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  • ZVO Oberflächentage 13.-15.09.2023 Berlin

    Berlin 2023

#OTLeipzig22 begeisterten die Teilnehmer

Die Fachwelt der Galvano- und Oberflächentechnik blickt auf gelungene ZVO-Oberflächentage in Leipzig zurück: Mit 515 Teilnehmern und einem überwältigend positiven Feedback hat der ZVO-Jahreskongress die Erwartungen mehr als erfüllt.

Zum zweiten Mal fanden die ZVO-Oberflächentage vom 14. bis 16. September 2022 im Congress Center Leipzig statt – wie gewohnt und bewährt in Präsenz. Sowohl der Veranstaltungsort als auch das Programm und die Organisation ernteten bei den 515 Teilnehmern viel Lob. 

Nach einem gelungenen Eröffnungsabend in der Kongresshalle am Zoo, mit einem bunten, unterhaltsamen wie informativen Programm, folgte das eigentliche Vortragsprogramm samt begleitender Industrieausstellung im Congress Center Leipzig (CCL) – alles auf einer Etage mit kurzen Wegen.

Die helle und freundliche Atmosphäre des CCL bot optimale Bedingungen für den persönlichen Austausch und Networking, was traditionell bei den Oberflächentagen großgeschrieben wird. So auch in diesem Jahr: Die Stände der 65 Aussteller waren gut besucht und die Pausen boten Raum für viele angeregte Gespräche und Diskussionen. ZVO-Hauptgeschäftsführer Christoph Matheis resümiert: „Wir haben ein überwältigendes Feedback zu den diesjährigen ZVO-Oberflächentagen in Leipzig erfahren. Gelobt wurden sowohl der Veranstaltungsort – die Kongresshalle am Zoo für die Eröffnungsfeier und das Congress Center Leipzig für Vortragsprogramm und Industrieausstellung – als auch die Themenauswahl und Qualität der fast 90 Vorträge. Auch unsere Aussteller waren mehr als zu zufrieden und berichteten von vielen guten Gesprächen an den Ständen. 

Obwohl wir mit 515 Teilnehmern noch nicht ganz an Vor-Corona-Zeiten anschließen konnten, haben die #OTLeipzig22 die Erwartungen übererfüllt. Vielleicht die insgesamt rundeste Veranstaltung, die wir bislang hatten!?“

Gelungene Eröffnung in stilvollem Ambiente

Mit dem traditionellen Begrüßungsabend eröffnete ZVO-Vorsitzender Walter Zeschky am 14. September in der Kongresshalle am Zoo in Leipzig die ZVO-Oberflächentage 2022. Er freute sich über den regen Teilnehmerzuspruch und eine vollständige Belegung der Ausstellungsfläche für Unternehmen. Erfreulich war zudem, dass neben bekannten Teilnehmern aus dem Kreis der Fachunternehmen auch neue Anbieter vertreten waren. Und eine hohe Zahl an jungen Fachkräften im Publikum verdeutlicht die Zukunftsfähigkeit der Galvano- und Oberflächentechnik. Trotzdem ist die Branche durch die jüngsten Ereignisse – von den stockenden Lieferketten über die Rohstoffknappheit, den Fachkräftemangel bis hin zu den explodierenden Energiepreisen – erheblich unter Druck geraten. Aus diesem Grund zeigte sich Zeschky erfreut, dass in zahlreichen Fachvorträgen versucht wurde, Lösungsmöglichkeiten für diese Problemfelder aufzuzeigen. 

Eröffnungsvortrag von Prof. Dr. Frank Mücklich

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.

 

Bedeutung der Galvanotechnik für die nachhaltige Energieerzeugung und -speicherung

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.

 

Klimaneutralität & Energie- und Ressourceneffizienz

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.        

 

Ergebnisse aus der Forschung – Junge Kollegen berichten

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.  

Wird fortgesetzt