Bericht über den eiffo-Tag am 11. Oktober 2017 in Karlsruhe

Udo Sievers konnte etwa 40 Interessenten zum inzwischen dritten eiffo-Tag in Karls­ruhe begrüßen. Eingangs gab er einen kurzen Überblick auf die Entwicklung der letzten Jahre. Inzwischen sind 40 Unternehmen sowie zwölf Forschungseinrichtungen im Netz­werk aktiv. In dieser Zeit konnten 20 Innovationsprojekte mit einer Budgetsumme von 20,1 Millionen Euro und Förderungen von 12,6 Millionen Euro erfolgreich durchgeführt werden. Die Projekte befassen sich mit Entwicklungen in den Bereichen neue Werkstoffe, funktionale Beschichtungen, Energie- und Materialeffizienz sowie Prozess- und Anlagentechnik. Aktuell sind zehn Projekte in Bearbeitung.

Projektarbeit - Ergebnisse

Multilagenschichten

Als erster stellte Dr. Peipmann die bisher erzielten Ergebnisse des Projekts über Multilagen vor. Hierbei stand unter anderem der Verschleißschutz im Fokus, bei dem der Projektpartner NovoPlan eine intensive Zusammenarbeit mit der TU Ilmenau betreibt. Unter Multilagen ist in diesem Fall eine Sandwichstruktur von mehr als zwei Lagen unterschiedlicher Zusammensetzung zu ­verstehen. Derartige Schichten können beispielsweise durch Abgleiten auf Spannungen reagieren. Dadurch sollten sich Rissbildungen begrenzen lassen. In der Praxis kommen kommerzielle Verfahren mit den üblichen Automatisierungen zum Einsatz. Nachteilig zeigte sich bei unterschiedlichen Verfahren der Aufwand für den Wechsel zwischen unterschiedlichen Elektrolyten der einzelnen Prozessstufen für die jeweiligen Schichten. Bei Verwendung eines Elektrolyten ist es in der Regel nur möglich, die Schichten mit unterschiedlichen Anteilen, aber keine reinen Metalle abzuscheiden.

In ersten Ansätzen wurden Chrom(III)elektrolyte in reiner Form eingesetzt, mit ­denen aber maximal eine Nickelschicht auf Chrom aufgebracht werden kann. In einer weiteren Reihe wurden Nickelverfahren mit Nickel-Chrom-Elektrolyten eingesetzt, wobei die Aussichten zur Herstellung einer höheren Zahl an Multilagen eher gering sind. Deutlich besser sieht die Situation bei der Abscheidung von Nickel und Nickel-Phosphor aus. Schichtfolgen mit Einzeldicken von etwa 3 µm mit bis zu 32 Lagen wurden hergestellt. Die Schichten unterscheiden sich im Phosphoranteil, der zwischen etwa 6 % und etwa 14 % liegt. Bezüglich Abrieb zeigen die Schichten mit vier bis 16 Lagen gute Ergebnisse. Dr. Peipmann wies darauf hin, dass zur Charakterisierung der Systeme AFM-Unter­suchungen sehr vorteilhaft sind, da neben der Struktur vor allem auch physikalische ­Eigenschaften wie Magnetismus oder elek­trische Eigenschaften erfassbar sind.

Hinweis: Ein detaillierter Fachbeitrag zum Projekt über Multilagen ist in dieser WOMag-Ausgabe auf Seite 20 enthalten.

Nanocontainer in Zinkschichten

Zur Erhöhung des Korrosionsschutzes werden in einem weiteren Projekt, dessen Zwischenergebnisse Wolfgang Knoll erläuterte, Nanocontainer in galvanischen Zinkschichten mit abgeschieden. Vorgesehen ist hierbei, Stoffe mit einer Selbstheilungsfunktion zu verwenden, um so einen temporären Korrosionsschutz bei Beschädigung der Schichten zu erzielen. Inzwischen lassen sich glänzende Zinkschichten von 15 µm Dicke mit Nanocontainer abscheiden. Die Verteilung der Nanocontainer kann je nach Strömungsgeschwindigkeit oder Strömungsart modifiziert werden. Die Schichten erreichten im Korrosionstest eine Standzeit von bis zu 300 Stunden. Dabei sollten die Korrosionsbeständigkeiten durch den Einsatz von weiteren Inhaltsstoffen der Container noch verbesserbar sein. Ebenso ist es denkbar, neben Korrosionsschutzmedien beispielsweise auch eine Schmierwirkung zu erreichen.

 

Zinklamellenschichten

Udo Sievers erläuterte die bisher durchgeführten Arbeiten zum neuen Projekt der Optimierung von Zinklamellenbeschichtungen. Hier standen die Verbesserung des Korrosionsschutzes und der Haftung sowie eine vereinfachte Handhabung im Fokus.

