu optimieren, befassen sich Lohnveredler nach den Erfahrungen von Michael Hellmuth, Softec AG, mit unterschiedlichen Fragen. Diese richten sich beispielsweise auf die Flexibilität der Produktion, eine bessere Einhaltung von Fertigstellungsterminen oder auf die Ermittlung von Fertigstellungsdaten.

Antworten auf diese Fragen ergeben sich nach Ansicht des Vortragenden daraus, relevante Daten zu sammeln und so aufzubereiten, dass daraus verständliche Informationen werden. Einer der Knotenpunkte bei der Datenverarbeitung im Unternehmen kann ein ERP-System sein. Während Daten zur Auftragsabwicklung zum Standard gehören, spielen Daten direkt aus der Produktion bisher meist nur eine sekundäre Rolle.

Je nach Art und Aufbau eines Fertigungsbetriebs bieten sich verschiedene Lösungswege an, um ein bestehendes ERP-System besser mit der Produktion zu verzahnen. Diese reichen von statischen Lösungen wie Produktionsbildschirmen und BDE-Terminals über Rückmeldungen per App bis hin zur Anlagenkopplung mit Schnittstellen, die automatisiert Daten übermitteln. Der Fokus der Überlegungen von Michael Hellmuth liegt auf dem Einsatz von Apps im Produktionsprozess. Diese besitzen deutliche Vorteile bei der Datenerfassung direkt vor Ort und erlauben wie im Falle von Augmented Reality eine Visualisierung von gewonnenen Daten.

Den Vortragsblock über Funktionsschichten eröffnete Dr. Sigrid Benfer, Dechema Forschungsinstitut, mit der Vorstellung der Arbeiten zur Erzeugung von photokatalytisch aktiven Aluminiumoberflächen durch Einbringen von Titandioxid(TiO2)-Nanopartikel in Anodisierschichten. Derartig funktionalisierte Oberflächen sollen den Abbau von NOx in der Luft ermöglichen, was insbesondere für Ballungszentren mit hoher Luftbelastung durch den Verkehr von Interesse ist. Da die Schichten für Fassadenelemente eingesetzt werden, sollten sie auch einen gewissen dekorativen Effekt haben.

Die Herstellung der Schichten erfolgt nach einer optimierten Vorbehandlung, bestehend aus Entfettung und Beizen. Anschließend wird so anodisiert, dass im optimalen Fall Poren mit Durchmessern > 100 nm und Schichtdicken von etwa 2 µm entstehen. Die Porenweite hängt stark von der Temperatur und der Anodisierspannung ab, während der Einfluss der Zeit eher gering ist. Im vorliegenden Fall erfolgte die Anodisation mit Phosphorsäure, bei der die Säurekonzentration auch darüber entscheidet, ob Poren im Laufe der Anodisation verschlossen werden. Das eingesetzte Titandioxid ist durch Partikelgrößen von etwa 20 nm bis etwa 80 nm charakterisiert. Die Herausforderung besteht darin, höhere Konzentrationen in Lösung zu halten, ohne dass eine merkliche Agglomeration stattfindet. Wichtig ist zudem, dass die anodisierten Schichten in einem Nass-in-Nass-Ablauf vom Anodisiermedium in die Lösung mit Titandioxid gebracht werden. Der Füllgrad kann durch die Ziehgeschwindigkeit der Aluminiumoberfläche in der Partikelemulsion verändert werden.

Die Oberflächen zeigten in entsprechenden Tests ein photokatalytisches Verhalten, das durch den NOx-Abbau nachgewiesen werden kann. Die durchgeführten Korrosionstests erbrachten keine nennenswerten Veränderungen, so dass ein Einsatz von sauren Aluminium- und Fassadenreinigern möglich ist.

Christoph Kiesl vom Forschungsinstitut Edelmetalle + Metallchemie fem in Schwäbisch Gmünd stellte seine Arbeiten zum Kontakt- und Langzeitverhalten von selbstschmierenden Silber-Dispersionsbeschichtungen in stromtragenden Verbindungen der Elektroenergietechnik vor, insbesondere in elektrischen Kontakten. Durch Schichten mit tribologischen Eigenschaften kann der Abrieb von Steckkontakten für hohe Energieübertragung verringert und damit eine längere Standzeit erzielt werden.

Silber kann aus cyanidischen und cyanidfreien Systemen abgeschieden werden, wobei cyanidhaltige Systeme deutlich Ergebnisse im Falle der Dispersionsabscheidung zeigen. Als Dispersionsstoffe mit guten Reibeigenschaften kommen Graphit, Molybdänsulfid, Wolframsulfid, Zinnsulfid oder Bornitrid in Betracht. Es ist insbesondere darauf zu achten, Agglomeration zu vermeiden, zum Beispiel durch Verwendung von Ultraschall. Als aussichtsreicher Zusatz wurde in die Silbermatrix auf Basis von Vorversuchen für die Abscheidung Graphit als Dispersionsstoff ausgewählt. Im vorliegenden Fall weisen die Partikel eine längliche Form auf, wobei etwa 6 Prozent Graphit eingelagert wurden. In einer weiteren Versuchsreihe wurde Molybänsulfid eingebettet, bei dem etwa 3 Prozent Partikelanteil in der Silberschicht gemessen wurden.

Die Messungen zum tribologischen Verhalten ergaben für Schichten mit Graphit, Molybdänsulfid und Wolframsulfid günstigste Werte, während hexagonales Bornitrid oder Bismutsulfid relativ schlecht abschnitten. Auch eine Auslagerung bei 180 °C änderte das tribologische Verhalten nicht nennenswert. Die Härte fällt durch die Einlagerung gegenüber einer Silberschicht ohne Dispersionsstoff etwas ab, allerdings bleiben die Härtewerte im Gegensatz zu reinem Silber durch eine Auslagerung unverändert; bei reinem Silber ohne Einlagerung sinkt die Härte von etwa 100 HV0,003 auf etwa 60 HV0,003.

