Modernisierung und Neubau galvanotechnischer Anlagen

Bericht über eine Veranstaltung der Stuttgarter Produktionsakademie am Frauhofer IPA am 18. März 2014

Galvanotechnische Anlagen bestehen verfahrensbedingt aus der Aneinanderreihung von mit flüssigen Lösungen gefüllten Behältern, in die Teile für die Bearbeitung unterschiedlich lange getaucht werden. Darüber hinaus werden Strom und zum Teil Ergänzungschemikalien zugeführt und entstehende Abluft abgesaugt. Um dieses Grundprinzip herum stehen eine Vielzahl an Einrichtungen für den Transport der zu bearbeitenden Teile und der Steuerung der Prozesse zur Verfügung. Die Bearbeitung selbst muss heute in hoher Qualität, zu geringen Kosten und unter der Prämisse eines hohen Umweltschutzes durchgeführt werden. Fachleute aus den verschiedenen Bereichen der Anlagentechnik stellen im Rahmen eines Fortbildungsseminars der Stuttgarter Produktionsakademie ihre Lösungen für moderne galvanotechnische Anlagen vor.

Zu der Veranstaltung, die in diesem Jahr zum zweiten mal stattfand, konnte Dr. Hans-Jochen Fetzer, Frauhofer IPA, mehr als 40 Teilnehmer begrüßen.

Einführung

Dr. Martin Metzner stellte in seiner Einführung das IPA als Abteilung für galvanische Schichten und galvanische Anlagen vor. Dabei betonte er, dass der Aufbau beziehungsweise das Aussehen von galvanischen Anlagen sich seit Beginn der industriellen galvanotechnischen Beschichtung in seinen Grundelementen kaum verändert hat. Ein Hauptgrund ist die notwendige Prozessfolge bei der Beschichtung, die in der Regel aus Aktivprozessen (chemische oder galvanische Verfahren) und nachgeschalteter Spülfolge bestehen. Die Bearbeitung in den meist wässrigen Lösungen erfordert eine gewisse Zeit, woraus sich die Notwendigkeit ergibt, Prozessschritte zu schachteln. Zugleich steigt der Durchsatz durch den Prozess mit der gleichzeitig bearbeiteten Stückzahl pro Prozesseinheit, die in der Regel in Trommeln oder auf Gestellen behandelt werden können. In der Folge dieser Grundlagen ergibt sich der heute gebräuchliche Aufbau.

Für die Konzeption einer Galvanoanlage sind nicht nur die eigentlichen Prozessschritte zu betrachten, sondern auch die Qualität der Bauteileaufnahmen, also der Gestelle oder der Trommeln. Neben dem Behälterteil, der Transporteinrichtung und der Bauteilaufnahmen spielen darüber hinaus seit einigen Jahren verschiedene Mess- und Regeltechniken oder die peripheren Einrichtungen zur Energie-, Wasser- und Lufteinsparung eine Rolle, auch unter dem Aspekt des Umweltschutzes. Um alle diese Forderungen erfüllen zu können, sind umfangreiche Planungen bei der Neuanschaffung einer Beschichtungsanlage notwendig. Diese machen auch Sinn, da galvanische Anlagen in der Regel sehr lange Nutzungszeiten aufweisen. Einmal gemachte Fehler lassen sich nur ganz bedingt nach der Fertigstellung der Anlagen ausmerzen.

Weitere Faktoren, die die Qualität einer Beschichtung erheblich beeinflussen, sind Stromdichteverteilungen über Warenträger, die zu erheblichen Unterschieden in den Schichtdicken der auf einem Warenträger befindlichen Bauteile führen können. Beeinflusst werden diese unter anderem auch durch Strömungen der Elektrolyten oder Abstände zwischen Anode und Bauteilen. Zunehmend wird heute am Einsatz von Hilfsanoden mit Aufhängungen gearbeitet, da damit die Streuung auch bei ungünstigen Bauteilen deutlich verbessert werden kann. Selbst bei dem sehr effizient arbeitenden Prozess der galvanischen Abscheidung lassen sich durch korrekte Ausführung der Anlagen in allen Einzelheiten merkliche Verbesserungen erzielen.

