Stuttgarter Kongress für Oberflächentechnik

Oberflächen 09. 09. 2013

Bericht über eine Veranstaltung des Fraunhofer-Instituts IPA am 19. Juni in Stuttgart

Dr. Martin Metzner, Abteilungsleiter Galvanotechnik am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), konnte mehr als 60 Teilnehmer in Stuttgart begrüßen. Er wies einführend darauf hin, dass erstmals die Konferenz über Oberflächentechnik mit der Vergabe des Preises Oberflächentechnik verbunden wurde. Darüber hinaus wurde neben der Oberflächentechnik auch der Maschinen- und Anlagenbau als Programmpunkt zum ersten Mal mit einbezogen. Damit wurde den Teilnehmern ein breites Programm an Fachwissen aus dem Bereich der Oberflächentechnik angeboten.

Ultraeffizienzfabrik und Oberflächentechnik

Prof. Dr. Thomas Bauernhansl, Institutsleiter des Fraunhofer-IPA, eröffnete die Fachvorträge und wies einleitend auf die Bedeutung der Oberflächentechnik als eine sehr wichtige Querschnittstechnologie hin. Diese Bedeutung zeigte er an seinem Konzept der ultraeffizienten Produktionsfabrik. Die Steigerung des Pro-Kopf-Einkommens, die in erster Linie in den Entwicklungsländern stattfindet, macht es erforderlich, mit modernen, effizienten und umweltfreundlichen Methoden zu produzieren. Dabei steht vor allem die Herstellung von kostengünstigen Produkten im Vordergrund. Aber auch der effiziente und sparsame Umgang mit wichtigen Ressourcen wird die Art der Produktion in den nächsten Jahren stark beeinflussen. Neben den energieliefernden Rohstoffen müssen hier auch Wasser und Luft als begrenztes Material betrachtet werden.

Die Produktion wird einen Paradigmawechsel zu Green Economy erfordern, der selektives Wachstum mit starkem Fokus auf Nachhaltigkeit erfordert. Dafür wird ein neues Technikkonzept entwickelt werden müssen. Hinsichtlich des Energieverbrauchs müssen Ressourcenverbrauch und Wachstum entkoppelt werden, um die Energieeffizienz zu verbessern. Hier gibt derzeit Deutschland den Weg vor, da Energieeffizienz und Ressourcenschonung bereits ein zukunftsträchtiges Niveau erreicht haben. Trotzdem zeigen Studien, dass immer noch ein hohes Potenzial an Einsparung möglich ist. Hierbei stellen Effizienz und Effektivität die wirkliche Alternative zum Verzicht auf Produkte dar. Des Weiteren wird eine Verbesserung der Informationstechnologie zum Erreichen der ultraeffizienten Produktion wesentlich beitragen.

Unter dem Begriff Ultraeffizienz versteht Dr. Bauernhansel den Multiplikator aus Effizienz und Effektivität. Konzepte befassen sich mit Energiegewinnung, Energieverteilung und Energierückgewinnung. Als Werkzeug wird unter anderem auf Smart Grids zurückgegriffen, die in unterschiedlichem Umfang von lokalem Einsatz in einer Produktionsstätte oder auch als lokal übergreifendes System arbeiten. Dazu stellte der Vortragende unterschiedliche Ansätze für Systeme vor, die Energie verbrauchen.

Im Materialbereich geht ein fortschrittlicher Ansatz dahin, dass der Materialeinsatz als biologischer oder technischer Kreislauf betrachtet wird. Im biologischen Kreislauf werden Rohstoffe nach der Nutzung wieder in die Herstellung zurückgeführt. Beim technischen Kreislauf wird angestrebt, dass die Fabrik nur noch Materialien in Produkten verlassen und alles andere im Kreislauf in der Produktion verbleibt. Im Bereich der Oberflächentechnik wird in Form der Selek­tivbeschichtung ohne Abfall gearbeitet. Ein weiteres zukunftsträchtiges Produkt ist eine Ringdichtung aus Metall, die aus einem Blechstreifen durch Umformen und Schweißen hergestellt wird. Auch hierbei fällt kein Abfall an. Allerdings muss dabei erheblich von den klassischen Bearbeitungstechnologien abgewichen werden. Für das notwendige Grundmaterial spielt CFK zunehmend eine Rolle, um klassische Metalle zu ersetzen.