Das Whiskerwachstum spielt im Bereich der Elektronik eine Rolle. Dr. André Egli, RIAG Oberflächentechnik AG, befasst sich in diesem Kontext mit der Geschwindigkeit der Zinnkorn-Rekristallisation einerseits und der intermetallischen Phasenbildung andererseits; beides bestimmt das Whiskerwachstum von galvanischen Zinnschichten. Solche Whisker können bei Durchmessern im Mikrometerbereich bis zu mehrere Millimeter lang werden und bei elektronischen Schaltungen zu Kurzschlüssen führen.

Bisher als gesichert gilt, dass durch Eindiffusion von Kupfer in Zinn die beiden Metalle zu intermetallischem Cu6Sn5 reagieren und sich hierbei Druckspannungen aufbauen. Dies wiederum soll nach bisher herrschender Ansicht zur Whiskerbildung führen. Untersuchungen zeigten, dass entlang von Korngrenzen der Zinnschicht durch Kupfereindiffusion Cu6Sn5-Kristalle mit sehr unterschiedlichen Größen entstehen. Interessant ist zudem, dass sich Kupferlegierungen in der Auslösung des Wachstums der intermetallischen Phasen deutlich unterscheiden können. Die Kristallgeometrie der Zinnschichten und des Kupfersubstrats beziehungsweise deren Vorzugsorientierung haben einen Einfluss auf das Whiskerwachstum. Naheliegend ist, dass die Oxidschicht einen Druckabbau verhindert. Nur dort, wo die Oxidschicht Schwachstellen besitzt, könnten dann Whisker entstehen. Durch Umschmelzen kann Whiskerwachstum verhindert werden (siehe auch Fachaufsatz in ZVOreport 5/22).

Für bestimmte Anwendungen in der Automobilelektronik bietet sich der Einsatz von Aluminiumlegierungen gegenüber den üblichen Kupferlegierungen an. Dr. Heidi Willing vom Forschungsinstitut Edelmetalle + Metallchemie fem in Schwäbisch Gmünd, befasst sich mit der Prozessentwicklung für Aluminium als Werkstoff für Leiter und Steckverbinder in der Automobilelektronik unter Einsatz von angepassten Zinnlegierungsschichten. Auch wenn Aluminium als Werkstoff für Beschichtungen eher unbeliebt ist, bietet es doch interessante Eigenschaften, vom Gewicht über die Leitfähigkeit bis hin zur Beständigkeit unter atmosphärischen Bedingungen und dem günstigeren Rohstoffpreis. Weniger positiv schneidet Aluminium allerdings bei den mechanischen Eigenschaften (E-Modul, Kriechfestigkeit) oder der galvanischen Beschichtbarkeit ab. Abhilfe kann die Beschichtung von Aluminiumsubstraten mit Zinn schaffen.

Um die Qualität der Beschichtung im Hinblick auf Haftfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Kontaktwiderstand festzustellen, wurden verschiedene Aluminiumlegierungen, Vorbehandlungsserien und Elektrolytsysteme untersucht. Als Ausgangsmaterial kamen unter anderem Al99,5, AlMg3 oder AlZn5,5MgCu zum Einsatz. Für die Vorbehandlung wurden kommerziell verfügbare Zinkatverfahren gewählt. Beschichtet wurden die Proben mit Zinn-Silber und Zinn-Zink. Eine Beschichtung mit Zinn-Silber kommt üblicherweise in der Bandbeschichtung zum Einsatz, eine Abscheidung von Zinn-Zink in der Gestellbeschichtung.

In den durchgeführten Untersuchungen zeigten die Kombinationen mit einer Nickelschicht auf den Werkstoffen AlZn5,5MgCu und AlMg3 die besten Ergebnisse bezüglich der Haftung der Beschichtung auf dem Substrat. Die Übergangswiderstände zeigten nur geringe Unterschiede bei den untersuchten Kombinationen. Die Korrosionsbeständigkeit der Proben fiel ungünstig aus, wobei Zinn-Zink noch am besten abgeschnitten hat. Grundsätzlich ist die Oberflächengüte ein wichtiges Kriterium; dieses konnte nur bedingt erfüllt werden. Allerdings ist eine Beschichtung wie sie in den Arbeiten durchgeführt wurde, für den Einsatz als elektrischer Leiter den erfolgten Untersuchungen zufolge möglich.

Durch die Vorgaben der REACH-Verordnung befasst sich Bosch als großer Automobilzulieferer intensiv mit der Suche nach Alternativen zu Beschichtungen auf Basis von Chrom(VI). Dr. Martina Bubrin, Robert Bosch Manufacturing Solutions GmbH, stellte in ihrem Vortrag die Ansätze der bisher durchgeführten Arbeiten auf diesem Gebiet vor. Hierbei stehen die Hartchromschichten im Fokus, die zum Beispiel für Ventile oder Pumpen genutzt werden. Bei diesen Schichten spielen Härte, Duktilität, Verschleiß oder Korrosionsbeständigkeit eine wichtige Rollen.

