Schaulaufen der Oberflächentechnik Teil 2

Oberflächen 11. 11. 2015

Bericht von den ZVO-Oberflächentagen 2015 in Berlin

Einer der Höhepunkte des Verbandsjahres von ZVO und DGO sind die ZVO-Oberflächentage mit der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Oberflächentechnik e. V. und der Fachtagung mit begleitender Ausstellung des Zentralverband Oberflächentechnik e. V. An den drei Tagen von 23. bis 25. September wurden 65 Fachvorträge sowie im Rahmen des Nachwuchsprogramms eine Exkursion zur Diehl Metal Applikation GmbH, die sich mit der Beschichtung von Bändern und Stanzteilen befasst, angeboten. Im Bereich der Anlagentechnik wurde unter anderem die Stromversorgung als Ansatzpunkt zur Optimierung des Energieverbrauchs betrachtet. Die Analysentechnik bietet Spielraum zur Verbesserung der Prozesse in der Oberflächentechnik, wobei die große Zahl an möglichen Einflussfaktoren und die dafür notwendige Messtechnik auch in Zukunft eine große Herausforderung sein werden. Dabei tragen die Untersuchungen zur Aufklärung der ablaufenden Teilprozesse der Beschichtung nicht nur zur Überwachung bei, sondern helfen auch beim Einsatz für neue Anwendungen, zum Beispiel für Brennstoffzellen oder in der Informationsverarbeitung.

Fortsetzung aus WOMag 10/2015

Energieeffizienz und Anlagentechnik

Elektronische Gleichrichter

Mehr als 30 % der Energiekosten entfallen in Galvanikbetrieben auf die Stromversorgung der Abscheideprozesse, wie Joachim Knop eingangs seines Vortrages betonte. Diese Tatsache macht es sinnvoll, über die Einsparmöglichkeiten durch eine Änderung der bisher üblichen Einrichtungen nachzudenken. Ein Ansatz ist die Reduzierung der Leitungswege zwischen Gleichrichter und Abscheideposition, also die Platzierung der Gleichrichter direkt am Abscheide­behälter. Dazu erläuterte Knop zunächst die Unterschiede zwischen den gebräuchlichen Gleichrichtervarianten Schaltnetzteil- und Thyristortechnik, wobei er die Größen Blindleistung, Scheinleistung und Wirkleistungen und deren Beeinflussung betrachtete. Im Weiteren informierte er über weitere relevante Parameter, die für die Wahl des Gleichrichters und der erforderlichen Zuleitungen eine Rolle spielen. Für daraus gezogene Schlüsse gab er ein Rechenbeispiel und nannte Anordnungsmöglichkeiten für Gleichrichter aus der Praxis.

Optimale Anoden für die Abscheidung

Thomas Ebert zeigte in seinem Vortrag über die optimale Konstruktion und Dimen­sionierung formstabiler Anoden einen weiteren Ansatzpunkt zur Energieeinsparung beim Einsatz von unlöslichen Anoden. Solche Anodentypen sind insbesondere beim Einsatz von Edelmetall- oder Chromelektrolyten üblich. Verwendet werden hier in zunehmendem Maße platinierte Titan-
und Niobanoden oder solche mit einer Beschichtung aus Mischmetalloxiden oder technischen Diamanten. Dabei zeigen die Anoden mit Mischoxid den geringsten Wert für die Sauerstoffüberspannung; Niob als Grundmaterial zeigt die höchste Korrosionsbeständigkeit in Säuren sowie in halogenhaltigen Elektrolyten.

Um einen guten Gastransport vor der Elektrode zu gewährleisten und eine hohe effektive Elektrodenoberfläche zu erzielen, haben sich Streckmetallgitter bewährt. Sie erlauben zudem eine relativ einfache Anpassung der Anodengeometrie, sofern ein Elektrolytbehälter von der üblichen rechteckigen Form abweicht. Durch eine angepasste Auswahl der Streckgitterformen, -anordnung oder der anzubringenden Kontaktfahnen lässt sich die Stromverteilung über größere Anoden merklich optimieren und in der Regel die erforderliche Arbeitsspannung bei der galvanischen Abscheidung reduzieren. An Beispielen zeigte Ebert die Auswirkung von nachteiligen Ausführungen. Abschließend machte er an Kostenvergleichen deutlich, dass platinierte Anoden bereits ab einer Einsatzdauer von zwei Jahren gegenüber bisher üblichen Bleianoden in Chromelektrolyten Kostenvorteile bringen.