Deutliche Unterschiede zeigen sich bei der Art der Anlagen. So werden in Europa nur sehr wenig Starrtaktautomaten betrieben, die sich durch eine geringe Flexibilität aber hohe Zuverlässigkeit und Ausbringung auszeichnen, während dies in Asien umgekehrt ist. Dies ist deshalb möglich, weil viele Verfahren nur eine sehr geringe Flexibilität in Bezug auf den Schichtaufbau erfordern. Ein weiteres interessantes Konzept ist die Reaktortechnik, mit der es gelingt, eine hohe Zahl an identischen Bauteilen mit sehr hoher Präzision zu beschichten, insbesondere rotationssymmetrische Bauteile. Hier sind neben einem kompakten Anlagenaufbau, geringem Einsatz an Elektrolytvolumen vor allem auch die maßgenaue Beschichtung als Vorzüge zu nennen. Damit ist beispielsweise der höchste Grad an Materialeffizienz erzielbar. Schließlich lässt sich mittels Tampongalvanisieren auch eine lokale Beschichtung auf großen Bauteilen vornehmen oder Bauteile einer großen Anlage vor Ort beschichten – hier wird quasi die Galvanikanlage zum Bauteil gebracht.

Maschinenrichtlinie

Sabine Kässinger, Proterra GmbH, befasste sich mit den Anforderungen an Galvanoanlagen vor dem Hintergrund der IED-Richtlinie, der Maschinenrichtlinie und dem Risikokonzept für krebserzeugende Stoffe (BekGS910). Solche Betrachtungen werden zunehmend wichtiger, da auch bestehende Anlagen auf deren Auswirkung auf die Umgebung überprüft werden. Dies erfolgt vor allem dann, wenn Wohnraum in der Nähe bestehenden Betriebe angesiedelt ist. Im Falle der IE-Richtlinie bestehen in Deutschland etwa 9000 Anlagen, die hierunter fallen und die oftmals die Öffentlichkeit zur Erteilung der Genehmigung mit einbeziehen. Eine Basis für die Genehmigung sind die BVT-Merkblätter, die in Deutschland für viele Verfahren der Galvanotechnik vorliegen. Besonders zu beachten ist, dass der Bestandsschutz nicht angewendet werden kann.

Zu den Anforderungen aus der IE-Richtlinie ist die Berichtspflicht des Betreibers beispielsweise mit Angaben zur Emission oder Selbstanzeigen im Falle von schädlichen Umweltauswirkungen. Des Weiteren dient der Ausgangszustandsbericht dazu, dass nach Rückbau von Anlagen auf die Veränderungen geschlossen werden kann. Der Betreiber hat die Aufgabe, den Zustand, der im Ausgangsbericht erfasst ist, wieder herzustellen, also eine Rückführungspflicht. Im Rahmen von Umweltinspektionen werden durch die Behörden die Anlagen überprüft, wobei der Überwachungszyklus bei ein bis drei Jahren liegt und durch die Behörde festgelegt wird. Auch hier werden Umweltrelevanzen wie Lärm, Luftbelastungen oder Abwasserfrachten bewertet.

Positiv wirken sich Zertifizierungen gemäß EMAS, DIN EN 14000 oder arbeitsmedizinische Einrichtungen und Sicherheitsvorkehrungen aus. Kritisch ist bei der Bewertung von Galvanoanlagen die lange Nutzungsdauer zu sehen, da bei Laufzeiten von 30 Jahren zahlreiche Forderungen beispielsweise bezüglich der Abluft, der Leckageprüfung bei Behältern oder der Löschwasserrückhaltung kaum erfüllt sein können. Genehmigungen werden im Abstand von vier Jahren überprüft und gegebenenfalls an neue Anforderungen angepasst.