Als 2011 Chrom(VI) in Anhang 14 der REACH-Verordnung aufgenommen wurde, lag der Umsatz der Beschichtungen mit Hartchrom im Milliardenbereich. Bosch hat daher eine Eigenautorisierung beantragt und 2016 eine Zulassung für zwölf Jahre erhalten. Allerdings ist der Einsatz für die erteilte Zulassung für Einspritzpumpen stark eingeschränkt. Bei Bosch wird neben der genauen Prüfung, ob eine Hartchrombeschichtung unumgänglich ist, auch die Möglichkeit in Betracht gezogen, sie auf Standorte außerhalb der EU zu verlagern. Zudem wird nur in geschlossenen Anlagen mit sehr geringen Mengen an Chromsäure gearbeitet.

Auf der Suche nach Alternativen wurde auch zum Beispiel eine galvanische Nickel-Wolfram-Abscheidung getestet. Eine weitere Technik, die geprüft wurde, ist das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen HVOF. Gute Schichteigenschaften besitzen PVD-Schichten (CrN + DLC) mit guter Korrosions- und Verschleißbeständigkeit sowie magnetischer Entkopplung. Für eine bisher durch eine Hartchrombeschichtung geleistete Anwendung konnte als Ersatz eine PVD-Beschichtung mit Einlagerungen als Ersatz realisiert werden.

Gesetzliche Auflagen, insbesondere die Chemikalienverordnung REACH, ein generelles Interesse an umweltfreundlichen Verfahren sowie Trends zur Individualisierung (Farbe) und spezielle Anforderungen an den Korrosionsschutz zählen zu den Auslösern für eine zunehmende Anwendung von Chrom(III)-Verfahren. Rolf Pofalla von der MacDermid Enthone GmbH wies in seinen Ausführungen darauf hin, dass sich dreiwertige Chromverfahren hinsichtlich der erzielbaren Schichteigenschaften je nach Verfahren mehr oder weniger stark von Schichten aus Prozessen auf Basis von Chrom(VI) unterscheiden. Wichtige Kriterien bei der Implementierung eines oder auch mehrerer geeigneter Chrom(III)-Verfahren sind die unterschiedlichen Anforderungen der OEM-Spezifikationen.

Die unterschiedliche Elektrolytzusammensetzung und die Verfahrenswartung einschließlich unterschiedlicher Anlagenkomponenten beim Betrieb von Chrom(III)-Verfahren sowie einer REACH-konformen Nachbehandlung erfordern eine sorgfältige Planung bei der Implementierung. Und mit zunehmenden Anwendungen dieser Verfahren stehen darüber hinaus umwelttechnische Gesichtspunkte wie Abwasserbehandlung, Energiebedarf und Anodenstandzeit stärker im Fokus und sind ebenfalls wichtige Kriterien bei der Entwicklung von neuen, optimierten Verfahren.

Die additive Fertigung von Bauteilen aus Kunststoffen hat in den vergangenen Jahren enorm an Bedeutung gewonnen. Zwar ist auch der 3D-Druck von Metallen mittlerweile etabliert, steht technisch jedoch im Vergleich zu Kunststoffen vor wesentlich größeren Hürden. Umso mehr sind Kombinationsverfahren interessant, die auf der Fertigung von Kunststoffbauteilen mit anschließender Metallbeschichtung basieren. Sie können in vielen Fällen Vollmetallteile bei geringeren Kosten und meist besseren Oberflächenqualitäten ersetzen. Dr. Jürgen Hofinger, Biconex GmbH, befasst sich seit mehreren Jahren intensiv mit der Entwicklung von Verfahren zur Metallisierung von Kunststoffen ohne den Einsatz von umwelt- und gesundheitskritischen Substanzen. Voraussetzung für einen praxisfähigen Einsatz von Kunststoff mit Metallschichten ist eine ausreichende Schichtdicke, für die vor allem die galvanische Abscheidung prädestiniert ist, sowie ein Verfahren, das ohne die Verwendung von Chromtrioxid auskommt.

Die verschiedenen Verfahren der additiven Fertigung für Kunststoffbauteile unterscheiden sich nicht nur in der Oberflächenstruktur, sondern auch durch die verschiedenen verwendeten Kunststoffe. Neben ABS und Polyamiden werden unterschiedliche Materialien verarbeitet, die oft nur über Handelsnahmen identifiziert werden können und deren Zusammensetzung nicht genau bekannt ist.

Dr. Hofinger verglich und bewertete die verschiedenen Strategien und Verfahren zur chemisch-galvanischen Beschichtung von 3D-gedruckten Kunststoffbauteilen. Neben den Einflussgrößen und Ansätzen zur Vorbehandlung von verschiedenen gängigen Materialien und den damit erzielten Haftfestigkeiten spielen die Möglichkeiten und Grenzen der Optimierung der Oberflächenqualität durch Veredelungsschritte nach dem eigentlichen 3D-Druck eine wichtige Rolle. Dies hat der Vortragende in den vergangenen Jahren an konkreten Bauteilen untersucht und zahlreiche Möglichkeiten für deren Einsatz qualifiziert.

Vanessa Meinhold (M.Sc.), TU Chemnitz, bot in ihrem Vortrag eine mechanistische Betrachtung der Abscheidung einer Eisen-Chrom-Nickel-Legierung aus einem Elektrolyten auf Basis von Chrom(III)-Verbindungen. Motivation für die Durchführung der Untersuchungen war, dass eine Legierungsabscheidung durch die Schonung von Ressourcen zu mehr Nachhaltigkeit führt. Hochlegierte Stähle wie 1.4301 (FeCr18Ni8) werden als Bulkwerkstoff standardmäßig für Anwendungen eingesetzt, die hohe Anforderungen an die Korrosions- und Verschleißbeständigkeit stellen. Eine Konstruktion aus kostengünstigeren Werkstoffen wie niedriglegierten Stählen mit metallischen Fe-Cr-Ni-Überzügen (abgeschieden aus nicht toxischen Chrom(III)-Elektrolyten) kann einen Ersatz darstellen und erheblich die Kosten senken.

