Oberflächentechnik für die Mobilität von Morgen

– Verfahren und Vergleich

Bericht über das 38. Ulmer Gespräch

Oberflächentechnik für die Mobilität von Morgen – Verfahren und Vergleich war das Motto des 38. Ulmer Gesprächs am 12. und 13. Mai in Neu-Ulm, zu dem Prof. Dr. Wolfgang Paatsch mehr als 70 Teilnehmer begrüßen konnte. Auch wenn Elektrofahrzeuge derzeit noch einen verschwindend geringen Anteil einnehmen, ist doch ein großes Interesse bei den Kunden festzustellen. Im Vordergrund steht dabei das Thema Reichweite. Daraus ergeben sich für die Oberflächentechnik einige Veränderungen, vor allem bei der Beschichtung von Stahlteilen mit Zink und Zinklegierungen. Deutlich steigen wird der Bedarf nach elektrotechnischen Schichten oder Beschichtungen für Komposit-Teile. Es findet ein Wandel statt, zu dem die Themen des diesjährigen Ulmer Gesprächs mit technischen Inhalten beitragen. Weitere Schwerpunkte der diesjährigen Tagung waren die Anforderungen aus Reibung und Verschleiß mit möglichen Lösungs­ansätzen aus der Oberflächentechnik sowie intelligente Materialien. Vor allem bei den intelligenten Materialen wird deutlich, dass Entwicklungen im Bereich der Oberflächentechnik vor allem von fachübergreifenden Aspekten profitieren werden. Hier sind Anleihen in der Natur ebenso hilfreich, wie Forschungen auf dem Gebiet der organischen und anorganischen Werkstoffe.

Mobilität der Zukunft – Ein visionärer Ausblick

Prof. Dr. Thomas von Unwerth eröffnete die Vortragsreihe mit einer Betrachtung der Mobilität der Zukunft. Dazu schlüsselte­ er die Rahmenbedingungen für die Entwicklungen auf, angeführt durch den Klimawandel und den Trend zur Nachhaltigkeit.­ Verknappung von Energie, eine erwartete nahtlose Mobilität, das Wachsen der Städte,­ die zunehmende Globalisierung, demographischer Wandel und steigendes Sicherheitsbedürfnis sind weitere Mega­trends, welche die Entwicklungen antreiben. Neben den Änderungen des Antriebsystems werden Fahrzeuge zunehmend mit Kommunikationsmitteln ausgestattet,­ bis hin zur vollständigen Vernetzung.

Die weiter wachsenden Megacitys – 2050 sollen nach derzeitigen Prognosen bis zu 70 Prozent der Weltbevölkerung in solchen Zentren leben – haben sowohl die Mobilität zu gewährleisten als auch die Umweltverschmutzung zu begrenzen. Auch hierfür leistet die zunehmende Vernetzung der Fahrzeuge erhebliche Unterstützung. Autonomes Fahren nimmt hier einen großen Raum ein, wobei allerdings aus technischer Sicht als auch in Bezug auf die aufzubringenden Kosten sowie die rechtlichen Grundlagen (Haftung) noch viele Fragen offen sind.

Die Digitalisierung und Vernetzung werden seit der Gründung eines Konsortiums 2002 als übergreifendes Projekt verfolgt und sollen in diesem Jahr als einheitliche Standardisierung abgeschlossen sein. Die Feldeinführung ist für 2019 vorgesehen, ausgehend von ersten Einsatzfällen im LKW-Verkehr auf Autobahnen. Als erste Art eines Assistenzsystems gelten Ultraschallsensoren als Einparkhilfe, die heutzutage in nahezu jedem Fahrzeug zu finden sind. Deren umfassende Einführung in Fahrzeuge hat allerdings mehr als 30 Jahre gedauert, woraus ersichtlich wird, mit welchen Zeiträumen in der Automobilindustrie ­gerechnet werden sollte.

