Dekorative Oberflächentechnik – Technologien, Anwendungen und innovative Lösungen

Bericht über das Kundenseminar 2014 der Enthone GmbH in Merklingen

Seit vielen Jahren veranstaltet die Enthone GmbH in Süddeutschland ein Kundenseminar, um über Neuerungen im Unternehmen zu informieren. Auch in diesem Jahr stand den Kunden das geballte Fachwissen des Unternehmens für Fragen und Anregungen zur Verfügung. Im Mittelpunkt der Veranstaltung stand die galvanische Beschichtung von Kunststoffen, wie sie nach wie vor insbesondere im Fahrzeugbau, der Sanitär- und Möbelindustrie gefragt ist. Initiiert wird die Veranstaltung durch die Gebietsleitung Süd in Person von Joachim Brecht, der etwa 60 Teilnehmer in Merklingen an der A8 zwischen Stuttgart und Ulm begrüßen konnte. Zur Unterstützung und fachlichen Beratung stand Mariola Brandes, zuständig für den Produktbereich der Kunststoffgalvanisierung und dekorativen Beschichtung bei Enthone, zur Verfügung.

Dekorative Beschichtung von Lenkradkomponenten

Eröffnet wurde die Reihe der Fachvorträge von Gerd Reineck, TRW, der einen Einblick in das dekorative Galvanisieren von Lenkradteilen gab. Ein derzeitiger Trend im TRW-Konzernbereich Sicherheitstechnik geht dahin, durch den demographischen Wandel vermehrt auf hochwertiges Interieur bei Kleinwagen Wert zu legen. Dabei stehen auch die Gewichtsreduzierung, der Einsatz von hochwertigen Materialien, die Markenwiedererkennung oder Bedienbarkeit im Vordergrund.

Die Weiterentwicklung zeigte Reineck an der Innenausstattung von Fahrzeugen, die beispielsweise eine höhere Anzahl an verchromten Teilen enthält. Neu sind 3D-Teile, das heißt starke Strukturierungen, die in der Regel Probleme bei der Beschichtung durch die eingeschränkte Streufähigkeit bereiten. In solchen Fällen muss beim Beschichten auf spezielle Applikationen, beispielsweise mit Hilfsanoden, zurückgegriffen werden. Dabei werden die Anodentypen an die speziellen Beschichtungswünsche angepasst, wobei die Wirkungen im Vorfeld simuliert werden. Zum Teil kommen in solchen Fällen sehr aufwändig konstruierte Anoden aus Streckmetall mit Platinbeschichtung zum Einsatz. Mithilfe dieser komplexen Anoden lassen sich auch sehr kleine Innenzonen beschichten. Zugleich kann dadurch die Stückzahl pro Warenträger erhöht und damit der Preis für die Beschichtung vermindert werden. Zu beachten ist, dass die Lebensdauer der Spezialanoden beschränkt ist.

In zunehmendem Maße kommen bei solchen komplexen Beschichtungsaufgaben Simulationen zum Einsatz, wobei hier in mehreren Schritten gearbeitet wird: Nach einer ersten Simulation wird auf Basis der Daten beschichtet und anschließend wird das Ergebnis mit den Berechnungen verglichen. Dann wird mit diesen Daten die Simulation optimiert. Ähnlich wird mit den Strömungsverhältnissen oder der Art und Dichte der Behängung der Teile auf den Warenträgergestellen verfahren. Zu beachten ist, dass die Anoden einem mehr oder weniger starken Verschleiß je nach Höhe der Stromdichte unterliegen und daraus Beschichtungsfehler resultieren können. Durch den Einsatz von Simulationen mit der Herstellung von Spezialanoden lassen sich Designänderungen bei Teilen vermeiden.

Kunststoffgalvanisierung – Trends

Die Kunststoffgalvanisierung ist für viele Bereiche zu einem wichtigen Herstellverfahren geworden. Wie Mariola Brandes einführend betonte, muss die Technologie aber derzeit durch die Gesetzgebung angepasst werden. Um hier optimal rea­gieren zu können, ist eine enge Zusammenarbeit zwischen Chemiehersteller, Kunststoffhersteller und Kunden erforderlich. Betroffen sind momentan insbesondere sechswertiges Chrom und Kobalt, auch wenn der Sunsetday von bisher 2016 auf September 2017 verschoben wurde.