Die in einem entsprechenden Elektrolyten enthaltenen Elemente Chrom und Nickel sind in der Lage, durch ihre Passivierung hohe Korrosionsbeständigkeiten und durch ihre geringe adhäsive Neigung eine hohe Verschleißbeständigkeit zu sichern. Des Weiteren bieten diese Legierungsschichten neben den erwähnten Eigenschaften eine Substitutionsmöglichkeit von Schichten, die bisher aus REACH-regulierten Chrom(VI)-Elektrolyten abgeschieden werden. Gegenüber klassischen Schichten aus Chrom(VI)-Verfahren bietet eine direkte Applikation von rissfreien und dicken Fe-Cr-Ni-Schichten (bei Schichtdicken von mehr als 10 µm) den Vorteil, dass aufwändige und teure Zwischenschichten aus Kupfer und Nickel nicht mehr benötigt werden.

Dr. Julius Gröne, Matthews International, bot mit seinem Vortrag einen Einblick in die aktuelle Situation im Tiefdruck, die sich aus den Bemühungen zur Vermeidung der Chromabscheidung aus Chrom(VI)-Verfahren ergibt. Im Tiefdruck werden Stahlwalzen verkupfert und anschließend bebildert. Die Bebilderung erfolgt in der Regel mittels Laser, elektromechanischer Gravur oder durch Autotypie. Abschließend wird die bebilderte Oberfläche verchromt, bisher mit Verfahren auf Basis von sechswertigem Chrom.

Alternative Technologien müssen bei den relevanten Eigenschaften vergleichbar und zu vergleichbaren Kosten anwendbar sein. Viele Ansätze, wie beispielsweise mit harten Partikeln dotierte Nickelschichten, sind hier aufgrund der zusätzlichen Gravur nicht möglich. Um Fehler in der Bebilderung zu vermeiden, muss die abgeschiedene Schicht homogen sein. Somit ergibt sich die Notwendigkeit eines alternativen Prozesses. Auch andere Prozessparameter wie das Rakel oder Gravursysteme können das Ergebnis beeinflussen. So können sich unter Umständen durch die Abkehr von Chrom(VI) auch neue Chancen und Möglichkeiten ergeben.

Insbesondere das hohe Leichtbaupotenzial und die hohe Korrosionsbeständigkeit zeichnen Aluminiumwerkstoffe aus. Galvanisch abgeschiedene Aluminiumwerkstoffe – eine Technologie, mit der sich Dr. René Böttcher von der TU Ilmenau befasst – eröffnen zudem die Möglichkeit zum Ersatz von durch REACH betroffenen, umweltbedenklichen Werkstoffen, wie zum Beispiel Cadmium. Eine elektrochemische Abscheidung von Aluminium und seinen Legierungen aus wässrigen Medien ist nicht möglich. Technologien auf nicht wässriger Basis zeichnen sich dagegen durch ein großes elektrochemisches Fenster von einigen Volt aus. Sie sind allerdings oft begrenzt durch teure und vor allem hochentzündliche Chemikalien (zum Beispiel SIGAL- und REAL-Prozess), woraus hohe Investitionskosten für Prozess- und Anlagentechnik folgen.

Ionische Flüssigkeiten bieten die Möglichkeit, reaktive Metalle bereits bei Raumtemperatur abzuscheiden. Sie zeigen unter anderem eine gute Löslichkeit für zahlreiche Metallsalze und geringere Unterschiede in den Abscheidepotenzialen der Metalle. Dadurch ist es möglich, unterschiedliche Legierungen mit verschiedensten Eigenschaftsprofilen abzuscheiden. Allerdings sind Entwicklungsaktivitäten erforderlich, um die optimalen Zusammensetzungen der Elektrolytsysteme zu ermitteln sowie durch passende Überwachungsverfahren das Hochskalieren vom Labormaßstab in die Anwendung vornehmen zu können.

Die Anforderungen an die Beschichtung von hoch- und höchstfesten Bauteilen nehmen durch gestiegene Anforderungen im Automobilbau und bei Bauwerken, zum Beispiel beim Brückenbau, nach Aussage von Karsten Stamm, WKLM Werkstoff- und Korrosionslabor Marienheide, deutlich zu. Die Festigkeiten der Bauteile liegen deutlich über 1.000 MPa und somit im kritischen Bereich eines möglichen durch Wasserstoff (Prozess/Betrieb) verursachten Ausfalls.

Stamm ging in seinen Ausführungen auf die Vor- und Nachteile für den Beschichter anhand von realen Schadensfällen der vergangenen Jahrzehnte ein. Dies betrifft neben Bauteilen und deren Besonderheiten auch die Fehler der Beschichter, vom Angebot bis hin zur Beschichtung. Der Vortragende wies darauf hin, wie Reklamationen vermieden werden können, indem beispielsweise die erforderlichen Grundlagen im Vorfeld ausreichend geklärt werden.

Bastian Bußmann von der Hillebrand Chemicals GmbH beschäftigte sich mit der Qualitätssicherung bei der Oberflächenbehandlung von hochfesten Verbindungselementen. Bei diesen stellen neben dem kathodischen Korrosionsschutz funktionelle Eigenschaften einen wichtigen Bestandteil eines Oberflächenschutzsystems dar. Dabei steht bei der galvanischen Oberflächenbehandlung immer wieder das Risiko von wasserstoffinduzierten Sprödbrüchen im Fokus, die sowohl durch die Beschichtung als auch durch die Vorbehandlung verursacht werden können.