Das Einsparen an klassischen Energieträgern dient als Treiber für die Entwicklung der Elektromobilität. Einen erheblichen Einfluss haben hier die gesetzlichen Bestimmungen, was Prof. von Unwerth am Beispiel der CO2-Emissionen verdeutlichte. Hier spielen sowohl gesetzliche Vorgaben als auch die tatsächlich im Betrieb freigesetzten Mengenangaben eine erhebliche Rolle; sie erfahren permanent einen Wandel. Für den Einsatz selbst gibt es unterschiedliche Ansätze zur Erzielung und Verwendung der alternativen Energie. Bei der Umsetzung von Windkraft in Batterieladekapazität und deren Verwendung im Elek­troantrieb wird die derzeit höchste Effizienz von mehr als 30 Prozent erreicht.

Ein weiterer wichtiger Punkt auf dem Weg zur E-Mobilität ist die Leistungsfähigkeit der Batterietechnik; hier sind eine Steigerung der Lebensdauer, Leistungsfähigkeit und eine Reduzierung der Kosten erforderlich. Erhebliche Verbesserungen müssen auch aufgrund der Energiespeicherdichte, die bei Benzin am höchsten ist, bei den Elektroantrieben und der Stromspeicherung­ bewältigt werden. Aus allen diesen Aspekten ergeben sich zahlreiche Anforderungen im Hinblick auf die Bildung von neuen Zuliefer­unternehmen mit den dafür notwendigen Wertschöpfungsketten.

Oberflächentechnik für die Elektromobilität

Wie Rainer Venz einführend schilderte, wurden bereits vor 1900 die ersten Elek­trofahrzeuge vorgestellt. Sie konnten sich allerdings wegen der eingeschränkten Reichweite und der langen Ladezeiten gegen den Benzinantrieb nicht durchsetzen. Dies macht sich auch bei den heutigen ­Alternativen in Form der Hybridantriebe bemerkbar. Derzeit bremsend wirken die seit einiger Zeit wieder sinkenden Preise für Rohöl, sodass die Einführung der Elektroantriebe nur sehr zögerlich verläuft. Die geringen produzierten Stückzahlen führen derzeit zu hohen Anschaffungskosten, weshalb für Elektrofahrzeuge insgesamt höhere Betriebskosten als für Benzinfahrzeuge anfallen. Als stärkster Markt für Elektrofahrzeuge tritt derzeit China auf, in Europa ist Norwegen der Vorreiter. In Deutschland waren 2015 knapp 19 000 Elektrofahrzeuge in Betrieb, bei mehr als 44 Millionen Fahrzeugen insgesamt.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Zahl der Ladestationen, die derzeit bei mehr als 5500 liegt und langsamer wächst, als die Zahl der genutzten Fahrzeuge. Um die Situation durch eine höhere Zahl an Ladestationen zu verbessern, werden in Deutschland Förderprogramme angeboten. Andere Staaten setzen auf Motivatoren wie kostenfreies Laden oder bevorzugte Fahrspuren.

Für die Oberflächentechnik ergibt sich vor allem durch die Beschichtung von Verbundmaterialien und Leichtmetallen sowie die Herstellung von elektrotechnischen Komponenten eine zukünftige Geschäftstätig­keit. Entsprechende Schichten müssen einen hohen Verschleißschutz, gute Korrosionsbeständigkeit und gute Übergangs­widerstände aufweisen.

Der Einsatz von Aluminium wird nach Ansicht von Rainer Venz nicht weiter zunehmen, da hochfeste Stähle hier bessere Gesamtergebnisse gewährleisten. Die hohe Zahl an zu bewältigenden Entwicklungen wird dazu führen, dass vermutlich auch 2030 noch 90 Prozent der Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor betrieben werden. Aus diesem Grund werden sich in den nächsten Jahren nur geringe Änderungen für den Zulieferbereich der Oberflächentechnik ergeben.