Mit der Arena 2036 wurde vom Institut des Referenten ein Konzept entwickelt, bei dem eine individualisierte Fertigung für Fahrzeuge aufgebaut wird. Diese Vision der neuen Produktion wird in den nächsten 15 Jahren in Stuttgart aufgebaut werden. Ein weiteres interessantes Projekt befasst sich mit dem Recycling von Elektroschrott, bei dem die Kenntnisse der Galvanotechnik mit einbezogen werden. Hierbei werden die wichtigen Rohstoffe chemisch in Lösung gebracht und anschließend durch elektrochemische Reduktion zurückgewonnen. Um die Aufgaben erfüllen zu können, spielen hochqualifizierte Fachkräfte eine entscheidende Rolle.

Bauteile mit Mehrwert

Dass die Oberflächentechnik zum Mehrwert bei Bauteilen beiträgt, zeigte Dr. Tim Hosenfeldt, Leiter des Kompetenzzentrums­ Oberflächentechnik bei Schaeffler, in seinem Beitrag. Inzwischen sind bei Schaef­fler Technologies mehr als zehn Prozent der Produkte von der Qualität der Oberflächenbeschichtung entscheidend abhängig. Vor allem im Bereich der e-Mobility erhält die Entwicklung von neuer Beschichtungs- und Oberflächentechnik einen zunehmend hohen Wert. Dabei betonte der Vortragende, dass die Entwicklung neuer Verfahren und Produkte zur wichtigsten Aktivität von Unternehmen geworden ist, um am Markt bestehen zu können.

Insbesondere die Schaffung von Mehrwert durch die Oberfläche – wobei es nach Aussage des Vortragenden gut ist, dass jedes Bauteil eine Oberfläche hat – wird zu einem entscheidenden Faktor bei neuen Produkten. Im Falle von INA (Produktmarke von Schaeffler) wird hoher Wert auf die Senkung des Verschleißes und die Einstellung von definierter Reibung gelegt. Zudem steht der Schutz gegen Korrosion bei Produkten nach wie vor als eines der wichtigsten Kriterien auf der Liste der Forderungen. Tribologische Schichten auf Lagerwerkstoffen kommen beispielsweise unter extremen Bedingungen in der Luftfahrt oder bei stark belasteten Vorrichtungen in Meeresumgebung zum Einsatz. Im Falle von tribologischen Systemen muss stets das spezielle System aus Bauteilart, Oberflächenmorphologie und den vorliegenden Reibparametern (Stoff, Temperatur, Konzentration) betrachtet werden. Als ein wichtiges Schichtsystem gilt im Falle von starker Reibung der Aufbau mit kohlenstoffbasierten Schichten. Diese liegen in Aufbau und Verhalten zwischen Graphit und Diamant, wobei wiederum die Anpassung an die Einflussparameter entscheidend ist.

Entwicklungen müssen heute möglichst schnell in Produkte umgesetzt werden, um am Markt erfolgreich bestehen zu können. Am Beispiel von reibungsreduzierten Ventiltrieben demonstrierte Dr. Hosenfeldt, wie sich der generierte Mehrwert bemerkbar macht. Erreicht wird es in diesem Fall durch eine DLC-Schicht, die auch gegenüber dem sehr aggressiven Motorenöl 0W20 mit MoDTC außerordentlich beständig ist. Die Prozesse können allerdings nicht nur optimal dem Belastungsfall angepasst werden, sondern sind auch auf ein sehr breites Spektrum an Bauteilgrößen von wenigen Millimetern bis hin zu mehreren Metern anwendbar. Die hierauf abgestimmten Prozessketten beinhalten alle bekannten Verfahren der Werkstoffbearbeitung und Oberflächentechnik.

Eine neue Belastungsart ist die Beaufschlagung mit Strom, die eine dem Verschleiß ähnliche Beschädigung beim Bauteil hervorruft. Zur Erfüllung der Anforderungen wurden Isolationsschichten entwickelt. Entstanden sind DLC-, ACC-Lackschichten oder Polyamid. Zu den neuesten Entwicklungen zählen Sensorschichten für 2D- und 3D-Bauteile, die direkt auf die unterschiedlichen Bauteile aufgebracht werden und dem Kunden ermöglichen, auf den bisherigen Sensor zu verzichten. Abschließend wies Dr. Hosenfeld darauf hin, dass Oberflächentechnik entscheidend zur Ressourcenschonung beiträgt.