Neben verschiedenen Entfettungsschritten durchläuft das Material eine Beizbehandlung. Dieser Prozessschritt wird allgemein als besonders kritisch in Bezug auf die Gefahr von Wasserstoffversprödung angesehen, da hier die Bauteile mit einer starken Säure, zum Beispiel Salzsäure, behandelt werden. Das Risiko erhöht sich, je höher die Festigkeit der Bauteile ist. Im Allgemeinen wird hier als Grenze eine Zugfestigkeit > 1.000 MPa genannt. Zur Gefahrminimierung werden Maßnahmen zum Austreiben von eventuell eingebrachtem diffusiblem Wasserstoff erforderlich (in der Regel ein Tempern) oder prozessbegleitende Prüfungen zur Risikobewertung. Zu den Analysemethoden zählt unter anderem die Permeationsmessung. Die C-Ringmethode ist ein weiteres Hilfsmittel, um die tatsächliche Gefahr einer möglichen Wasserstoffversprödung zu bewerten. Mit dieser Vorgehensweise lassen sich zum Beispiel die Wirkung von Inhibitoren in Beizen abschätzen und die optimale Konzentration der Inhibitoren ermitteln.

Die Bewertung von Korrosionsschutzsystemen erfolgt häufig über mehr oder weniger feldnahe Korrosionsprüfungen, wie beispielsweise Salzsprühnebel- oder Klimawechseltests, wie Prof. Dr. Andreas Bund, TU Ilmenau, einleitend betonte. Für eine schnelle Bewertung des Korrosionsschutzes wäre ein Kurzzeittest überaus wünschenswert. Da Korrosion jedoch eine Systemeigenschaft ist, wird ein Schnelltest in der Regel nur begrenzte Aussagekraft für die spätere technische Anwendung haben.

Die Basis für derartige Schnelltests sind in der Regel Verfahren, die elektrochemische Grundlagen nutzen, zum Beispiel Kennwerte aus Polarisationsmessungen oder der Impedanzspektroskopie. Polarisationsmessungen lassen sich einfach und mit relativ geringem Zeitaufwand ausführen, lassen aber kaum Aussagen für das Verhalten im Feld zu. Bezüglich der Messtechnik ist die Impedanzspektroskopie erheblich aufwändiger, aber auch im Hinblick auf das Verhalten im Feld ist sie kritisch zu sehen. Ein weiteres Verfahren richtet sich auf die Bestimmung des Korrosionswiderstands. Bei diesem treten jedoch unter anderem Verfälschungen durch Deckschichten oder Korrosionsprodukte auf und führen zu unterschiedlichen Beurteilungen.

Aus Umwelt- und Arbeitsschutzgründen sowie aufgrund von gesetzlichen Vorgaben, zum Beispiel durch REACH, soll in Zukunft bei Airbus kein Cadmium für den Korrosionsschutz von Stahl eingesetzt werden. Mit diesem Thema befasst sich Oliver Rohr, Airbus Defence and Space GmbH. Eine mögliche Alternative zu Cadmium könnten Schichten aus Aluminiumlegierungen sein, die derzeit von Airbus in einem Verbundprojekt zusammen mit Partnern aus der Industrie und Forschung untersucht werden. Neben Cadmium soll im Übrigen auch auf Passivierungen auf Basis von Chrom(VI)-Verbindungen künftig verzichtet werden.

Als Ersatz für Cadmium kommen sowohl Schichten aus Aluminiumlegierungen als auch Zink-Nickel-Schichten in Betracht. Zur Herstellung von Aluminiumschichten stehen unterschiedliche Ansätze zur Auswahl. Ziel ist es, die Aluminiumlegierung durch Zugabe von Legierungselementen so einzustellen, dass ein Korrosionspotenzial in Meerwasser zwischen -800 mV bis -900 mV (gegen Ag/AgCl-Elektrode) entsteht. Ein geringes Potenzial erhöht den Verbrauch der Aluminiumschicht und ein höheres Potenzial schützt das Stahlsubstrat nicht ausreichend gegen Korrosion.

Durchgeführte Untersuchungen zeigen, dass bei der Abscheidung mittels PVD/IVD die Legierung aus Aluminium und Zinn und im Falle der elektrochemischen Abscheidung aus Aluminium und Zink die besten Aussichten für einen Ersatz von Cadmium hat. Für die Korrosionsbeständigkeit ergaben sich bei der Aufbringung von Aluminium durch IVD (IVD – Ion Vapour Deposition) geringere Werte als für die Beschichtung mit Aluminium-Zink. Beide Schichtsysteme schnitten dabei schlechter ab als Cadmium.

Wie Marco Rösch, SurTec International GmbH, betonte, unterliegen konventionelle alkalische Systeme zur Abscheidung von Zink-Nickel einer Reihe von Herausforderungen. So ist es erforderlich, die Elektrolyte auf eine Arbeitstemperatur von unter 27 °C zu halten, was erhebliche Kühlleistungen erfordert. Zudem sind die anwendbaren Stromdichten auf Werte von etwa 2 A/dm2 begrenzt, wobei die mittlere Stromausbeute etwa 50 Prozent beträgt und diese einer Abnahme mit zunehmendem Elektrolytalter unterliegt. Schließlich ist es notwendig, die Elektrolyte kontinuierlich zu regenerieren, um die sich bildenden Abbauprodukte wie Oxalat, Carbonat, Sulfat und Cyanid abzureichern.