Unter die Maschinenrichtlinie fallen alle Anlagen, die nicht durch Menschen oder Tiere ausgelöst arbeiten. Die Richtlinie gilt sowohl für Einzelanlagen als auch für verkettete Anlagen, unter die beispielsweise Galvanikanlagen fallen. Der Betreiber ist dann Inverkehrbringer, wenn er die Anlage komplettiert oder aus dem Ausland einführt. Neuanlagen (nach 1995) werden durch die MRL 2006/42/EG und den Anhang I der MRL abgedeckt. Als wesentliche Elemente der Richtlinien gelten die Zusammenstellung der signifikanten Gefährdungen oder die Sicherheitsanforderungen und deren Einhaltung.

An Stelle der MAK-Werte sowie die TRK-Werte ist die neue BekG910 (Bekanntmachung zu Gefahrstoffen) getreten. Einer der Gründe für die Neuerung ist die vermeintliche Gleichsetzung von MAK und TRK. Wichtige Punkte der BekG sind das Toleranz- oder das Akzeptanzrisiko. Im Falle von Chrom(VI) ergeben sich mit der neuen Regelungen wesentlich niedrigere Werte, die eine deutliche aufwändigere Abluftüberwachung notwendig machen. Während die TRK-Werte bei 50 Mikrogramm/m3 liegen, ist das Akzeptanzrisiko ab 2018 etwa 0,005 bis 0,02 Mikrogramm/m3, also eine drastische Reduzierung.

Anlagenplanung

Wie bereits in der Einführung von Dr. Metzner zum Ausdruck kam, erfordert die Planung einer Anlage umfangreiche Betrachtungen. Klaus Schmid, Fraunhofer IPA, stellte die Galvanotechnik im Spannungsfeld zwischen Wunsch und Wirklichkeit vor. Am Anfang einer Anlagenplanung steht die Erstellung eines Pflichtenheftes, allerdings stellt besonders für Lohnbeschichter die variable oder unvorhersehbare Ausführung der zu beschichtenden Bauteile hier ein größeres Problem dar. Als zusätzliche Schwierigkeit ist zu berücksichtigen, dass im Falle von Lohnbeschichtungsunternehmen neben den variablen Teilen auch verschiedene Verantwortliche beziehungsweise Ansprechpartner beteiligt sind, die unterschiedliche Sichtweisen auf ein Produkt besitzen und unterschiedliche Fachsprachen verwenden. Als Hilfestellung für die Erstellung eines Lastenhefts ist VDI 2519 oder VDI/VDE 3694 zu empfehlen.

In der Praxis zeigt es sich, dass Galvanoanlagen oftmals aufgrund ihres komplexen Aufbaus und der vielschichtigen Anforderungen unstrukturiert geplant werden. Dabei geraten die technischen Details leicht in den Hintergrund beziehungsweise die Kosten für den Planungsaufwand werden mit 5 % bis 10 % der Gesamtinvestition unverhältnismäßig hoch.

Galvanikanlagen sind modular aus Aktiv- und Spülbehälter mit einer übergreifenden Transporteinrichtung aufgebaut. Kritisch ist hierbei die Festlegung auf die erforderlichen Prozessschritte, die sich nach dem Bedarf an Einzelprozessen zur Herstellung der gewünschten Schichtaufbauten richtet. Die Größe der Behälter ergibt sich auf jeden Fall aus dem größten zu bearbeitenden Teil. Hilfreich ist die Betrachtung der Investitionskosten pro Leistungseinheit; hier sind die Werte besonders für kleine Anlagen sehr ungünstig, ebenso führt der Wunsch nach einer hohen Flexibilität – Einsatz unterschiedlicher Schichtaufbauten oder unterschiedlicher Basismaterialien – zu geringer Auslastung der Anlage und damit zu einem hohen Stückkostenanteil. Als kritisch ist des Weiteren die Effizienz beim Einsatz von frei programmierbaren Steuerungen zu sehen.