Anodengestaltung für das Verzinken

Die erzielten Ergebnisse bei der effizienten Anodengestaltung für das elektrolytische Verzinken wurden von Axel Dittes vorgestellt, bei dem Zinklöseabteile zur Ergänzung der Zinkgehalte entfallen sollen. Verbesserungen bringt hier die Optimierung der Zink­auflösung. Theoretisch sollte dies mit sehr kleinen Zinkpartikeln möglich sein, ohne dass Zink bis zur Schlammbildung zerfressen wird. Günstige Eigenschaften sollten durch Veränderung des Kristallgefüges oder durch Zulegieren von weiteren Stoffen erzielbar sein. Das Legieren brachte bisher nur bedingt Verbesserungen. Ähnliches ergab sich durch Auswalzen und thermisches Behandeln des Zinks. Bessere Ergebnisse im Hinblick auf die Auflösung wurden durch Formgebung des Anodenmetalls in Richtung eines ringförmigen Systems erreicht.

Zwischenstand laufender Projekte

Unter dem Arbeitstitel Galvanik 4.0 werden Projekte zur Produktionstechnik zusammengefasst, beispielsweise der Serienbeschichtung von Verbindungselementen, die Prozessbeherrschung bei Verfahren mit engem Prozessfenster oder der automatischen Steuerung und Optimierung von Prozessen. Bereits weiter fortgeschritten ist das Projekt zur Prozessoptimierung in der Lieferkette (Meman). Hier werden unter anderem Prozess­effekte bei Auftreten von Lieferstörungen, beispielsweise durch Einsatz von weniger geeigneten Grundwerkstoffen, untersucht. Dazu werden Lieferketten modelliert und simuliert. Als Beispiel für ein entsprechendes Produkt wurde die Beschichtung von Kolbenstangen mit Chrom betrachtet.

Im Projekt Systemoptimierung der elektrischen Energietechnik stehen Blockheizkraftwerke im Mittelpunkt, mit denen eine flexible und stromgeführte Erzeugung von elektrischer Energie für die Produktion erzielt werden soll. Es ist vorgesehen, die ­Ergebnisse auf unterschiedliche Unternehmenstypen zu übertragen. Bei diesem Projekt besteht die Möglichkeit, sich in einem zu gründenden Arbeitskreis zu beteiligen. Das Projekt Inline­Plat befasst sich mit der Optimierung der galvanischen Abscheidung durch eine Anlagentechnik für die Hochgeschwindigkeitsabscheidung. Vorgesehen ist hier zudem die Entwicklung einer geschlossenen Produktion mit einer integrierbaren Anlagentechnik.

Am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA werden Arbeiten zur Erfassung von Prozessdaten und die Auswertung der Daten mit dem Ziel der Prozessoptimierung durchgeführt. Die Datenaufnahme startet beim Eingang der Werkstoffe und zieht sich über den gesamten Produktionsprozess hinweg. Die hierbei entstehenden Lösungen sollen auch zur Verkürzung von Prozessentwicklungen nutzbar gemacht werden. Dazu wird momentan in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM die Herstellung eines flexiblen Sensors in Bandform getestet.

Beim Projekt über Dispersionsschichten für den Verschleißschutz kommen unterschiedlich große Partikel zum Einsatz. Derartige Schichten zeigen im ersten Ansatz eine deutliche Verringerung des Verschleißes bei Kombination von Nano- und Mikropartikeln.

Abluftreinigung und Wärmerückgewinnung in Hartverchromungsanlagen erfordern eine Verbesserung der Technologie, da hier besonders hohe Anteile an Aerosolen auftreten, die zudem stark korrosiv wirken. Dazu wird an der Herstellung neuer Filter gearbeitet. Ein Ansatz richtet sich auf die Ionisierung von Luft, durch welche die geladenen Partikel auf Metallnetze abgeschieden werden können. Durchgeführte Versuche zeigten bei diesem Ansatz keine Wirkung. Bessere Ergebnisse wurden durch eine Änderung der Aufladungstechnik erzielt, wobei sich etwas mehr als die Hälfte der Aerosoltröpfchen in der Größenordnung im Nanometerbereich abscheiden lassen, die allerdings auf die Masse bezogen 90 % entspricht.

Industrie 4.0 in der Oberflächentechnik

Anpassung und ­Erweiterung von ERP-Systemen

Michael Hellmuth ging auf die Digitalisierung im Hinblick auf Industrie 4.0 ein. Im Rahmen von Arbeiten am Beispiel der Beschichtung von Verbindungselementen zeigt es sich, dass eine Optimierung nur bei detaillierten Kenntnissen der Prozesse sinnvoll ist. Dazu werden zunächst Daten in großem Umfang archiviert und im zweiten Schritt über eine Auswertung Rückschlüsse für die Produk­tion beziehungsweise die Zusammenarbeit mit dem Kunden gezogen.