Ein neues Elektrolytsystem vereinfacht das Entfernen von Sulfat, Carbonat und Oxalat, die bereits bei Temperaturen von 7 °C bis 10 °C entfernt werden können. Der Cyanidgehalt kann durch eine regelmäßige Regeneration drastisch gesenkt werden. Das System zeichnet sich nach Aussage des Vortragenden bei ordnungsgemäßem Einsatz durch eine sehr hohe Standzeit mit konstanten Abscheidebedingungen sowie eine optimale Metallverteilung aus.

Zinklamellensysteme sind vor allem für die Beschichtung von Kleinteilen wie Schrauben und Federn eine gute Wahl. Die Härtung der Beschichtung erfolgt bei Temperaturen um 200 °C. Für Bauteile, die aufgrund des eingesetzten Grundwerkstoffs oder einer ungünstigen Geometrie für die Härtung in entsprechenden Öfen nicht geeignet sind, bietet sich ein neues Beschichtungssystem an, das Markus Nowak, Dörken Coatings GmbH & Co. KG, vorstellte.

Das neue Zinklamellensystem ermöglicht das Trocknen bei Raumtemperatur in einem Zeitraum von 20 Minuten bis 60 Minuten. In den darauffolgenden Tagen erfolgt die finale Aushärtung. In der Regel ist das Beschichtungsmaterial nach etwa sieben Tagen vollständig vernetzt. Erreicht wird dies durch eine Polymerisationsreaktion, die durch Luftfeuchtigkeit angestoßen wird und keine Wärme benötigt. Ein deutlicher Vorteil ergibt sich vor allem aufgrund der eingesparten Wärmeenergie, wodurch sich die Kohlenstoffdioxidbilanz des Gesamtprozesses verbessert. Die hergestellten Beschichtungen erreichen unter Laborbedingungen im Salzsprühnebeltest gemäß DIN EN ISO 9227 mindestens 720 Stunden ohne Grundmetallkorrosion.

Eine weitere Betrachtung der Zinklamellenbeschichtung bot Florian Feldmann, ebenfalls von der Dörken Coatings GmbH & Co. KG, mit seinen Untersuchungen zum Korrosionsverhalten dieser Schichten in unterschiedlichen Umgebungen. Diese werden in breitem Umfang für Bauteile in und an Autos, Windkraftanlagen oder Brücken eingesetzt. Wie er betonte, kommt in Automobilen den Schichten beispielsweise die Aufgabe zu, den Leichtbau zu realisieren durch das miteinander Verbauen von verschiedenen Werkstoffen. Die Kontakte unterschiedlicher Metalle können jedoch zu erhöhter Korrosion in der jeweiligen Anwendung führen, weshalb die Auswahl von geeigneten Materialkombinationen oder Oberflächenbeschichtungen von entscheidender Bedeutung ist.

Der Fokus der Untersuchungen, die Feldmann vorstellte, lag aus diesem Grund auf dem Verhalten unterschiedlicher Werkstoffkombinationen in korrosiver Umgebung. Betrachtet wurden auch der Einfluss des Flächenverhältnisses auf die Kontaktkorrosion sowie der Korrosionsschutz durch konstruktive Maßnahmen. An zahlreichen Beispielen zeigte der Vortragende die Wirkung der Werkstoffkontakte sehr deutlich auf und belegte zugleich die Schutzwirkung der Zinklamellenbeschichtungen.

Titan- und Palladium-Weißgold-Legierungen werden vor allem in der Biomedizintechnik beziehungsweise in der Schmuckindustrie eingesetzt. Das Elektropolieren, mit dem sich Lúcia Nascimento, TU Ilmenau, befasst, erlaubt es, die Oberflächengüte von komplexen Werkstücken vergleichsweise einfach und kosteneffizient zu erhöhen. Gegenüber herkömmlichen mechanischen Polierverfahren wird sowohl eine geringere Rauheit erzielt als auch der erforderliche Bearbeitungsaufwand verringert. Allerdings müssen für die Bearbeitung von Titan- und Palladium-Weißgold-Legierungen die gebräuchlichen wässrigen Elektrolyte deutlich modifiziert werden.

Ionische Flüssigkeiten (ILs) und tief eutektisches Schmelzen (DES) wie Cholinchlorid-Ethylenglykol haben den Vorteil, dass sie ein breiteres elektrochemisches Potenzialfenster und damit eine höhere Stabilität als wässrige Lösungen aufweisen. Nascimento zeigte an ihren Versuchsergebnissen auf, mit welchen Zusammensetzungen und Arbeitsparametern die besten Polierergebnisse bei Titan- und Palladium-Weißgold-Legierungen erzielt werden.

Galvanikgestelle werden nach wie vor fast ausschließlich von Hand bestückt, woraus sich hohe Stückkosten ergeben. Eine automatische Bestückung, mit deren Realisierung sich Markus Roth von der Roth Technik GmbH befasste, scheiterte bisher an den besonderen Anforderungen von Galvanikbetrieben.

Roth ging in seinen Ausführungen auf die Entwicklung einer flexiblen Roboterzelle für das Be- und Endstücken von Galvanikgestellen ein. Dazu müssen beispielsweise Lösungen gefunden werden für das Erkennen der häufig großen Zahl an unterschiedlichen Gestelltypen, für den variierenden Zustand der Kontakthaken an den Gestellen oder für die hohe Zahl an unterschiedlichen, zu bearbeitenden Teilen. Optimale Lösungen, die zum Beispiel aus zwei unabhängigen Roboterzellen mit vier Robotern bestehen können, erzielen einen Bestückungstakt von etwa 2,5 Sekunden pro Teil. Als Erweiterungen der Bestückung ist eine Integration von Arbeitsschritten wie Verpacken, Markierung oder unterschiedliche Prüfverfahren möglich.