Zu den wichtigen Branchen für die Kunststoffbeschichtungen zählen nach Aussage von Brandes die Automobil-, Sanitär- oder Elektronikindustrie. Herausforderungen ergeben sich beispielsweise durch die veränderten Geometrien bei Teilen oder durch neue Anforderungen an Beständigkeit oder Verträglichkeit von Beschichtungen. Herausforderungen zur Prozessanpassung ergeben sich im Falle der Grundmaterialien insbesondere durch die laufenden Veränderungen der Materialzusammensetzung oder des Materialaufbaus. So existieren bis zu 900 verschiedene ABS-Sorten, von denen nur wenige beschichtbar sind. Ähnlich komplex sind auch PC-Kunststoffe. Weitere Herausforderungen entstehen durch den Wunsch nach partieller Beschichtung. Für die Kosmetikindustrie kommt in hohem Maß PP zum Einsatz, da PP von Parfüm nicht angegriffen wird. Problematisch sind schleichende Veränderungen bei den Kunststoffen in Größen von wenigen Prozent, die in der Regel nicht angegeben werden müssen.

Als sehr vorteilhaft hat sich die Direktmetallisierung erwiesen, beispielsweise auch von 2K- und 3K-Kunststoffen, die vor allem durch kürzere Prozessabläufe kostengünstiger ist. Darüber hinaus bestehen nach wie vor Bemühungen, den Umweltschutz durch Einsparung von Wasser, Chemie oder Ausschuss zu verbessern. Ein deutlicher Vorteil des neuen Verfahrens zur Direktmetallisierung ist die drastische Verringerung der erforderlichen Kontakte pro Bauteil. Darüber hinaus ist die Technologie auch für das sehr interessante Polypropylen einsetzbar.

Im Hinblick auf das derzeit hohe Interesse am zukünftig kritisch werdenden Einsatz von Chrom(VI) stehen sowohl Ersatzschichten für Chrom als auch die Kunststoffbeizverfahren zur Verfügung beziehungsweise sind in der Entwicklung. Neue Schichtvarianten sind durch den Einsatz von Chrom(III) entstanden, bei denen Farbvarianten von glänzendem hellen Chrom bis zu schwarzen Oberflächen hergestellt werden können. Beizverfahren ohne Chrom(VI) haben auch andere beziehungsweise neue Beschichtungsvarianten nach sich gezogen, bei denen stets der verbesserte Umweltschutz ein wichtiges Element ist.

OEM-Anforderungen

Rolf Pofalla befasste sich mit den Anforderungen der OEMs und den sich daraus ergebenden Enthone-Aktivitäten. Derzeit steht die gesamte Branche der Oberflächentechnik durch die Gesetzgebung unter besonderem Druck, vor allem durch den erzwungenen beziehungsweise erwarteten Ersatz von toxischen Stoffen wie Chrom(VI), Kobalt oder Cyanid.

Im Automobilbereich sind neben den gesetzlichen Vorgaben die Wünsche nach Individualisierung, erhöhter Teilevielfalt oder neuen Farbeffekten die Treiber von Entwicklungen. Für dekorative Teile stehen die Kunststoffe, ABS und PC/ABS im Vordergrund, um vor allem Gewicht zu sparen und eine nacharbeitsfreie Teileherstellung zu erzielen. Immer wichtiger wird bei der deko­rativen Beschichtung für Fahrzeuge der Umweltschutzgedanke.

Als Alternativen zu galvanischen Schichten spielen Verfahren wie PVD, Lack oder Folien eine zunehmend wichtige Rolle. PVD wird beispielsweise im Lenkradbereich bereits eingesetzt. Lacke eignen sich nur bedingt als Ersatz, da sie nicht eine den Metallen beziehungsweise metallischen Beschichtungen vergleichbare Haptik besitzen.

