Galvanotechnik in Industrie und Forschung

Eine Abteilung des Fraunhofer IPA stellt sich vor

Galvanotechnik, so nennt sich die Abteilung des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung in Stuttgart unter der Leitung von Dr. Martin Metzner. Hier beschreibt der Name genau das, womit sich die Abteilung seit mehr als 30 Jahren beschäftigt. Sie ist die Schnittstelle zwischen Industrie und Forschung bei allen wesentlichen Fragestellungen rund um die chemische und elektrochemische Metallabscheidung.

Mit einem interdisziplinär arbeitenden Team aus rund 20 wissenschaftlichen und technischen Mitarbeitern aus den Bereichen Werkstoffwissenschaften, Galvanotechnik, Chemie, Maschinenbau und Konstruktionstechnik bietet das Fraunhofer IPA eine der größten Forschungsabteilungen im deutschsprachigen Raum mit dem Schwerpunkt Galvanotechnik.

Im Fokus der Arbeiten steht die Galvanotechnik. Das Tätigkeitsfeld erstreckt sich von der Entwicklung von neuen Schichtwerkstoffen und den dazu gehörigen Abscheideverfahren und Prozessketten über die Schadensfallanalyse bis hin zur Planung und Konstruktion der industriellen Anlagentechnik.

Was macht die Galvanotechnik so wichtig?

Der Einsatz galvanotechnischer Prozesse nimmt eine Schlüsselstellung in der Wertschöpfungskette besonders bei komplexen Bauteilen mit hohen Anforderungen ein. Dies führt zu einem breiten Einsatz der Galvanotechnik in vielen Branchen wie beispielsweise im Maschinenbau, der Automobilindustrie, der Druckindustrie und der Medizintechnik. Somit begegnet uns tagtäglich eine Vielzahl von Produkten, die galvanotechnisch veredelt werden, um zum einen den optischen Ansprüchen gerecht zu werden und zum anderen einen wesentlichen Beitrag zum Verschleiß- und Korrosionsschutz bei beanspruchten Bauteilen zu gewährleisten. Die Breite an galvanisch abscheidbaren Metallen und die gezielt einstellbaren Eigenschaften ermöglichen die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten galvanisch beschichteter Produkte.

Die Entwicklung neuer Schichtwerkstoffe

Immer individueller werdende Forderungen nach Eigenschaftsprofilen verlangen Speziallösungen im Schichtaufbau. Neben klassischen Aspekten wie Verschleiß- und Korrosionsschutz rücken auch immer spezifischer werdende Anforderungen beispielsweise in Bezug auf Eigenspannungen in den Vordergrund. Die Neu- und Weiterentwicklung galvanischer Schichtwerkstoffe bietet dem Anwender die Möglichkeit, die Anforderungsprofile moderner Produkte zu erfüllen. Die wesentlichen Schwerpunkte liegen dabei in der:

• Weiterentwicklung und Anpassung klassischer Schichtmetalle wie Chrom, Nickel, Kupfer und Zink
• Entwicklung neuartige Systeme der Dispersionsabscheidung – dem Einbau von spezifischen Fremdstoffen in metallische Schichten
• Schichtwerkstoffentwicklung basierend auf Legierungsabscheidungen, Multilayerschichten und der Abscheidung bisher nicht zugänglicher Metalle

Die Verfahren und Prozessketten zur Schichtabscheidung

Ein wesentliches Merkmal der Entwicklungsarbeiten am Fraunhofer IPA ist es, die geforderten Eigenschaften nicht nur auf einer planaren idealen Probe im Labor darzustellen, sondern Verfahren zu entwickeln, die in die Produktionsumgebung hochskalierbar sind und die Eigenschaftsanforderungen auf dreidimensionalen Bauteilen in industrieller Chargengröße gewährleisten. Wesentliche Aspekte hierbei sind unter anderem die Toleranzen des Prozessfensters, die Streufähigkeit der Elektrolyte und die sich dadurch ergebenden Eigenschaften sowie die parallele Entwicklung von Verfahrens- und Analysevorschriften.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wird eine eigens entwickelte Beschichtungsplattform, der so genannte IPA-Elektrolytprüfstand, für die Entwicklung und Optimierung von Verfahren und Prozessen eingesetzt. Ein entsprechendes Upscaling erfolgt in einer dafür zur Verfügung stehenden automatisierten Kleinanlage mit einem Elektrolytvolumen von 60 Liter, die eine Fertigung von Kleinserien zur Bemusterung
ermöglicht.