CTAC-Zulassungsantrag

Dr. Sasa Jacob gab einen Überblick zur CTAC-Zulassung (CTAC – Chromium Trioxide­ Authorization Consortium) für Chromtrioxid. Dazu stellte er zunächst die Aktionspartner ZVO (Zentralverband Oberflächentechnik e. V.) als Partner für die gesetzlichen Belange und Sprachrohr zur Politik sowie die DGO (Deutsche Gesellschaft für Galvano- und Oberflächentechnik e. V.) als F&E-Begleiter und -Organisator vor. Für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) ergeben sich Probleme durch das Fokussieren der Gesetzgeber auf den Umweltschutz und nicht auf das Funktionieren der Verfahren. Auch müssen Anbieter von Alternativen nicht darauf achten, dass die Verfahren die selben Eigenschaften bieten wie die bisher eingesetzten Systeme; dies ist Aufgabe des Anwenders. Insbesondere sind aber zahlreiche Abläufe noch ergebnisoffen, da keine Vergleiche zu abgeschlossenen Verfahren vorliegen. Die Registrierung von Stoffen ist für kleine Tonnagen (< 100 T/a) noch im Gange, wogegen diejenige für größere Mengen abgeschlossen ist.

Bisher zeigt es sich, dass eine hohe Unsicherheit durch die Unklarheit bei den Anwendungsmöglichkeiten besteht. Dies wirkt sich auf die Planung von Produktionsverfahren in den nächsten Jahren aus. Zugleich entsteht im Fall des Abbaus von Produktionslinien in Europa ein Verlust von Know-how.

Up-Stream-Autorisierungsanträge sind im Moment von CTAC und VECCO in Bearbeitung. Inhalte im CTAC-Antrag sind unter anderem das Formulieren und Herstellen von Mengen, die galvanische Abscheidung von Chrom oder Konversionsschichten. Alternativen zum Einsatz der Produkte (AoA) liegen keine vor, da die Produkte stets in Wasser gelöst werden müssen. Im Rahmen der SEA (SEA – Socio-economic Analysis) zeigte es sich, dass die Risiken etwa um den Faktor 400 geringer sind, als die Verluste bei vollständigem Verbot der Hartverchromungen. Damit wurde nachgewie­sen, dass für das Hartverchromen kein allgemeingültiger Ersatz genannt werden kann. Für funktionelles Verchromen liegen die Kosten für die Folgen eines Verbots um den Faktor 10 über den Risiken. Bei funktionellem Verchromen mit dekorativem Charakter ist der Faktor mit etwa 80 deutlich höher. Hier haben viele FGK-Mitglieder (FGK – Fachverband Galvanisierte Kunststoffe e. V.) einen eigenen Antrag gestellt. Bei den Konversionsschichten als Einsatz in der Luftfahrt konnte bisher aufgrund der hohen Komplexität des Einsatzes keine Entscheidung getroffen werden, ob überhaupt Alternativen möglich erscheinen.

Für alle Verfahren ergab sich, dass die Vorteile des Verchromens dessen Nachteile überwiegen; damit hat der CTAC-Antrag für die erste Periode gute Aussichten auf Gewährung.

3D-MID

Mit multifunktionalen dreidimensionalen Bauteilen befasste sich Dr. Joachim Heyer.­ Wie er einleitend erläuterte, sind MIDs dazu prädestiniert, bei kleinen Bauräumen eine größere Zahl an mechanischen und elektrischen Funktionen zu erzielen. Ausgehend vom ursprünglichen Ziel, Leiterplatten dreidimensional zu gestalten, werden viele Herstellungstechnologien aus der Leiterplattentechnik genutzt. Heute werden vor allem die Laserstrukturierung, die 2K-Spritztechnik sowie das Heißprägen angewendet. Bei all diesen Verfahren spielt die Galvanotechnik eine wichtige Rolle zur Herstellung der Leitungsstrukturen.

Im Weiteren ging Dr. Heyer auf die Arbeitsschritte bei den Produktionsverfahren wie Belichten, Ätzen oder galvanischer Leiteraufbau ein, die beispielsweise bei der Herstellung von Antennen für Mobilfunkgeräte in breiten Umfang zum Einsatz kommen. Zur Metallisierung werden vor allem chemisch abgeschiedenes Kupfer und Nickel verwendet. Die Schichtdicken betragen ­einige Mikrometer.