Chrom(III)verfahren wurden in den letzten Jahren deutlich weiterentwickelt, sodass heute unterschiedliche Farbvarianten damit generiert werden, aber unter bestimmten Bedingungen auch bessere Korrosionsbeständigkeiten erzielbar sind. Bezüglich der Farbvarianten der Schichten ist zu berücksichtigen, dass durch die enthaltenen Zusätze die Korrosionsbeständigkeit verändert wird. Unterschiede liegen bei den Chrom(III)verfahren zwischen dem Aufbau aus chloridischen und sulfatischen Grundchemikalien vor. Dazu zählen neben den Farben (bei Chrom(VI) ist nur eine Farbe herstellbar) auch die höheren Prozesskosten oder der Aufwand zur Pflege der Elektrolyte oder die Notwendigkeit zur Nachbehandlung. Diese wird bei Schichten aus Chrom(III)elektrolyten häufig noch mithilfe von Chrom(VI)lösungen vorgenommen. Ein weiteres Manko der Chrom(III)verfahren ist beispielsweise der unterschiedliche Glanz-/Farbeindruck bei den Oberflächen. Bereits spezifiziert wurden Chrom(III)verfahren bei südeuropäischen oder asiatischen OEMs, während diese Freigabe bei deutschen OEMs noch aussteht.

Ein nach wie vor ungelöstes Problem sind die unterschiedlichen Bewertungen des Russian Mud-Tests je nach OEM. Um hier Lösungen zu schaffen, wurden Arbeitskreise mit Vertretern der verschiedenen deutschen OEMs gegründet. Ein Ergebnis daraus ist der noch laufende Ringversuch des FGKs (derzeit in der zweiten Runde). Die erste Freigabe für ein Chrom(III)verfahren wurde für Trilyte durch Honda erteilt. Pofalla wies abschließend daraufhin, dass die heutigen Chrom(III)verfahren noch erhebliches Potenzial haben.

Umweltschutz

Den einführenden Worten von Dr. Andreas­ Königshofen zufolge, ist die Reduzierung von Ausschuss eine wichtige Methode zur Förderung des Umweltschutzgedankens. Ein neues Verfahren liegt in Form von Permanent-Pearlbrite vor. Mit dem System ist es möglich, durch Eisenzugabe den Farbton heller und umgekehrt durch Einsatz von ­Ionenaustauscher beziehungsweise durch Additivzugabe und mithilfe von Kohlefiltra­tion dunkler zu machen. Damit sind mit ­einem System drei prinzipielle Farben realisierbar.

Positiv bewertet Dr. Königshofen die Entwicklung zur Prüfung der Korrosionsbeständigkeit nach dem Russian Mud-Test. An Verbesserungen wird bei Enthone gearbeitet, wobei die Art der Nickelbeschichtung geprüft wird, also beispielsweise mikro­poriges Nickel mit Chrom(III)beschichtungen und ohne Nachbehandlung. Mit einem neuen Kupferelektrolyt lassen sich die Probleme durch Porenbildung deutlich reduzieren. Hierzu muss allerdings eine größere Zahl an Zusätzen verwendet werden. In ­einem weiteren neuen System konnte die Zahl an Zusätzen erniedrigt werden. Dabei stehen bei Kupfersystemen für die Kunststoffmetallisierung der hohe Glanz, die Porenfreiheit sowie die gleichmäßige Schichtdickenverteilung im Vordergrund.

Zur Abscheidung von Weißbronze, zum Beispiel als antibakterielle Schicht, wurde ein cyanidfreier Elektrolyt entwickelt. Das System ist insbesondere auch für Unternehmen geeignet, die keine Abwasserbehandlung an Cyanid ausführen können. Als Ziel wird die Weiterentwicklung zu einem Elektrolytsystem gesehen, das als Unterschicht verwendbar ist. Als weitere Aufgabe wird die Entwicklung eines cyanidfreien Kupferelektrolyten ins Auge gefasst.