Die Abscheidegeschwindigkeit galvanischer Verfahren wird in den meisten Fällen durch Diffusionsprozesse an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche bestimmt. Der Effekt wird durch die Geometrie eines dreidimensionalen Bauteils weiter verstärkt und die stromdichtebedingte ungleichmäßige Schichtdickenverteilung zusätzlich erhöht. Als Lösungsmöglichkeit dieser Herausforderungen bietet sich die Unterstützung der Prozesse mittels Ultraschall an, die an der Hochschule Coburg in einer Arbeitsgruppe mit Johannes Landskron und Dr. Steffen Link, Dr. O. K. Wack Chemie GmbH, untersucht wird. Im ersten Teil des Vortrags erläuterte Landskron die erarbeiteten Erkenntnisse.

Ultraschall kann den Autoren zufolge einen positiven Einfluss auf diverse Schichteigenschaften haben, zum Beispiel eine höhere Härte, und die Prozesseffizienz steigern. Eine Sonderform des Ultraschalls sind geführte akustische Wellen (GAW). Die oszillierende Oberfläche erzeugt eine Wirbelströmung an der Elektrode-Elektrolyt-Grenzfläche, was zu einer Verringerung der Ausdehnung der Nernst´schen Diffusionsschicht führt. Die Herausforderung besteht vor allem in der Wahl der Schalleinbringung in den entsprechenden Elektrolyten. Dazu wurden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, um die Wirkung des Schalls in Abhängigkeit von der Schallquelle zu ermitteln.

In einem FEM-Modell wurden Aspekte wie Schallanregung, Schwingungsprofile an den Bauteiloberflächen, die akustisch induzierten Strömungen und der verbesserte Ionentransport im Elektrolyten sowie das Schichtwachstum an der Elektrode theoretisch untersucht. Durch ein Laser-Doppler-Vibrometer wurden die simulativ bestimmten Bauteilschwingungen experimentell validiert. Die akustisch induzierten Wirbelströmungen an der Elektrodenoberfläche wurden mittels Particle Image Velocimetry visualisiert. Diese Ergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung von Simulation und Experiment.

Im zweiten Teil des Doppelvortrags befasste sich Dr. Steffen Link, Dr. O. K. Wack Chemie GmbH, mit der Validierung der akustisch induzierten Strömungen auf Basis der GAW-Technologie. Das Verfahren wurde anhand verschiedener Abscheidungsprozesse, wie schwefelsaurer Kupfer-, Watts-Nickel- und chemisch abscheidender Nickelsysteme untersucht und mit den Ergebnissen der Simulationen verglichen.

Im Falle einer Kupferabscheidung zeigt sich zum Beispiel, dass für ein optimales Ergebnis eine leichte Rührung/Umwälzung des Elektrolyten von Vorteil ist. Bei einer optimalen Schallausbreitung und Konvektion des Elektrolyten ist eine Erhöhung der Stromdichte um den Faktor 4 gegenüber einer Abscheidung ohne Beschallung erzielbar. Bei der chemischen Nickelabscheidung führt eine optimale Beschallung zur Abfuhr von Gasblasen an der Oberfläche sowie zur Erhöhung der Abscheidegeschwindigkeit von bis zu 50 Prozent. Zudem kann die Elektrolyttemperatur für die chemische Nickelabscheidung bei fast unveränderten Parametern um bis zu 15 °C reduziert werden.

Wie Dr. Annika Wagner, Strobl Rübig GmbH & Co. KG, einleitend betonte, gehören Hydraulikzylinder zu den Hauptprodukten in der Fluidtechnik. Um eine lange Lebensdauer der Kolbenstangen und Dichtungen zu erreichen, ist eine geeignete Oberflächenbehandlung zum Korrosions- und Verschleißschutz entscheidend. Durch Nitrieren, in der Regel mittels Gasnitrieren und Plasmanitrieren, lässt sich die Randschicht mit Stickstoff anreichern. Die Eindiffusion von Stickstoff in Stähle führt dabei zur Härtung der Randzone. Der größte Beitrag zur Härtesteigerung wird durch die Nitridbildung mit Legierungselementen wie Chrom, Aluminium und Vanadium geleistet. An der Oberfläche wird zudem eine Verbindungsschicht aus Eisennitriden gebildet.

Darüber hinaus kann zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit nachfolgend und im selben Prozess oxidiert werden. Mittels der PACVD-Technologie können siliziumdotierte amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H:Si, Diamond Like Carbon – DLC) abgeschieden werden. Kommerzielle Beschichtungstechnologien (zum Beispiel GASOX®/PLASOX®) erreichen Korrosionsbeständigkeiten zwischen 24 und 120 Stunden im neutralen Salzsprühtest (NSS, ISO 9227), während die Kombinationsschichten (zum Beispiel Duplex DLC Xtended®) Beständigkeiten von über 500 Stunden im NSS erreichen. Der Vortragenden zufolge erzielen Systeme wie GASOX® und PLASOX® ähnliche Ergebnisse in Korrosions- und tribologischen Tests bei Hydraulikzylindern mit Dichtungen als Gegenkörpern wie klassische Chrom- und Nickel-Chrom-Schichten (Vergleich mit einlagigen Chromschichten mit 20 µm Dicke).

Eines der wichtigsten Ziele beim Galvanisieren von Kunststoffen ist die Herstellung eines sehr guten Haftverbunds zwischen Metall und Kunststoff durch eine spezielle Vorbehandlung des Polymers. Bei der Aufbereitung von herstellungsbedingtem Produktionsausschuss, das Thema, mit dem sich David Zapf von der Hansgrohe SE befasst, stellt diese Haftung jedoch eine Herausforderung hinsichtlich der Wiederaufbereitung dar.