In der anschließenden Diskussion stellte der Vortragende klar, dass das Unternehmen Schaeffler großen Wert auf die Reinigung von Oberflächen legt, damit Beschichtungssysteme die notwendige hohe Haftung zum Substrat erfüllen können.

Zukunftsforschung

Den Blick in die Zukunft richtete Dipl.-Wirt.-Ing. Elna Schirrmeister, stellvertretende Leiterin des Competence Centers Innovations- und Technologie-Management und Vorausschau des Fraunhofer-ISI. Dabei stellte sie klar, dass das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung nicht eigene Entwicklungen durchführt, sondern sich mit den Trends in der Entwicklung auf den unterschiedlichen Gebieten befasst. Dabei wird versucht, durch den Blick in die Zukunft das heutige Handeln zu varrieren, um ein gesetztes Ziel zu erreichen. In der Regel werden hierfür sehr komplexe Zusammenhänge betrachtet, wobei vor allem durch den Einfluss des Menschen die Komplexität erheblich steigt. Außerdem enthalten entsprechende Betrachtungen stets alternative Überlegungen sowie Betrachtungen zum umgebenden System. Als Einzelgrößen der Aufgaben gelten beispielsweise die Identifizierung von Treibern für Veränderungen, die zukünftigen Herausforderungen, die bevorstehenden Umbrüche oder die langfristigen Entscheidungen.

Zu den wichtigen Ergebnissen der Arbeit zählen Roadmaps, Szenarien oder auch Visionen und Leitbilder. Um Trends und Entwicklungen zu ermitteln, müssen häufig so genannte Wahrnehmungsfilter aufgebrochen werden. Dabei wird oft auf Erfahrungen zurückgegriffen und diese werden mit den Vorstellungen der Zukunft verknüpft. Hierbei nimmt das Internet als Lieferant für neue Trends eine interessante Position ein.

Ein Projektbeispiel ist die Betrachtung der Auswirkung von neuen Materialien auf Produkte und Systeme und beispielsweise der daraus folgende Aufbau von neuen Märkten. Hier nimmt die Kommunikation zwischen den Marktteilnehmern eine wichtige Funktion ein, um eine gemeinsame Strategie mit entsprechend großem Interesse an neuen Produkten erzeugen zu können. Daraus entstehen häufig wieder neue Kooperationen.

Verleihung des Preises Oberfläche 2013

Der Preis Oberfläche wurde in diesem Jahr zum zweiten Mal vergeben. Im vergangenen Jahr hatten sich 23 Unternehmen beworben, in diesem Jahr ist die Zahl sogar auf 29 angestiegen, was die Attraktivität der Auslobung für die teilnehmenden Unternehmen widerspiegelt. Dabei wurden fünf Bewerber in den engeren Kreis nominiert. In Betracht kommen alle Arten von Oberflächentechnik von der Vorbehandlung über Lackieren bis hin zu Galvanotechnik und Plasmatechnik.

Der Preis in Bronze, vorgestellt von Dr. Hilbt, ging für das Thema Nanoslide an die Unternehmen Daimler und Heller. Heller hat in Zusammenarbeit mit Daimler ein Verfahren­ entwickelt, um Zylinder für Verbrennungsmotoren innen mittels thermischem Spritzen mit einer außerordentlich verschleißbeständigen Schicht zu versehen. Diese wird in einem zweiten Schritt durch Honen geglättet, wobei für die Preisvergabe vor allem das Honen von Flammspritzschichten bei Hubkolben bewertet wurde. Damit kann die bisher übliche Verwendung von Buchsen entfallen, wodurch vor allem Motoren aus Leichtmetallen profitieren.

Der Preis Oberfläche 2013 in Bronze ging an die Unternehmen Daimler und Heller 

Die Oberfläche 2013 in Silber wurde für die Überführung einer Entwicklung in die Produktion überreicht. Hierbei wurde Optik mit Haptik verknüpft, wobei als Verfahren die Galvanotechnik und Lasertechnik zum Einsatz kommen. Der Preis, überreicht durch Dr. Metzner, geht an BIA für die Oberfläche Texture Chrome, bei der eine galvanische Oberfläche mittels Laser bearbeitet wird. Die preiswürde Herausforderung bestand vor allem darin, das komplexe Verfahren so weiter zu entwickeln, dass es unter den erforderlichen Produktionsbedingungen für den Automobilbereich betrieben werden kann.