Die Nachfrage nach Verfahren zur galvanischen Beschichtung von Kunststoffen wie ABS oder PC, aber auch außerhalb der bisher üblichen Typen, steigt. Aus diesem Grund wird die Weiterentwicklung der Vorbehandlung von Kunststoff vorangetrieben. Hierfür wird bei Enthone über die Eignung von kompletter PVD-Beschichtung oder ­lösemittelartige Vorbehandlungen nachgedacht. Allerdings hat PVD den Nachteil, weniger effizient zu sein und Lösemittel greift den Kunststoff an, ohne eine vergleichbare­ Funktion wie Chromsäure zu besitzen. Bevorzugt wird ein Verfahren gesucht, das in selber Weise zu handhaben ist wie die bisher übliche Chromsäure. Tests hierzu wurden an verschiedenen Kunststoffen wie ABS oder ABS/PC bereits durchgeführt, wobei beispielsweise ein Quellschritt vor dem Beizen zur Anwendung kommt. Nach wie vor schwierig in den Griff zu bekommen sind 2K-Teile.

Nachhaltige Nickelbeschichtung

Brigitte Helieus befasste sich mit dem Einsatz von Nickel in der Sanitärindustrie, bei der vorwiegend die Allergiegefahr als Grund für die Änderung gilt. Bis 1998 wurde Trinkwasser in erster Linie auf biologische Rückstände oder Blei geprüft, während heute auch Stoffe wie Nickel in die Prüfung mit einbezogen werden. Dabei werden Grenzwerte (wöchentlicher Mittel­wert) von 20 Mikrogramm pro Liter angestrebt. Inzwischen werden die Reduzierungen der Gehalte in zwölf Staaten der EU per gesetzlicher Regelung angestrebt; dadurch sollten einige Materialien, die bisher in der Sanitärindustrie verwendet wurden, vermieden werden.

Diese Bemühungen finden sich auch in geänderten DIN-Normen wider, die sich beispielsweise auch mit der Nickel-Chrom-Beschichtung sowie entsprechenden Testverfahren zur Prüfung der Freisetzung von Nickel befassen. Als kritisch sind hier unter anderem die Umstände zu bewerten, dass die Löslichkeit von ­Nickel aus Grundmaterialien oder Schichten sehr unterschiedlich ist, je nachdem, ob in geschlossenen oder offenen Systemen getestet wird.

Ein weiterer Unterschied betrifft auch die Wasserquellen, für welche die Nickelabgabe gilt: In Frankreich ist der Nickelgrenzwert nur für die Wasserentnahme in Küchen zu beachten, wogegen der Grenzwert in Deutschland beispielsweise auch für Duscheinrichtungen gilt. Als weitere Einflussgröße wird der Kontakt von kritischen beschichteten Teilen mit anderen Teilen ­gesehen.

Lösungen zur Vermeidung der Nickelabgabe­ können zunächst nur lauten, dass Nickel als Schichtmaterial entfallen muss. Als Ersatz kommt beispielsweise Bronze in Betracht, wodurch allerdings für den Beschichter deutliche Änderungen zu akzeptieren wären. Ein weiterer Ansatz befasst sich mit dem Ersatz von Metallteilen durch Kunststoffteile oder auch mit der bewussten ­Ablösung von freiliegendem Nickel nach Abschluss der Beschichtung, beispielsweise aus Innenbereichen von wasserführenden Teilen oder der Abdeckung solcher Flächen durch einen anderen beständigen Stoff. Schließlich ist auch noch nicht geklärt, wer beschichtete Teile den Vorgaben entsprechend prüft und eine Freigabe erteilen kann.

Visionen

Mariola Brandes stellte in einem weiteren Beitrag ein neues Angebot der Enthone an die Kunden vor. Im Mittelpunkt steht der Gedanke, das gesamte Know-how der Fachleute aus unterschiedlichen Bereichen des Konzerns durch Austausch und Kooperation verfügbar zu machen. Damit sollen auch die unterschiedlichen Arbeits- und Denkweisen in den verschiedenen Staaten genutzt werden und so Beschichtungsunternehmen bei der Erweiterung von Tätigkeitsbereichen in andere Staaten unterstützen. Zu diesem Zweck wurden weltweit agierende Expertengruppen gegründet. Diese übernehmen die Kundenbetreuung,­ Ausbildung, Prozessoptimierung und Know-how-Management, wobei auch Aufgaben wie Verkaufsberatung und Marketing enthalten sind.