Um eine möglichst gute Aufbereitung als Basis eines Wiedereinsatzes der verwendeten Materialien erzielen zu können, wurde ein mehrstufiges Recyclingverfahren entwickelt: Im ersten Schritt werden die Teile mittels Schneidemühlen zerkleinert und damit die spezifische Oberfläche vergrößert. Anschließend folgt ein Verbundaufschluss in Form eines Schockwellenaufschlusses einschließlich einer Sortierung. Nach Klassierung und Entwässerung werden Kunststoff und Metall magnetisch getrennt. Das hergestellte Recyclat besitzt ein vergleichbares E-Modul wie Neumaterial, eine höhere Schlagzähigkeit und Haftfestigkeit der galvanischen Schicht im Vergleich zu Neumaterial, während Bruchdehnung und Zugfestigkeit geringfügig abnehmen.

Dr. Annika Bauer, Hansgrohe SE, befasst sich mit der Entwicklung von Verfahren zur Aufbereitung von Reinigungsmitteln, wie sie als Vorbehandlung vor einer PVD-Beschichtung zwingend erforderlich sind. Um anhaftende Schmutzpartikel sowie Fette und Wachse restlos zu entfernen, werden häufig Lösemittel eingesetzt, die innerhalb des Prozesses nicht vollständig rückgeführt werden können und unter anderem über das Waschwasser ausgetragen werden.

Als Ansätze zur Aufbereitung der vorliegenden Abwässer wurden die Abtrennung mittels Ultrafiltration, die Spaltung von Schadstoffen durch Oxidation, das Verdampfen sowie das Binden von Schadstoffen durch Adsorption untersucht. Bei den vorliegenden belasteten Abwässern wurden mittels Vakuumverdampfung keine nennenswerten Effekte zur Aufbereitung erzielt und mittels Ultrafiltration wurde eine geringe Reduktion der Schadstoffanteile erreicht. Gute Ergebnisse brachten die eingesetzten Verfahren der Adsorption, die sich zudem durch eine sehr gute Anwendbarkeit auszeichneten.

Ein Faktor bei der Anlagenplanung in Betrieben der Galvanotechnik ist die Auslegung der Anlagenkapazität, im Falle einer Beschichtung von Schüttgut also der Trommelgröße. Mit den sich daraus ergebenden Entscheidungswegen setzte sich Tim Lippert, Willi Kroes GmbH, in seinem Vortrag auseinander. Seinen Erfahrungen zufolge hat die Größe einer Trommel direkte Auswirkungen bei der Planung einer Anlage, aber auch Auswirkungen, die erst im späteren Einsatz zum Tragen kommen.

Wirklich deutlich wird die große Zahl der unterschiedlichen Einflussgrößen, wenn die direkten und indirekten Eigenschaften auf den Beschichtungsprozess, die hergestellten Schichten, die Beziehung zu den Kunden (Preis, Lieferzeiten), die personelle Ausstattung im Unternehmen oder die notwendigen peripheren Einrichtungen eines Betriebs ins Auge gefasst werden. Besonders schwierig ist die Entscheidung für die Trommelgröße, da die Abhängigkeiten zwischen Trommelgröße und betrachteter Parameter häufig einen nicht linearen Verlauf zeigen.

Ob im Alltag oder Beruf, äußere Einflüsse bestimmen die Entscheidungen des Einzelnen in vielfältiger Art und Weise. Zudem werden Fragestellungen in der Gesellschaft durch zunehmende Regularien immer undurchsichtiger. Anna Endrikat von der TU Ilmenau befasste sich mit Ansätzen zur Entscheidungsfindung für den Fall, dass ein konkretes Problem zu komplex wird. Dazu stellte sie einen Ansatz der systemischen Modellbildung am Beispiel der anodischen Oxidation von galvanischen Abwässern vor. Dabei werden für das System relevante Parameter definiert und deren Beziehungen zueinander analysiert. Daraus resultiert eine sogenannte Wirkmatrix, die als quantifizierbares Instrument zur Bewertung der äußeren Einflüsse dient. Basierend auf der Wirkmatrix können für das System kritische, ruhende, aktive und passive Systemelemente identifiziert werden.

Mithilfe praktischer Experimente zur anodischen Abwasserbehandlung mit bordotierten Diamantelektroden wurde der Einfluss dieser Elemente aufgezeigt. Daraus ergeben sich Anhaltspunkte dafür, ob ruhende Elemente wirklich den schwächsten Einfluss auf das System haben. In diesem Fall könnten sie für das System als vernachlässigbar eingestuft werden.

Mathias Fritz, TU Ilmenau, gab im letzten Vortrag der Reihe über Entscheidungshilfen für komplexe Systeme ein Resümee zu einem Workshop an der TU Ilmenau aus dem Vorjahr, der sich mit der Frage befasste, wie Entscheidungen in komplexen Umgebungen zu bewerten und gegeneinander abzuwägen sind.

Komplexe Systeme bestehen aus zahlreichen Komponenten, die in vielfältiger Form wechselwirken und rückkoppeln. Bekannte mathematische Herangehensweisen scheitern hier oft bei der Folgenanalyse. Komplexe Systeme weisen keine eindeutige Ursache-Wirkung-Beziehung auf. Für den Workshop wurde unter anderem die Edelmetallbeschichtung für siliziumbasierte Halbleitermaterialien als Übungsbeispiel herangezogen und der Fokus auf die lichtunterstützte Abscheidung von Platin gelegt.