Trommeltechnik

Gerhard Lippert stellte die Trommelbeschichtung als erfolgreiches Verfahren zur Beschichtung von Massenteilen vor. Wie bereits von seinem Vorredner angesprochen, sind Galvanoanlagen auf lange Nutzungsdauern ausgelegt. Die Teile der Anlage müssen darauf ausgerichtet sein. Dazu werden die belasteten Teile der Transporttechnik als Trommel, wie Kontakte oder Trommelträger, aus sehr beständigen Werkstoffen, beispielsweise Edelstahl, ausgeführt. Ergänzt wird die Strategie durch spezielle Kontakttechniken mit großen Flächen, selbstreinigenden Konstruktionen oder Messeinrichtungen zur Prüfung von Kontaktwiderständen. Für Trommelantriebe werden beispielsweise Stirnrad-Getriebemotoren mit spezieller Kraftübertragung empfohlen. Eine weitere Alternative, die sich bewährt, ist ein Fremdantrieb mit externem Motor oder einem am Behälter angebrachten Motor.

Tab. 1: Vergleich von möglichen Werkstoffen für Trommeln

Neben einer hohen Zuverlässigkeit zeichnen sich solche Lösungen durch eine hohe Flexibilität aus. Lagersysteme werden mittels Kunststoffgleitlager oder Metallgleitlager ausgestattet, die in eine hohe Zuverlässigkeit besitzen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass nicht nur Kraft, sondern auch Strom übertragen werden muss. Je nach Art der zu beschichtenden Teile stehen unterschiedliche Arten von Kathodenkontakten zur Auswahl, bei denen neben dem guten Stromkontakt die schonende mechanischen Behandlung der zu beschichtenden Teile ein wichtiges Kriterium darstellen. Als Werkstoff für die Herstellung der Trommeln ist PE1000 (RCH 1000), der allerdings schlecht schweißbar ist, oder PP mit einer Beständigkeit bis 80 °C. Für bestimmte Anwendungen kommt zudem Edelstahl für Trommeln oder Sonderwerkstoffe wie PE 500, PPS, PTFE oder PVDF zum Einsatz. Interessant ist ein Vergleich der unterschiedlichen Werkstoffe in Bezug auf Dichte und dem Verschleiß im Einsatz, wie er in Tabelle 1 enthalten ist.

Für die Bearbeitung von Teilen für elektronische Produkte spielt die Ausführung der Trommeldeckel eine wichtige Rolle, bei dem das Vermeiden des Verklemmens maßgeblich ist. Ein weiterer Punkt für Trommeln ist die Ausführung der Perforation. Hier muss zwischen möglichst kleinen Löchern, um auch kleine Teile beschichten zu können, und optimalen Löchern für einen guten Elektrolytaustausch gewählt werden. Zur Auswahl stehen Rund-, Schrägloch-, Schlitz-, Langloch- oder Sichelperforation. Als Zusatzausrüstung wird mit Elektrolyteinspritzungen oder externen Pumpen, Pendel-, Schaukel- oder Vibrationsvorrichtungen gearbeitet. Schließlich lassen sich mit Hilfe von Reinigungsvorrichtungen Kontakte sauber halten, oder mit automatischen Deckelschließ- und -öffnungsvorrichtungen zur Verringerung der Arbeitskosten gearbeitet werden.

Stromversorgung

Gerhard Kegel befasste sich in seinem Beitrag mit Pulsstromeinrichtungen zur galvanischen Abscheidung. Pulsstrom wird in Verfahren wie ECM, Leiterplatten, Elektropolieren oder Anodisieren mit unterschiedlichen Anforderungen an die Schaltzeiten eingesetzt. Je nach Verfahren unterscheiden sich auch die Pulsarten, also beispielsweise ein stufenweises Verändern der Stromhöhe oder ein Wechsel zwischen anodischen und kathodischen Strömen. Moderne Geräte erlauben einen komplexen Ablauf der Stromänderungen, wodurch der Einsatz eines Werkzeugs (elektronisches Tool) mit einer funktionierenden Schnittstelle erforderlich ist.