Aktuell befassen sich die Teams beispielsweise mit der Anlageninbetriebnahme einer neuen Anlage von BIA oder der Direktmetallisierung in einem Unternehmen in Frankreich. Auf diese Weise werden zudem Verfahren in einer sogenannten Beta-Phase beim Kunden auf deren Eignung geprüft, um damit die Daten für den Gebrauch zu gewinnen. Des Weiteren befassen sich solche Gruppen mit der Erstellung von Anlagen-Audits.

Automobil- und Sanitärindustrie

Im letzten Beitrag der Veranstaltung ging Eugen Wiedel auf Trends und Anforderungen für Galvanokunststoffe ein. Insbesondere die geänderten Anforderungen an die Vorbehandlungen führen zum Einsatz von neuen Kunststoffen, aber auch der Wunsch nach Kunststoffen mit höherer Festigkeit und einem besseren dekorativen Erscheinungsbild. Die Haftfestigkeit einer galvanischen Schicht hängt stark davon ab, wie groß die Butadienteilchen und deren Verteilung sind. Diese spielen aber auch beim Spritzen eine Rolle, um eine gute Fließfähig­keit zu erzielen oder eine Formstabilität zu garantieren. Kritisch sind die Art und Menge der Zusatzstoffe, um bestimmte mechanische Eigenschaften zu gewährleisten.­ Derartige unterschiedliche Wirkungen zeigte der Vortragende am Beispiel des Kautschukgehalts und dessen Wirkung auf Schlagzähigkeit, Glanz und Warmformbeständigkeit, die sehr unterschiedlich verlaufen können.

In der Sanitärindustrie gehen die Anforderungen beispielsweise in Richtung einer guten dekorativen Oberfläche oder hohen Warmformbeständigkeit, insbesondere auf die Dimensionsstabilität bei hohen Temperaturen. Darüber hinaus müssen Umweltanforderungen in Bezug auf den Inhalt oder die Freisetzung von kritischen Stoffen wie Methylmethacrylat oder Acrylkautschuk beachtet werden. Schließlich muss stets die Wirtschaftlichkeit Berücksichtigung finden.

Im Vergleich zur Sanitärindustrie gibt es in der Automobilindustrie deutlich mehr Vorgaben (Material- und Bauteilspezifikationen, Bruchverhalten) unter Berücksichtigung des Einsatzbereichs. Dadurch unterliegt das Produktsortiment einer relativ starken Diversifizierung. Derzeit spielt als Trend vor allem die Suche nach Leichtbaumaterialien in der Automobilbranche eine wichtige Rolle, wobei natürlich die mechanischen Anforderungen unverändert bleiben müssen. Im Innenbereich von Fahrzeugen sind gute Wärmebeständigkeit und Bruchverhalten gefragt. Darüber hinaus steigt der Bedarf an Integration von Funktionalitäten und dekorativem Erscheinungsbild.

Schließlich steht momentan die Entwicklung von Kunststoffen zur Behandlung von chrom(VI)freien Vorbehandlungen im Fokus, aber auch die Verwendung von neuen Elektrolyten zur Abscheidung von Chromschichten. Hier ergibt sich für die Kunststoffentwicklung die Schwierigkeit, dass derzeit keine standardisierten Beschichtungsverfahren bestehen, aufgrund deren die Anforderungen an die Kunststoffe abgeglichen werden können.

Joachim Brecht und Thomas Ahrens waren erfreut über die gute Resonanz für die Veranstaltung

Enthone – gut gerüstet für die Zukunft

Thomas Ahrens zeigte sich zum Abschluss über die gute Ressonanz der Veranstaltung sehr erfreut. Er betonte, dass sich Enthone nach gründlicher Vorbereitung gewappnet sieht, mit neuen Verfahren und neuen Chemikalien die Herausforderungen der Branchen und der Gesetzgebung zu begegnen. Joachim Brecht bedankte sich für das rege Interesse an der Veranstaltung.

www.enthone.com