In Europa finden MID-Teile vor allem für ­Automobilteile Verwendung, zum Beispiel für Sitz-Verstellschalter. Hierfür wird als Kunststoff PA 6T/66 verwendet. Für Sonnensensoren zur Klimasteuerung wird das MID-Teil aus LCP (LCP – Liquid Cristal Polymers) gefertigt. Für einen Lenkradschalter der TRW wird LCP verwendet, ebenso wie für einen Positionssensor zur Geschwindig­keitsregelung. Das derzeit am meisten hergestellte Teil (> 10 Mio. Teile pro Jahr) ist ein Drucksensor auf Basis von LCP. Neu in Planung sind MID-Antennen für Fahrzeuge.

Im Vergleich zu Mobiltelefonen müssen ­Automobilteile eine deutlich höhere Lebensdauer bewältigen. Dazu ist es notwendig, Erkenntnisse über das Langzeitverhalten von Kunststoffen und die aufgebrachten Leitstrukturen zu gewinnen. Dies geschieht unter anderem im Rahmen von Institutionen wie der Forschungsvereinigung 3-D MID oder FAPS (FAPS – Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik, Erlangen). Mithilfe von Zuverlässigkeitstest, beispielsweise mit zyklischen Temperaturschockbelastungen, werden Leitfähigkeitsmessungen vorgenommen. Aus diesen Tests ergeben sich auftretende Brüche in den Leitern.

OLED

Über die neue Technologie für Beleuchtungsanwendungen im Automobil, OLEDs, referierte Dr. Christian May. Für Beleuchtungen im Automobil werden flexible Kunststofffolien eingesetzt, die vorwiegend­ mittels Vakuumtechniken bearbeitet werden. Damit lassen sich die erforderlichen Funktionsschichten herstellen und dies bei Einsatz von Folien und Bandanlagen im Endlosverfahren. Die verwendeten Kunststoffe wie a-NPD und Alq3 sind aus wenigen Kohlenstoffringen aufgebaut. Als Elektroden für das System fungiert ITO (ITO – Indium tin oxide) und eine metallische Leitschicht aus Magnesium und Silber. Das daraus aufgebaute Funktionssystem kann auf ein Glas- oder Stahlsubstrat aufgebracht werden.

Die Lichtart ergibt sich durch eine Modifikation der unterschiedlichen Systeme, wobei weißes Licht den komplexesten Aufbau erfordert. OLEDs sind interessant, weil es sich um die ersten Flächenlichtquellen handelt, die sich als Ergänzung zur Spot-Lichtquelle anbieten. Zu finden ist diese Art der Lichtquelle in Displays sowie als Beleuchtung. Im Automobil werden OLEDs beispiels­weise für die Innenbeleuchtung oder Rückfahrbeleuchtung einsetzbar sein.

Silber-Palladium als Kontakt

Dr. Sascha Berger befasste sich in seinem Vortrag mit galvanisch hergestellten Kontaktoberflächen aus Silber-Palladium, abgeschieden aus einem cyanidfreien Elek­trolyten. Da Silber und Palladium lückenlos mischbar sind, lassen sich beliebige Zusammensetzungen herstellen. Dies lässt eine Erhöhung der Anlaufbeständigkeit, der Migration und Festigkeit erwarten, allerdings auch eine Erhöhung des Widerstands. Die Legierung kann als verbesserte Variante im Vergleich zu Silber oder als Alternative zu Hartgold eingesetzt werden.

Für beide Einsatzfälle sollte eine Hochgeschwindigkeitsabscheidung möglich sein. Vorteilhaft ist unter anderem die Tatsache, dass der Silbergehalt über einen breiten Stromdichtebereich relativ konstant gehalten werden kann. Zur Abklärung der verschiedenen ­Eigenschaften hat sich nach Erfahrungen von Dr. Berger die DoE-Technik bewährt.