Verdampfertechnologien

Einen weiteren Bereich der nasschemischen­ Oberflächentechnik, der Potenzial zur Einsparung von Energie und Material bietet, stellte Dennis Kuhfuß mit der Abwasserbehandlung vor. Insbesondere durch die Bemühungen zur Vermeidung von Umweltverschmutzung werden entstehende Abwässer so aufgearbeitet, dass nur geringe Mengen an Abfällen anfallen und das Wasser nach der Reinigung wieder in den Prozess zurückgeführt werden kann.

Die Verdampfertechnologie ist eine interessante Möglichkeit zum Aufbau eines Kreislaufs für Wasser bei geringen Abfallmengen. Zur Auswahl stehen zwei grundsätzliche Technologien: die Kreislaufführung im Verdampfer unter Ausnutzung der thermischen Gegebenheiten oder mit eingebauter Pumpe als Zwangsumlauf. Der Naturumlauf überzeugt durch geringen Energieverbrauch und hoher Leistungsreserve, während der Zwangsumlauf bei stark schäumenden und höher viskosen Abwässern Vorteile bringt. Generell wird der Frischwasserverbrauch durch Verdampfer um bis zu 95 % gesenkt und die Kosten für die Abwasserbeseitigung werden deutlich vermindert. Interessant ist insbesondere auch die Senkung des Chemikalienverbrauchs von bis zu 90 % für die sonst übliche Abwasserbehandlung. Durch den hohen Automatisierungsgrad von Verdampferanlagen kann eine ausgezeichnete Prozesssicherheit erzielt werden, die sowohl Lohnkosten im Unternehmen einspart als auch Vorteile gegenüber den Überwachungsbehörden im Bereich des Umweltschutzes zur Folge hat.

Elektronische Gleichrichter

Heinrich-W. Kämper befasste sich mit den Eigenschaften von elektronischen Gleichrichtern, die sich einer zunehmenden Beliebtheit in der galvanotechnischen Praxis erfreuen. Die elektronischen Gleichrichter lassen sich in die beiden Arten des Thyristor- und des Schaltnetzteiltyps unterteilen. Als einer der wichtigsten Vergleichswerte kann der Wirkungsgrad der Geräte dienen, der für einen luftgekühlten Thyristorgleichrichter und ein wassergekühltes Schaltnetzteil (15 V / 2000 A) bei etwa 87 % liegt und Verluste von etwa 4,2 kW bis 4,4 kW aufweist. Weitere interessante Kenngrößen sind die auftretenden Netzverzerrungen, auf die Kämper näher einging. Seinen Ausführungen zufolge können diese zur Überlastung von Transformatoren und Kabeln, zu Fehlauslösungen von Leistungsschaltern, Überbeanspruchung von Kondensatoren oder zur Überhitzung von Motoren führen.

Dem potenziellen Nutzer wird empfohlen, einen Vergleich zwischen den Kühlungs­arten, der Anfälligkeit der oftmals rauen Umgebung oder der Reparaturfreundlichkeit zu ziehen. Solche Eigenschaften können Kostenvorteile bei der Anschaffung von Geräten schnell ins Gegenteil verkehren. Dadurch wird auch klar, dass eine generelle Bevorzugung der einen oder anderen Geräte­art nicht möglich und sinnvoll ist.

Trocknung von Schüttgut

Die Beschichtung von Schüttgut zählt zu den effektivsten galvanischen Beschichtungsverfahren. Dabei sind insbesondere die Umspülung der Teile in den üblichen Trommeln als auch die vollständige und fleckenfreie Trocknung am Ende des Prozesses sehr anspruchsvolle Verfahren. Reinhold Specht stellte mit der Kondensationstrocknung eine Technologie vor, die diese Anforderungen in höchstem Maße erfüllen kann. Für die Trocknung wird stark entfeuchtete Luft eingesetzt, wodurch einerseits mit relativ niederen Temperaturen getrocknet wird und gleichzeitig eine sehr effiziente Abführung des auf den Teilen vorhandenen Wassers möglich wird.

Für die Trocknung in Trommeln ist insbesondere die Führung der Luftströmung durch die unterschiedlich dicht liegenden Teile eine Herausforderung. Ein weiteres Erschwernis ist der Wechsel unterschiedlicher Teile, wie sie in der Lohnbeschichtung anfallen. An unterschiedlichen Beispielen zeigte Specht die technologischen Möglichkeiten, um unterschiedliche Füllmengen in Anlagen verschiedener Größe zu trocknen. Dabei kann in der Regel davon ausgegangen werden, den Trocknungsprozess innerhalb eines Zeitraums von etwa sechs bis zehn Minuten und bei Temperaturen unterhalb von 70 °C ausführen zu können.