Die Gewinner des Preises Oberfläche 2013 in Silber, die BIA Kunststoff- und Galvanotechnik

Dr. Martin Riester vom VDMA überreichte den Preis in Gold für eine Lackiertechnik, die als Durchbruch nach einer langen Zeit der erfolglosen Bemühungen gilt. Mit dem prämierten Verfahren der Pulverlackierung von Standard-MDF-Platten werden eine deutliche Kostenreduzierung, eine Unabhängigkeit vom Substrat sowie eine geringere Umweltbeeinflussung erreicht. Das Verfahren wurde von J. Wagner aus Marktdorf zur Produktionsreife entwickelt und damit ein erheblicher Fortschritt erzielt.

Der Preis Oberfläche 2013 in Gold ging an die J. Wagner GmbH 

Abschließend bedankte sich Dr. Martin Metzner bei Silke Kern für die Organisation der gesamten Tagung und des Wettbewerbs Oberfläche 2013.

Laufbahnbeschichtung

Dr. Thomas Behr stellte die Oberflächentechnologie Nanoslide zur Laufbahnbeschichtung bei Aluminiummotoren vor. Hintergrund der Fertigungstechnologie ist die steigende Bemühung, leichtere Fahrzeuge herzustellen. Hierzu wird Aluminium eingesetzt, das allerdings im Bereich der Buchsen nicht für die dort auftretenden hohen Reibbelastungen geeignet ist. Die bisher eingesetzten Stahlbuchsen wirken sich wiederum ungünstig auf das Gewicht des Motors aus.

Als Lösung bietet sich die Beschichtung des Zylinders an, die durch thermisches Spritzen ausgeführt wird. Inzwischen wird in einem neu errichteten Werk bei Daimler der V6-Ottomotor hergestellt, bei dem der Zylinder mit Eisen beschichtet wird. Hierzu wird im ersten Schritt die Oberfläche des rohen Kurbelgehäuses aktiviert. Anschließend wird mit rotierenden Düsen die Schicht aufgespritzt. Nach der Beschichtung wird die Oberfläche gehont und so eine spiegelglänzende Oberfläche erreicht. Die Beschichtung zeigt aufgrund der schnellen Erstarrung ein nanokristallines Gefüge. Die bisher notwendige Hohnstruktur zur Aufnahme des Schmieröls übernehmen die Poren des Spritzgefüges, wodurch das Ölaufnahmevermögen um etwa 80 Prozent gesteigert werden kann.

Die Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH ist Anlagenhersteller, der die vorgestellte­ Technologie vertreibt. B. Zapf stellte die Anlagentechnologie, von der Vorbearbeitung über die Beschichtung bis zum abschließenden Honen, vor. Er wies darauf hin, dass die Schicht und deren Porosität über die Länge des Zylinders gesteuert werden kann. Abschließend machte Dr. Behr klar, dass die Kombination aus Grundmaterial und Beschichtung erheblich zur Reibungsminderung und damit zu einer deutlichen Verminderung an Kohlenstoffdioxid beiträgt. Dr. Behr ergänzte bei der abschließenden Diskussion, dass die Porosität der gespritzten Eisenschicht die besten Laufeigenschaften aufweist. Verglichen wurden hierbei Spritzschichten, eingesetzte Buchsen und unterschiedliche galvanische Schichten.

Partielle Oberflächenbeschichtung

Ulrich Gutgar stellte die neuartige Oberfläche Texture Chrome der BIA aus Solingen vor. Bei diesem Herstellungsverfahren wird der galvanische Beschichtungsprozess unterbrochen und die Oberfläche des bereits metallisierten Kunststoffbauteils mittels Laser so verändert, dass partiell ein nicht­beschichtbarer Bereich entsteht. Dadurch liegen beim weiteren Beschichten metallisierte neben nichtmetallisierten Bereichen vor. Mit dem Verfahren werden rein dekorative neben funktionellen Bereichen einschließlich einer besonderen Haptik ausgestattet, was der Referent an verschiedenen Beispielen zeigte. Dabei konnten neben zweidimensionalen auch dreidimensionale Strukturflächen hergestellt werden.