In Betrieben der Oberflächentechnik ist als Besonderheit zu berücksichtigen, dass keine eigentlichen Produkte hergestellt, sondern nur die Gesamteigenschaften verändert werden. Dies ist für viele ERP-Systeme nicht ohne weiteres sinnvoll zu bewerten. Für die Oberflächentechnik sind damit beispielsweise Energieverbräuche, erzeugte Abfälle oder auch der CO2-Fußabdruck relevant. Ein ERP-System benötigt je nach Betrachtungszeitraum teilweise die Daten sehr kurzfristig; somit ist eine direkte Datenabfrage beim Beschichtungsunternehmen erforderlich. Dies gilt vor allem auch aufgrund der Tatsache, dass teilweise sehr kleine Losgrößen pro Kunde anfallen.

Mit den erhaltenen Daten wird der Betreiber einer Beschichtungsanlage in die Lage versetzt, mit hoher Auflösung Angaben wie Energie- und Rohstoffverbrauch einzelner Anlagen oder auch Energieeffizienz oder Abfallerzeugung pro Teil oder pro Charge zu erhalten. Allerdings lassen sich diese Angaben erst nach Durchführung eines Auftrags ­erstellen. Um die entsprechenden Angaben sofort bei der Bearbeitung oder sogar im Vorfeld zu ermitteln, wurde im vorgestellten Projekt die Option zu Simulationen erarbeitet. Daraus wiederum ergibt sich die Möglichkeit zur Optimierung von Prozessen.

Hohe Anforderungen bestehen bei der Datenerfassung durch veraltete oder fehlende Schnittstellen zwischen den Anlagen und deren peripheren Ausstattungen. Durch die stark gestiegene Anzahl an ­Mobiltelefonen wurde eine Basis geschaffen, über diese Schnittstelle einen schnellen und effizienten Kontakt zum Menschen in einer Produktion herzustellen. Die dadurch entstandenen Mitarbeiter-Assistenzsysteme liefern alle Daten zur optimalen Zeit und im geeigneten Umfang. Eine andere Betrachtungsrichtung ist die zum Kunden. Auch diese werden aus den gesammelten Daten aus der Produktion erzeugt und können nach einer angepassten Bearbeitung verfügbar gemacht werden. Damit wird die Darstellung der jeweiligen Prozess- und Lieferkette möglich. Die Kommunikation mit dem Beschichtungsunternehmen kann soweit gehen, dass der Kunde Angaben zur Teileauslieferung, dem Fertigstellungsgrad oder der Qualität erhält.

Datenaustausch und Datenabgleich

Dr. Uwe König richtete den Blick auf den Datenaustausch und Datenabgleich zwischen Behörden, Kunden und Beschichtern am Beispiel der Lieferkette für die Automobilindustrie. Dazu wies er einleitend darauf hin, dass einzelne Unternehmen oftmals Gefahr laufen, in der Fülle der Teilnehmer innerhalb einer Prozesskette verlorenzugehen. Um trotzdem eine sinnvolle Erfüllung der Anforderungen zur Informationsverteilung zu gewährleisten, sollten bestimmte Vereinbarungen über Umfang und Inhalt von Kenngrößen getroffen werden. Als Beispiel können die Risikodaten für die ECHA herangezogen werden. Dazu gehören zum Beispiel die Vereinbarung des Datenumfangs, eine gemeinsam festgelegte Datenanalyse, die Möglichkeit zur Weiterentwicklung oder daraus eine Prozesssteuerung zu gewinnen. Tatsächlich umgesetzt wurde eine vergleichbare Datensammlung der Autoindustrie in Form der IMDS-Daten, die aus den Anforderungen der Altautoverordnung entstanden sind. BMW hat mit dieser Ausrichtung die gemeinsamen Entwicklungsarbeiten mit den Zulieferern vernetzt. Eine gleichbedeutende neue Datensammlung ist die GLAPS-Liste mit allen Materialien in Fahrzeugen. Hierbei zeigten sich regionale Unterschiede, aus denen wiederum Kennwerte wie kritisch, berichten oder unkritisch abgeleitet werden.

Patric Hering spannte den Bogen zur Erfassung und Auswertung von Daten noch ein Stück weiter, indem er den Blick auf einen möglichen Nutzen für den Anwender richtete. So lässt sich zeigen, wie die erfassten Daten beispielsweise zur Erfüllung der gesetzlichen Bestimmung, zur Anlagen- und Funktionsüberwachung, der Erfassung von Betriebs­daten und Relationen zu anderen Betriebs­zuständen (z. B. Trendkurven) genutzt werden können. Insbesondere die Unterstützung beim Auftreten von Fehlfunktionen in einem Prozess ist hoch zu bewerten. Als Kenngrößen für einen Abluftwäscher eignen sich die Luftmenge, Differenzdrücke, pH- und Leitwert, Füllstände, Stromverbräuche von Elektromotoren, Wärmemengen, Schadstoffmengen oder Wasserverbräuche.