Produktionsstillstand und Feldausfall – Schadensfallanalyse als Dienstleistung

Ausfälle von Bauteilen im Feld, unter anderem hervorgerufen durch frühzeitigen Verschleiß oder Korrosion sowie der Stillstand von Produktionsanlagen beispielsweise aufgrund mangelhafter Schichteigenschaften, erfordern Maßnahmen, die schnell und fundiert zur Behebung der Fehlerursache beitragen. Hierbei ist die Zeit ein extremer Kostenfaktor, besonders bei Produktionsausfällen, so dass eine unmittelbare Reaktion zur Ursachenforschung und Problemlösung ein wesentlicher Faktor ist. Dabei umfasst die Dienstleistung des Fraunhofer IPA nicht nur die bloße Darstellung des Fehlerbildes, sondern auch die Analyse vor Ort und das Aufzeigen von Abhilfemaßnahmen in der Produktion.

Anlagentechnik

Neben der Planung und Projektierung von üblichen Galvanikanlagen werden spezielle Lösungen für den industriellen Anwender immer wichtiger. Dabei ist ein verstärkter Trend zu Aspekten wie Energieeffizienz, Maßbeschichtung, Hochgeschwindigkeitsbeschichtung, Emissionsfreiheit und Selektivität zu beobachten. Für derartige Spezialanlagen müssen bereits bei der Konstruktion die Kenntnisse über die zugehörigen Verfahren einbezogen werden, da eine zielgerichtete Anlagenplanung und -konstruktion nur erfolgreich umgesetzt werden können, wenn fundierte Kompetenzen über alle Aspekte der Entwicklungskette vorhanden sind. Durch die enge Zusammenarbeit von Konstruktion und Verfahrensentwicklung in der Abteilung Galvanotechnik können die geforderten Aufgabenstellungen optimal bearbeitet werden.

Aktuelle Forschungsprojekte am IPA

POSEIDON – Lagertechnologie auf dem Meerwasserprüfstand

Im Rahmen des durch das BMWi geförderten Projektes Energieeffizienz von Lagern unter tribokorrosiven Betriebsbedingungen beschäftigt sich das Fraunhofer IPA in einem Teilprojekt mit der Entwicklung von galvanischen Schichtsystemen, die extremen tribokorrosiven Bedingungen Stand halten müssen. Das Ziel ist es, am Beispiel des Lagereinsatzes unter Meerwasserbedingungen, wie beispielsweise bei Gezeitenkraftwerken, einen Lagerwerkstoff zu entwickeln, der auf Abdichtung des Systems und die Schmierung verzichtet und dabei den aggressiv korrosiven Bedingungen in Meerwasserumgebung gewachsen ist. Eine weitere wesentliche Größe ist der geringe Verschleiß der Schicht, der notwendig ist, um eine maximale Standzeit der Lager zu gewährleisten.

EmSiG – Echtzeitmessung der Stromdichte zur Steigerung der Ressourceneffizienz in galvanotechnischen Produktionen

Nach dem bisherigen Stand der Technik ist kein System verfügbar mit dem in einem galvanischen Elektrolyt in situ die Stromdichte gemessen werden kann. Diese ist jedoch entscheidend für die Schichtdickenverteilung. Bei Kenntnis der Werte kann die Produktion optimiert und sowohl Material als auch Energie eingespart werden.

In Kooperation mit einem Industriepartner wurde in einem vom BMBF geförderten Projekt daher ein solches System entwickelt. Es wurde eine Messsonde konstruiert, die den Ionenstrom in einem Elektrolyten messen kann und gleichzeitig die Anforderungen für einen Produktionseinsatz erfüllt. Für die Prüfung der neuartigen Messvorrichtung wurde eine Versuchsplattform aufgebaut, mit der das System detailliert getestet und auf den Industrieeinsatz vorbereitet werden kann.