Pulverlackierung auf MDF-Platten

Für den Gewinner des goldenen Preises Oberfläche 2013, die Pulverbeschichtung von MDF-Platten, übernahm P. Studerus die Präsentation der Technologie. Die Innovation liegt vor allem darin, dass es dem Gewinner erstmals gelungen ist, das nichtleitende MDF mittels Pulverlack zu beschichten. Mitteldichte Faserplatten (MDF) erhielten bisher eine abschließende Oberfläche aus Nasslack. Verwendet werden solche Faserplatten unter anderem für Möbel oder Formteile. Einer der großen Vorteile der Pulverbeschichtung ist, dass die Prozessdauer deutlich reduziert werden kann, beispielsweise durch eine geringere Zahl an Beschichtungsdurchläufen. Zudem steigt die Konstanz der Schichtdicke und der Anteil an klimaschädlichen Stoffen durch Entfallen von Lösemittel wird deutlich erniedrigt.

Für den Lackiervorgang wird die Platte zunächst vorbehandelt, gereinigt, vorgewärmt und beschichtet. Die Beschichtung wird durch Kontrolle der Feldlinien gesteuert. Abschließend wird der Lack mittels Infrarot eingebrannt. Gegenüber der bisherigen Variante des Nasslackierens können etwa 27  Prozent der Kosten eingespart werden.

Plasmatechnologien

Prof. Dr. Wolfgang Diehl vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) in Braunschweig gab einen Überblick über den Einsatz von Plasmatechnologien zur Herstellung von funktionellen Schichten für den Automobilbau. Das besondere Merkmal der Plasmatechnologien zur Beschichtung ist die Möglichkeit, eine große Zahl von gut zu variierenden Schichtzusammensetzungen zu realisieren. Durch die relativ geringe Abscheidegeschwindigkeit sind derartige Schichten mit einer hohen Genauigkeit in der Dicke herstellbar.

Ein wichtiges Einsatzgebiet für Automobile sind Beschichtungen zur Verminderung der Reibung und des Verschleißes, beispielsweise in Lagern oder Zahnradkonstruktionen. Zum Einsatz kommen in diesem Fall bevorzugt DLC-Schichten aufgrund ihrer hohen Härte und guten Gleiteigenschaften. Vor allem im Rennsport finden sich solche amorphen Kohlenstoffschichten, beispielsweise auf Nockenwellen, Ventilen, Kolben oder Pleuelstangen, aber auch für Massenfahrzeuge werden bereits derart beschichtete Kolbenbolzen eingesetzt.

Für die Herstellung ist es den Ausführungen des Vortragenden zufolge sehr wichtig, das passende System aus Grundwerkstoff, Zwischenschichten und Endschicht DLC zu wählen. Vor allem die Haftung der harten Schicht stellt nach wie vor eine Herausforderung für die Beschichtungstechnik dar. Neben der Härte ist auch die einstell­bare ­Eigenschaft des Benetzens bei amorphen Kohlenstoffschichten interessant. Damit lassen sich unter anderem Antihaftschichten erzeugen, mit denen beispielsweise Formen zur Herstellung von Autoreifen aus­gestattet sind.

Bei Getriebekomponenten wird durch Plasmaborieren, also durch den Einbau von Bor und Stickstoff in das Kristallgitter des Stahlsubstrats, eine deutliche Verbesserung der Härte bei gleichzeitig guter Haftung auf dem Substrat erreicht. Je nach Zusammensetzung der Plasmaatmosphäre und den gewählten Arbeitsparametern werden hier Härten zwischen 900 HV und 1800 HV erzielt. Für Scheiben schließlich lässt sich durch Abscheiden von TCO-Schichten die Transmission von Licht regulieren, wodurch zum Beispiel eisfreie Scheiben in großtechnischen Produktionsprozessen hergestellt werden. Zu den neueren Entwicklungen zählen Sensorschichten, die beispielsweise für Werkzeuge eingesetzt werden und die Qualität der hergestellten Produkte verbessern.