Die Vorteile für den Nutzer solcher Systeme sind eine vorausschauende Instandhaltung, schnelle Informationskette bei auftretenden Problemen, Kosteneinsparung oder eine Entlastung der verantwortlichen Mitarbeiter im Unternehmen.

Analytik als Basis für Industrie 4.0

Die flexible chemische Prozesskontrolle am Beispiel der Halbleiterindustrie zeigte Dr. Michael Sowa auf. Mit dem dazu prädestinierten Analysensystem lassen sich nahezu alle chemischen Prozesse kontrollieren und steuern. Das Analysensystem wird zu diesem Zweck in Absprache mit dem Anwender und Anlagenbauer abgestimmt. Dabei ist es nicht wichtig, die Funktionen der einzelnen Bestandteile in den zu analysierenden chemischen Systemen zu kennen, sondern nur die Art der Signalauswertung der unterschiedlichen Verfahren wie Titration, Voltametrie oder HPLC. Das Analysensystem kommuniziert mit der jeweiligen Beschichtungsanlage und führt nicht nur Analysen aus, sondern kann auch die Nachdosierung ­übernehmen, wobei das Dosiersystem sowohl mit den Analysendaten als auch mit unterschiedlichen Kennwerten einer Beschichtungsanlage arbeitet. Die Analysen können soweit gehen, dass Kunden dem Analysenlieferanten auch die Ermittlung von Kenngrößen, aus denen die Beurteilung von chemischen Prozessen erfolgen kann, beispielsweise die Oberflächenspannung, HPLC oder Gesamtkohlenstoffgehalt, überlassen. Gleiches Vorgehen wird auch für die Nachdosierung vorgenommen. Aus allen diesen Daten ergeben sich die Bestandteile an Einzelverfahren, aus denen das Prozesssteuerungssystem aufgebaut ist.

 

Vollautomatische Qualitätsprüfung

Eine große Herausforderung stellte die Prüfung der Qualität von hochglänzenden Teilen dar, wie sie beispielsweise für die Innenausstattung von Fahrzeugen in Form von galvanisch beschichtetem Kunststoff in großen Mengen anfallen. Die Prüfung der Teile­qualität erfordert den Einsatz von speziell geschultem Personal, von dem zudem eine hohe Konzentration gefordert wird.

Michael Ludy verfügt seit kurzem über ein Kamerasystem, mit dem glänzende Teile, vorzugsweise in den Farben Chromglanz und Schwarzchromglanz mit sehr hoher Zuverlässigkeit und akzeptablem Zeitaufwand geprüft werden können. Einer der besonderen Vorteile der Technologie ist, dass die Geometrie der Oberfläche beliebig sein kann. Erkennbar sind feinste Risse, Lunker, Poren oder Pickel sowie vom Grundmaterial ausgehende Wachstumsstörungen der Galvanikschicht. Mit einer entsprechenden ­Software lassen sich damit Teile aussortieren oder kennzeichnen. Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, die Prüfergebnisse zu archivieren und auf Systematik hin auszuwerten, um die Prozesse zu optimieren.

Datenbank für Unternehmensauswahl

Die WOTech bietet im Rahmen ihres Fach­services unter www.womag-online.de eine Datenbank für die Auswahl von Unternehmen entlang der Prozesskette von der mechanischen Werkstoffbearbeitung bis zur abschließenden Oberflächenbehandlung. In der Datenbank mit einem Umfang von derzeit über 1500 Unternehmen finden sich Anbieter von Verfahren, Anlagen und Geräten sowie Dienstleistungsunternehmen für die unterschiedlichen Arten der Teilebearbeitung. Für die Auswahl stehen Kategorien wie Grundwerkstoff, Beschichtungsmaterial, Bearbeitungstechnologie oder die Art der Anwendung beziehungsweise des Einsatzes von Teilen zur Verfügung. Diese Daten werden zudem ergänzt durch allgemeine Informationen zu Technologie sowie kurzen Beschreibungen der erfassten Unternehmen.

Fazit

Der eiffo-tag zeigte auch dieses Jahr wiederum eine Vielzahl von erfolgversprechenden Projekten und Ansätzen, durch die eine Weiterentwicklung der Galvanotechnik erreicht werden kann. Zunehmend ist ein besonderer Erfolg in dem gegenseitigen Austausch von Ideen und Sichtweisen zwischen den einzelnen Projekten erkennbar.

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