Der Vortragende stellte unterschiedliche Geräte mit der entsprechenden Steuersoftware für die Pulsabscheidung vor. Entsprechende Bedienoberflächen erlauben die Darstellung der Kurvenverläufe, die Möglichkeit zur Messung der Ströme oder die Integration der Flächenanpassung. Bei vielen Geräten sind die Steuergeräte mit der entsprechenden Bedienoberfläche in den Gleichrichter eingebaut. Moderne elektronische Schaltungen mit Durchkontaktierungen lassen sich nur noch mittels Pulsplating herstellen. Des Weiteren kann mit pulsierenden Strömen die Streuung der Schichtdicke deutlich verbessert werden.

Für die Verwendung zum elektrochemischen Abtragen mittels ECM-Technik werden hohe Leistungen gefordert, aber kleine Abstände zwischen Anode und Kathode ohne Auftreten von Kurzschluss – bezeichnet als Gap-Schutz. Besonderes Augenmerk muss bei der Anwendung von Pulsstrom der Stromübertragung vom Gleichrichter zum Teil geschenkt werden. Hierfür kommen induktionsarme Verkabelung oder Koaxialkabeln zum Einsatz, was für hohe Ströme schwierig ist. Dazu muss auch aufwendig gemessen werden unter Einsatz eines Oszilloskops oder so genannten Roskovskispulen.

Ablufttechnik

Wie Patric Hering einführend betonte, wird auch bei der Ablufttechnik seitens der Behörden zunehmend Wert auf Aspekte wie Energieeinsparung gelegt. Primär ist hier eine korrekte Luftmengenberechnung sehr zu empfehlen. Dazu bringen korrekt ausgelegte und geplante Abluftstege schnelle Verbesserungen, ebenso wie ein geeigneter Zustrom von Frischluft. Des Weiteren sollten auch Energieflüsse in Form von Medienheizung und Medienkühlung betrachtet werden, um beispielsweise die Energie aus Abluft gewinnen zu können. An Beispielen zeigte der Vortragende die Energieinhalte von Luft und deren Nutzungsmöglichkeiten.

Problematisch ist oftmals die zu geringe Temperaturdifferenz bei der klassischen Wärmerückgewinnung. Durch Integration von Wärmepumpen kann dieser Nachteil beseitigt werden. Allerdings empfiehlt sich hierbei, die gesamte Energierückgewinnung daraufhin auszurichten, dass nur die Energiemenge rückgewonnen wird, die auch tatsächlich verbraucht werden kann.

Bei der klassischen Kühlung ist nach Aussage von Patric Hering der hohe Investitionsbedarf der Einrichtung ein wesentlicher Nachteil. Je nach eingesetztem Elektrolyt kann eine direkte oder indirekte Kühlung verwendet werden – im Falle von Chrom(VI) ist dies eine direkte Kühlung. Die indirekte Kühlung basiert auf einem Gaswäscher und verknüpft hier zwei Arbeitsvorgänge.

Ein neuer Ansatz ist der Betrieb einer abwasserfreien Abluftanlage, die beispielsweise mit einem Aerosol-Nebel-Abscheider oder einem atmosphärischen Verdunster arbeitet. Mit einer entsprechenden Ausstattung werden Grenzwerte für Chrom(VI) von weniger als 0,0012 mg/m3 erreicht. Hierbei werden Tropfen größer 1 Mikrogramm zu 99 % abgeschieden und der abgeschiedene Elektrolyt dem Prozess wieder zugeführt. Durch die Arbeit mit speziellen Abscheidekissen kann eine einmal erstellte Anlage problemlos an strengere Grenzwerte angepasst werden, indem die Kissen ausgetauscht werden. Lediglich bei Mischluft muss geprüft werden, ob die erhaltene Lösung weiterverwendet werden kann; eine Funktion der Abscheidung ist auf jeden Fall gewährleistet.

Qualitätssicherung

Die perfekte Oberfläche gibt es nicht, wie Michael Ludy einführend betonte. Dabei griff der Vortragende auf ein bereits installiertes System zur robotergestützten Bestückung von Galvanogestellen zurück. Eingesetzt wurde hierfür eine Matrixkamera mit hoher Auflösung. Selbst bei einer derart leistungsfähigen Kamera war es nicht möglich, innerhalb der verfügbaren Zeit alle vorhandenen Kanten bei einem beispielhaften Bauteil zu begutachten. Erkennbar sind prinzipiell alle Fehler (Blasen, Risse, Ablagerungen, Poren), die wenigsten eine Ausdehnung von 4 Pixeln besitzen. Schwierigkeiten bereiten lediglich enge geometrische Vertiefungen, da diese für die Kamera nicht zugänglich sind.