Anwendung und Einsatzergebnisse erläuterte der Vortragende für den Tiefziehprozess. Aber auch die Fahrwerke bei Fahrzeugen können durch die Verwendung derartiger Sensoren sicherer und komfortabler ausgerüstet werden. Hierfür werden Sensoren unter anderem in Unterlegscheiben integriert und erfassen damit die Belastung oder auch die Temperatur am entsprechenden Bauteil. In Lagerringen dienen sie zur Bestimmung der Lastverteilung, von auftretenden Unwuchten, Lagerschäden oder auch Drehbewegungen.

Nachhaltige Lackierung

Wie Dietmar Wieland in seinem Beitrag zur Beschichtung bei der Automobilfertigung einleitend bemerkte, erfordert eine Betrachtung der Nachhaltigkeit eine Bewertung des gesamten Lackierprozesses. Hierbei werden auch die Fertigungsverfahren zur Herstellung der Grundmaterialien vom Lack bis zu Beschichtungsanlage, aber auch der Standort und die dort herrschenden Bedingungen zur Energiegewinnung oder der umwelttechnischen Gesamtsituation berücksichtigt. Als Kriterium wird in der Regel der Ökologische Fußabdruck herangezogen, der auch Gewichtungen lokaler Gegebenheiten im Lebensbereich der beschäftigten Mitarbeiter beinhaltet. Bei der Lackierung tragen vor allem die CO2- und die VOC-Bildung im stärksten Umfang zu einer abträglichen Situation bei. In Bezug auf den eigentlichen Lack werden die unterschiedlichen Systeme wie Pulver oder Nasslack mit den jeweils erforderlichen Vor- und Nachbehandlungen in die Untersuchung mit einbezogen.

Beim Energieverbrauch schneidet Wasserlack am schlechtesten ab, ebenso bei der Bildung von Kohlenstoffdioxid. Bei der Betrachtung der VOC-Bildung weist Wasserlack die besten Ergebnisse vor. Lacke mit hohem Feststoffanteil (HS) sind die insgesamt vorteilhaftesten Systeme. Wird die Anlagentechnik verglichen, so schneiden die neuen wasserbasierten Lacksysteme gut ab, da die Zahl der Prozessschritte merklich abnimmt. Hier macht sich insbesondere die Arbeitsweise nass-in-nass zwischen den einzelnen Lackschichten vorteilhaft bemerkbar. Lacke auf Lösemittelbasis benötigen eine größere Zahl an Arbeitsschritten.

Wasser- und chemiefreies Lackieren

Vollständig auf Wasser und Chemikalien wird bei einem neuen Lackierverfahren verzichtet. Horst Dietmar Schmidt zeigte, wie das Verfahren auf Basis der elektrostatischen Lackierung aufgebaut ist. So wird hier durch die Abscheidung des Oversprays mit Hilfe von Elektrostatik und Trennmittel auf den bisher gebräuchlichen Wasservorhang verzichtet.

Die Leistungsfähigkeit der Technologie zeigt sich insbesondere­ beim Vergleich, zum Beispiel mit der Nassauswaschung oder dem dreistufigen Trockenfiltern.

Beschichtung für Zerspanwerkzeuge

Manfred Weigand befasste sich in seinem Vortrag ebenfalls mit einer physikalischen Beschichtungstechnik für Werkzeuge. Für solche Anwendungen sind seit längerem PVD-Beschichtungen üblich. Ein Nachteil dieser Beschichtungen ist der verringerte Wärmeabfluss von der Schneidkante in das Innere des Bearbeitungswerkzeuges, wodurch die Oberflächen einer hohen Belastung ausgesetzt sind. Verbessern lässt sich diese Situation durch die Verwendung von Diamantschichten, die sich durch einen ­höheren Wärmefluss auszeichnen.

Der Vortragende erläuterte den Ablauf, von der Erfassung der Anforderungen an das Werkzeug und den Einsatzfall, über die Ermittlung der optimalen Zusammensetzung der Schicht, den Aufbau der Beschichtungsanlage bis hin zu den erforderlichen Einrichtungen zur Variation der Beschichtung. Entstanden ist hierbei die Erzeugung von Supernitriden. Bei diesen wird die zähe Bindungsphase mit einem harten Nanokomposit kombiniert. In der Schicht sorgt ein hoher Aluminiumgehalt für die gute Oxidationsbeständigkeit und die Abscheideparameter wie Spannung, Stromfluss oder Temperatur für die Ausbildung der optimalen Nanostruktur in der Schicht. Hergestellt werden hierbei Schichten bis zu einer Dicke von 20 Mikrometer, die damit deutlich über den Werten der bisher eingesetzten Hartstoffschichten liegen.