Relevante Kenngrößen für solche Schichten sind zum Beispiel der Abrieb, der Verschleiß oder der Kontaktwiderstand. Der Abrieb ist im Vergleich zu Silber markant besser und kommt in den Bereich des Hartgoldes. Silber zeigt bei Temperaturen oberhalb von 160 °C eine erhöhte Durchdiffusion von Sauerstoff mit anschließender Bildung einer Silberoxidschicht an der Unterseite zum Substrat. Dies führt in der Folge zum Abscheren einer Silberschicht. Dies wiederum kann durch Zulegieren von Palladium vermieden werden. Zudem liegt die Härte von Silber-Palladium deutlich über der von reinem Silber. Des Weiteren zeigt Silber-Palladium keine Alterung bei Temperaturen bis 150 °C, das heißt, es findet keine Rekristallisation statt. Die Temperaturbeständigkeit reicht den neuesten Untersuchungen zufolge bis 200 °C. Die guten mechanischen Eigenschaften ergeben auch ein gutes Verhalten unter Vibrationsbelastungen.

Oberflächen im Antriebsstrang

Einen weiteren Aspekt zum Thema Elektro­mobilität bot Dr. Helmut Schmidt mit einer Betrachtung der Komponenten des Antriebsstrangs. Die Anforderungen an den Antriebsstrang beziehen sich heute vor allem auf Gleit- und Verschleißeigenschaften sowie den Schutz gegen Korrosion. Beschichtete Oberflächen tragen zu einem besseren thermischen Verhalten oder zur Erhöhung der Lebensdauer bei. Dabei betonte er, dass jede Beschichtung im Fahrzeug eine Funktionsschicht ist. Für die weltweit 90 Millionen Fahrzeuge pro Jahr ergibt dies ein Volumen von 25 Milliarden Euro pro Jahr im Antriebsstrang. In Zukunft wird nach seinen Worten die Elektromobilität über den Hybridantrieb zum vorwiegend alleinigen Antrieb werden. Dabei wird als weiterer Zwischenschritt ein Verbrennungsmotor als Generator zur Lieferung des Antriebsstroms eingesetzt werden.

Beim reinen Batteriefahrzeug wird die Oberflächentechnik nach wie vor den Verschleiß- und Korrosionsschutz übernehmen, hinzu kommen Aufgaben der Kontaktierung und unter Umständen zur Schaffung von katalytischen Oberflächen. Neue Belastungen erwachsen bei Brennstoffzellen durch den Schutz gegen deionisiertes Wasser oder Wasserstoff, aber auch gegen Alkohole, die unter anderem Aluminium angreifen. Neben den eigentlichen Beschichtungen liefert auch die Qualifizierung von neuen Schichtsystemen Entwicklungsherausforderungen.

Detailliert ging Dr. Schmidt auf die zukünftig höheren Spannungen der Leistungselektronik durch Spannungen von bis zu 400 Volt ein. Hier spielt die freigesetzte­ Wärme beim Abrufen der elektrischen Leistung eine große Rolle, die durch neue Arten der Wärmeableitung zu bewältigen ist.

Beim Elektromotor wird einerseits ein temporärer Korrosionsschutz von der Herstellung der Einzelteile bis zum Einbau ins Fahrzeug erforderlich und andererseits ein Lebensdauerschutz durch Anodisieren der Aluminiumteile oder Zink und Lack, auch partiell. Hohe Anforderungen ergeben sich hier auch durch die zahlreichen Durchführungen der elektrischen Leitungen, die zu schlechten Kontakten und erhöhter Korrosion beitragen. Weitgehend ohne mechanische Belastungen arbeitet der Elek­tromotor selbst; hier sind lediglich die für den Kraftschluss verantwortlichen Übergänge zu betrachten.

Aluminiumleitungen im Automobil

Im ersten Teil des Vortrags stellte Markus Gärtner die Verwendung von Aluminiumleitungen im Fahrzeug und die daraus entstehenden Herausforderungen dar. Wie beim Antrieb wird auch für das Bordnetz eine Gewichtsreduzierung gefordert. Dies gilt insbesondere durch die stark gestiegene Elektrifizierung von Fahrzeugen, was durch den Ersatz der bisher gebräuchlichen Kupfer- durch Aluminiumleitungen erfolgt. Dabei stellen die Kontakte die Herausforderungen dar. Bisher wird vor allem für Batterie- und Massekontakte mit Querschnitten von mehr als 10 mm2 bereits Aluminium eingesetzt. Neu ist die Verwendung von kleinen Querschnitten, die in der Regel in Kabelbäumen verbaut sind. Der Ersatz bringt eine Gewichtseinsparung von etwa 50 Prozent.