Mit dem System ist die Erfassung möglich, so dass der Anwender sich lediglich darüber klar werden muss, wie er die Fehler verwertet (Ausschuss – kein Ausschuss). Prüfbar sind auch kleine Bauteile mit Abmessungen im Zentimeterbereich. Durch Neigung des Blickwinkels lassen sich auch dreidimensionale Oberflächenstrukturen durch Erzeugung von Reliefbildern überprüfen. Ziel der hier vorgestellten Technologie ist die Einführung der Six-Sigma-Prüfung unter Einsatz von Robotern. Zur Realisierung der Prüfung sind einmal die Auswahl einer geeigneten Gerätetechnik, aber ebenso die Erstellung von Fehlerlisten und die Fehlercharakterisierung im Hinblick auf die Fehlerursache wichtig. Ein weiterer entscheidender Faktor bei dieser Technologie ist die korrekte Beleuchtung.

Filter- und Pumpentechnik

Im letzten Beitrag der Veranstaltung gab Jan Bohncke einen Überblick über den Einsatz von Pumpen und Filtern für den Einsatz bei Mattnickelelektrolyten. Mattnickelelektrolyte arbeiten mit Emulsionen, die in kleinen Tröpfchen vorliegen. Diese lagern sich für eine gewisse Zeit an der Oberfläche an und sorgen dafür, dass eine relativ gleichmäßige, aber unebene Oberfläche entsteht. Die Unebenheit führt zu diffuser Reflexion und damit zum matten Aussehen. Im Gebrauch der Elektrolyten koagulieren die Tröpfchen und verändern damit das Erscheinungsbild der Schicht. Aus diesem Grund wird der Elektrolyt nach einer gewissen Dauer (im Gebrauch ebenso wie bei Ruhezeiten) unbrauchbar und muss aufgearbeitet werden.

Die Aufarbeitung eines Elektrolyttyps (Veloursnickel) erfolgt durch Abkühlen, Filtrieren und erneutes Aufheizen, während beim Typ des Perlglanznickels der Mattzusatz durch Austausch von Elektrolytvolumen durch neue Chemikalien erfolgen muss. Daraus ergeben sich für die verschiedenen Typen unterschiedliche Umwälz- und Filterverfahren.

Bei Veloursnickel wird mit volumenstromgeregelter Pumpe, Kerzen- oder Plattenfilter und vor allem einer Verweilstrecke gearbeitet. Bei Perlglanz empfiehlt der Vortragende ein System aus volumenstromgeregelter Pumpe, Plattenfilter, Anschwemmbehälter, Dosierstation und einer entsprechenden Steuerung.

Im Falle des Veloursnickelelektrolyten ist das Filtersystem mit einer Wärmerückgewinnung ausgestattet.

Fazit

Mit dem Seminar über Anlagen für die Galvanotechnik bietet die Stuttgarter Produktionsakademie wichtige Grundlagen für eine effiziente Vorgehensweise bei der Einrichtung von neuen und der Erweiterung bestehender Anlagen. Dies ist für die Unternehmen der Galvanotechnik sehr sinnvoll, da die Anlagen in diesem Fachgebiet fast durchgängig Einzelanfertigungen sind. Um mit den verschiedenen Herstellern von Anlagen oder Einzelkomponenten in der notwendigen Weise verhandeln zu können, müssen sich die Fachleute der Beschichtungsunternehmen mit den Neuerung seitens der Gesetzgebung und deren Auswirkungen ebenso auseinandersetzen wie mit den Weiterentwicklungen bei der Anlagentechnik. Hierfür bietet das Seminar optimale Ansätze.

• www.stuttgarter-produktionsakademie.de