Als Verfahren kommt die Sputtertechnologie HiPIMS zum Einsatz, bei der besonders glatte Schichten entstehen. Zugleich wird aber auch die Zähigkeit der Schichten ohne Einbuße bei der Härte gesteigert. Sehr hohe Effizienz zeigen auch Multilayer, da hier die auftretenden Spannungen im Einsatz bestmöglich verteilt und die Rissbildung über die gesamte Schicht deutlich verringert werden.

Galvanoformung

Mit zu den ersten Anwendungen der Galvanotechnik vor etwas 150 Jahren gehörte die Herstellung von Kunstgegenständen durch galvanoplastische Abscheidung. Hierbei wurden beispielsweise Eisen und Edelmetalle auf einen Kern aus Gips oder Wachs abgeschieden. Wie Klaus Schmid in seinem Vortrag ausführte, wird heute das Verfahren vor allem aufgrund der guten Möglichkeit zur Abbildung komplexer Oberflächengeometrien von technischen Bauteilen verwendet. Als abzuscheidendes Metall findet vor allem Nickel wegen der guten mechanischen Eigenschaften, wie hohe Härte, gute Wärmeleitung oder Schweißbarkeit, aber auch Korrosionsbeständigkeit, Anwendung. Diese Eigenschaften werden durch Legierungselemente, wie Kobalt oder Eisen, zu höheren Härten und Zugfestigkeiten verändert. Ein weiteres häufig eingesetztes Metall ist Kupfer und für zahnmedizinische ­Implantate Gold.

In der Regel werden für die Galvanoformung aus kostengünstigen Werkstoffen die Urformen hergestellt und den gewünschten Geometrien entsprechend bearbeitet. Nach dem Aufbringen einer elektrisch leitenden Grundschicht, zum Beispiel Silber oder Kupfer, kann die galvanische Schicht bis zu einigen Millimetern Dicke aufgebracht werden. Als besondere Herausforderung der Abscheidung gilt die Vermeidung von inneren Spannungen, da diese zum Verzug des Werkstücks führen würden. Je nach zu erwartender Belastung, die im Fall von Präge- oder Spritzformen im Bereich der Kunststoffverarbeitung sehr hoch sein können, wird die Form durch Hinterfüttern verstärkt. An zahlreichen Beispielen zeigte der Vortragende die Einsatzmöglichkeiten der Galvanoformung sowie deren Vorzüge.

Korrosionsschäden

Helmut Müller, Sachverständiger aus dem Bereich des Korrosionsschutzes, befasste sich mit der Herausforderungen des Korrosionsschutzes bei Offshore-Windkraftanlagen. Hierbei müssen sich die Hersteller von Anlagen vor allem der hohen Korrosionsbelastung durch die Umwelt stellen; aber auch die Kosten in Bezug auf den Aufwand bei der Herstellung von Korrosionsschutzbeschichtungen beziehungsweise nachfolgender Wartung und Reparatur müssen sie im Auge behalten. Insbesondere die großen Dimensionen solcher Anlagen im Hinblick auf das Handling bei der Herstellung und beim Transport zum Bestimmungsort sind die Ursache für häufig auftretende Korrosionsschäden.

Zudem bereiten die unterschiedlichen Qualitäten des Grundmaterials Schwierigkeiten bei der Verarbeitung. Sowohl die Verbindungstechniken der Stahl­elemente durch Schweißen oder Schrauben als auch die Oberflächenbearbeitung vor dem Beschichten legen den Grundstein für später auftretende Korrosion. Bereits kleinste Unachtsamkeiten bei der Herstellung führen durch die Nachbesserung und Reparatur am Einsatzort zu immensen Schadenskosten. Daher kommt der Kontrolle von Anlagen vor dem Transport an den Bestimmungsort eine überaus wichtige Bedeutung zu.