Klassische Kontakte sind Crimb-Kontakte, die bei Kupfer einfach verquatscht werden. Bei Aluminium wird durch Ultra­schallschweißen das Drahtbündel mit einer Hülse verbunden. Entscheidender Parameter ist die Querleitfähigkeit zwischen den einzelnen Drähten. Dies gibt den Wert für die maximale Stromübertragung beziehungsweise den Übergangswiderstand. Die Hülse ist üblicherweise aus Kupferwerkstoffen, die bei Einwirkung von wässrigen Medien zu Kontaktkorrosion neigen. Zur Vermeidung von Korrosion wird der Kontakthülse ein Korrosionschutz beigefügt, der aus Zinn (Feuerverzinnung), einer Messing- und Zinnschicht besteht. Das Zink der Messingschicht übernimmt hier die Auf­gabe eines Opfermetalls.

Im zweiten Teil des Vortrags diskutierte Hans-Ullrich Eckert das Galvaniksystem aus Messing und Zinn. Anfänglich wurde zur Bewältigung der Anforderungen auf die Feuerverzinnung eine Zinn- und eine Zinkschicht aufgebracht. Korrosionstechnisch ist dieses System die ideale Lösung, allerdings wird der Übergangswiderstand sehr hoch. Da das Kontaktelement bereits aus vier verschiedenen Werkstoffen besteht, musste in ersten Schritten an unterschiedlichen Werkstoffkombinationen das elek­trochemische Verhalten bestimmt werden. Hierbei zeigte die Kombination aus Messing und Zinn die besten Gesamtergebnisse.

Kathoden für Batterien

Dr. Seniz Sörgel stellte ein Verfahren zur Entwicklung von neuen Kathoden für Lithium-/Schwefel-Batterien vor. Die Lithium-/Schwefel-Batterien besitzen gegenüber den heute üblichen Lithiumionenbatterien eine wesentlich höhere Ladekapazität und zugleich einen Kostenvorteil gegenüber den heute gängigen Batterien. Bei dieser Batterie ist der Schwefel in einer Kohlenstoffmatrix gebunden. Nachteilig ist die geringe elektrische Leitfähigkeit von Schwefel oder die Bildung von inhibierenden Ablagerungen auf Anode und Kathode. Zudem muss die Lebensdauer des Batterieaufbaus erhöht werden.

Bisher wurde die Schwefel-Kohlenstoff-Mischung durch mechanische Verfahren (Sprühen, Räkeln) auf einen Träger aufgebracht. Neue Ansätze gehen dahin, durch Dispersionsabscheidung aus Schwefel und Kupfer eine feine Verteilung von Schwefel auf einer Kupfergrundschicht zu erzielen. Durch das Erzeugen einer strukturierten Schicht lässt sich außerdem die Oberfläche vergrößern. Da Schwefel in wässrigen Lösungen kaum beständig ist, werden Schwefelpartikel funktionalisiert. Mit diesem Ansatz konnten sehr flexible Kupferfolien mit eingebauten Schwefelpartikeln erzeugt werden.

Ein zweites Konzept befasst sich mit der Abscheidung einer Nickelschicht mit eingebauten Schwefelpartikeln. Damit würden Schaumkathoden erzeugt, die eine sehr hohe aktive Oberfläche im Verhältnis 11:1 besitzen. Die Nickel-Schwefel-Dispersionsschichten sollen anderen Untersuchungen zufolge katalytische Eigenschaften besitzen. Dazu wurde Nickel aus einem Elektrolyten mit Thioharnstoffadditiv abgeschieden, das die gewünschte Legierung entstehen lässt. Daraus entstehen Schichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung, wobei an der Außenseite die gewünschte Nickel-Schwefel-Legierung entsteht. Die Vermessung zeigt die gewünschte Funktion mit Potenzial für weitere Verbesserungen.

wird fortgesetzt