Echtzeitmessung der Stromdichte

ÖKOXAL – Energiesparendes Anodisieren von Aluminium

Aluminium als leichter Konstruktionswerkstoff ist eine Schlüsselkomponente für die moderne Technik. Da Aluminiumoberflächen aber wenig korrosions- und verschleißbeständig sind, erreichen Bauteile aus diesem Metall nur durch eine passende Oberflächenbehandlung ihre Gebrauchseigenschaften. Steht dabei eine hervorragende Verschleißbeständigkeit im Mittelpunkt der Anforderungen, sind hartanodisierte Oberflächen Stand der Technik. Diese Oxidschicht ist hart- und korrosionsbeständig.

Übliche Verfahren zum Harteloxieren sind sehr energieintensiv. Die Prozesse arbeiten bei Temperaturen um 0 °C, setzen aber erhebliche Mengen an elektrischer Energie als Verlustleistung in Wärme um, die durch Kühlung abgeführt werden muss. In einem Förderprojekt der Bayrischen Forschungsstiftung wurde gemeinsam mit einem mittelständischen Lohnbeschichter an einer Verfahrensmodifikation gearbeitet, die erhebliche Einsparungen in der Kühlleistung erreicht und eine Energiereduktion von mehr als 25 % erzielt.

European Green Car Initiative – Neue Produktionstechniken für die Batterieherstellung

Batterien sind das Herz zukünftiger Elektroautos und die entscheidende Komponente, wenn es um die Einführung umweltfreundlicher und CO₂-freier Mobilität geht. Die Technologie an sich ist heute bekannt, auch wenn es zukünftig bei den Batteriesystemen sicher noch neue Entwicklungen geben wird. Für die Einführung der Elektromobilität in einen breiten Massenmarkt, wie es das Ziel der Bundesregierung mit einer Million Elektroautos bis 2020 vorsieht, ist vor allem eines wichtig – eine ausgefeilte Produktionstechnik für Batterien, die wenig Energie verbraucht und Ressourcen schont. Im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes ELIBAMA arbeitet das Fraunhofer IPA an völlig neuen Herstellungsverfahren für kostengünstigere Batterien. In der Abteilung Galvanotechnik werden dafür neue, elektrochemisch erzeugte Folien für die Batterieelektroden entwickelt, die einerseits die Herstellungsprozesse vereinfachen und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit der Batteriezellen erhöhen sollen.

Blick in die Zukunft

Fraunhofer IPA geht neue Wege beim elektrochemischen Recycling. Wertvolle Rohstoffe und strategische Metalle sollten zukünftig mehr gebraucht als verbraucht werden. Eine Kreislaufwirtschaft sorgt vor allem für mehr Unabhängigkeit bei der Versorgung und für eine Schonung der Umwelt, wenn weniger Mineralien neu abgebaut werden müssen. Dafür sind effiziente und umweltschonende Recyclingverfahren gefragt. Die Rückgewinnung strategischer Metalle, wie beispielsweise der Seltenen Erden, erfolgt heute meist über hydrometallurgische Prozesse, das heißt Extraktion, Fällung und ähnliche Einzelschritte werden kombiniert, die Chemikalien verbrauchen und Abwasser produzieren.

Hier wird die Abteilung Galvanotechnik zukünftig neue Wege gehen und Hochtemperaturelektrolyseverfahren entwickeln, mit welchen Metalle aus einer Salzschmelze bei 300 °C bis 500 °C wiedergewonnen werden können. Die meisten technisch und wirtschaftlich interessanten Metalle lassen sich nicht aus wässrigen Lösungen durch Elektrolyse gewinnen. Hier sind Salzschmelzen ein eleganter Weg zu effizienteren Prozessen. Durch die Steuerung des Abscheidepotentials lassen sich auch verschiedene Metalle selektiv abscheiden.

Um all diese galvanotechnischen Fragestellungen sowohl in Industrie- als auch in Forschungsprojekten bearbeiten zu können, bietet die Abteilung Galvanotechnik das experimentelle, technische und wissenschaftliche Know-how sowie die erforderliche Infrastruktur mit chemischer und metallographischer Analytik.

• www.ipa.fraunhofer.de