Dünnschichtphotovoltaik

Für die Herstellung von modernen flexiblen Photovoltaikzellen kommen heute PVD- und CVD-Verfahren zum Einsatz, deren Anwendung Martin Zieren vorstellte. Den Einsatz der PVD-Technologie zeigte er am Beispiel von CIS/CIGS-Zellen auf Polymeren. Dafür werden Durchlaufanlagen auf Basis der Rolle-zu-Rolle-Technik verwendet, wobei Polyimid der Grundwerkstoff ist. Der Aufbau entspricht dem für die Herstellung von Zellen auf Glassubstraten, die ebenfalls heute in Durchlaufanlagen hergestellt werden. In beiden Fällen werden die Substrate durch Bedampfen sowohl mit Rückkontakt, Absorber, Pufferschicht und Frontkontakt im Durchlauf versehen. Während die Vereinzelung bei Glassubstraten bereits vor der Beschichtung gegeben ist, erfolgt bei der Rolle-zu-Rolle-Technik im letzten Schritt die Konfektionierung zu den gewünschten Zellengrößen. Einsatz finden die flexiblen Solarzellen beispielsweise in der Architektur oder bei Automobilen.

Batteriefertigung

Zur Bewältigung der Energiewende sind noch erhebliche Verbesserungen bei der Stromspeicherung in Akkumulatoren erforderlich. Eine beschleunigte Fertigung von Lithiumionenbatterien durch galvanotechnisch erzeugte Stromleiterfolien, die Harald Holeczek vorstellte, kann hier einen wichtigen Beitrag leisten. Ein entscheidender, aber zugleich kostenintensiver Schritt bei der Herstellung solcher Speicherelemente­ ist das Einfüllen des Elektrolyten in die Batterien. Hierzu müssen die Zellen über mehrere Stunden in Trockenräumen gelagert werden. Dadurch wird der kontinuierliche Herstellungsprozess unterbrochen, so dass eine Reduzierung der Wartezeit einen erheblichen Vorteil bringt.

Ein derzeit verfolgter Ansatz geht von einer Texturierung und Perforierung der eingesetzten Kupferfolien für die Anode aus. Die geänderte Erscheinungsform der Kupferfolie lässt ein schnelleres Füllen der Zellen und zugleich eine Gewichtsreduzierung zu. Zugleich hilft die Mikrostruktur der Folie, den Binderanteil zu verringern und den Strom- und Wärmeübergang zu verbessern.

Als Herstellverfahren kommt sowohl das Strukturätzen von Ausgangsfolien als auch das galvanoplastische Aufbauen von Folien mittels geeigneter Werkzeuge in Betracht. Beim Ätzen hat es sich gezeigt, dass die Abdecklacke relativ schnell verschleißen, so dass die Galvanoformung trotz des Nachteils der relativ langsamen Abscheidegeschwindigkeit interessant ist. Mit entsprechenden Werkzeugen lassen sich bereits Folien mit einer sehr guten Schichtdickenverteilung erzeugen. Die Mikrostruktur der Folien ist reproduzierbar und durch Anpassung der Arbeitsparameter beim Abscheiden auch steuerbar.

Die damit hergestellten Folien konnten sich nach Aussage des Referenten in ersten Tests durch eine Kapazitätssteigerung und beschleunigtes Füllen bewähren.

Gelungener Auftakt

Der erste Kongress für Oberflächentechnik des Fraunhofer-IPA in Stuttgart bot einen interessanten Einblick in die Arbeiten zur Weiterentwicklung der Oberflächentechnik. Vor allem die notwendige Verknüpfung mit den vorgelagerten Prozessschritten zur Herstellung von Bauteilen für die verschiedensten Anwendungen zeigte, wie wichtig die übergreifende Zusammenarbeit der Oberflächentechnik mit Konstruktion, Fertigungstechnologie oder Werkstoffverarbeitung ist.

Dass die Oberflächentechnik eine durchaus innovative Fachrichtung ist, zeigte das hohe Interesse von Unternehmen am Wettbewerb um den Preis Oberfläche 2013. Auch hier hatten fachübergreifende Gedanken einen wichtigen Aspekt, ebenso wie die Umsetzung der begutachteten Technologien in die Praxis, die erheblich zum Erfolg der Unternehmen und zum Ansehen der gesamten Techniksparte beigetragen haben.

 
 
 

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