Darüber hinaus stehen heute auch Anlagen für den Einsatz von Vibratoren zur Verfügung, die beispielsweise für Kleinstteile in der Elektronik oder im Schmuckbereich zum Einsatz kommen.

Stromsymmetrieüberwachung

Helmut Stiegler befasste sich mit der Stromverteilung zwischen Gleichrichtern und den einzelnen Elektroden in einem galvanischen Abscheidesystem. Hintergrund ist die übliche Verteilung des Stroms auf eine Kathode (der Warenträger mit den zu beschichtenden Teilen) und mindestens zwei Anoden links und rechts des Warenträgers. Aufgrund von schwankenden Übergangswiderständen an den Anoden kann es zu deutlich unterschiedlichen Strombelastungen der einzelnen Anoden kommen. In der Folge sind nicht nur ungleichmäßige Beschichtungen, sondern auch Erhitzungen der Kontaktstellen bis hin zum Entstehen von Bränden zu erwarten.

Zur Vermeidung der ungleichen Strombelastung stehen verschiedene Technologien zur Verfügung. Die Überwachung kann durch Temperatur- oder Magnetfeldsensoren, mittels Shunt-Widerständen, Durchsteckwandlern oder bei Verwendung von pulsierenden Strömen mit einer Rogowski-Spule erfolgen. Der Anwender erreicht dadurch ein besseres Beschichtungsergebnis, verringert seinen Einsatz an Anodenmaterial, Hilfschemikalien und Energie. Insbesondere vermindert sich aber die Brandgefahr durch überhitzte Kontaktstellen.

Schichteigenschaften und Prüfmethoden

Online-Analyse

Bei der Auswahl eines Messsystems sind nach Aussage von Dr. Norbert Schröder zunächst die Anschaffungs- und Betriebskosten, die Verfügbarkeit sowie Bedienung, Wartung, Fehlersuche und Reparatur wichtige Auswahlkriterien. Dafür stehen für die Galvanotechnik Verfahren auf Basis der Titration oder der Spektroskopie zur Verfügung, die in der Regel schnell und mit überschaubarem Aufwand gute Ergebnisse­ liefern. Schwieriger ist die Überwachung organischer Additive, die häufig in geringen Konzentrationen vorhanden sind. Hierfür sind elektrochemische Technologien wie CVS, CPVS oder PCGA sowie HPLC zur Überwachung von Abbauprodukten, Netzmitteln oder TOC-Messungen notwendig.

Eine zeitgemäße Messsystemanalyse muss die Fähigkeit von Messmitteln entsprechend den Anforderungen des Qualitätsmanagement und Six Sigma erfüllen. Dies umfasst Kenngrößen wie Genauigkeit, Wiederholpräzision, Vergleichspräzision, Lineari­tät und Stabilität als Kategorien, aus denen beispielsweise die Auflösung, die Korrelation von Genauigkeit und Wiederholpräzision oder das Zusammenspiel von Wiederhol- und Vergleichspräzision des Messsystems bestimmt werden. Dr. Schröder zeigte die Anforderungen und Lösungsmöglichkeiten am Beispiel der Analyse ­eines Kupferelektrolyen.

Rauheit und Topographie

Dr. Andreas Bán stellte eine Untersuchung und Modellierung der Einflüsse der elektrolytischen Bandverzinkung auf die Rauheit und Topographie von Stahlfeinblechen vor. Solche Bleche werden in großem Umfang im Automobilbau für Außenkomponenten eingesetzt. Nach einer Umformung werden sie abschließend lackiert, wobei die Rauheit einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Lackierung hat. Zur Vereinheitlichung der Oberfläche werden die Bleche vor dem Umformen mit geringem Umformgrad gewalzt (Dressieren). Allerdings war bisher nicht vorhersehbar, wie sich die Oberflächentopographie durch das Verzinken ändert.

Die Arbeitsgruppe von Dr. Bán hat in umfangreichen Untersuchungen die Oberflä­che vor und nach dem Verzinken charakte-
risiert. Es zeigte sich, dass die Rauheitsänderung durch eine dimensionslose Kennzahl beschrieben werden kann. Für diese Kennzahl wurde eine Beeinflussung durch die Diffusion beim Verzinken ermittelt. Allerdings waren die Einflussnahmen durch Temperatur und Strömung des Elektrolyten nur gering, da die Abscheidung stark von der Stromdichte und der Dicke der Zinkschicht abhängt. Unterschiede traten außerdem zwischen den Labor- und den Produktionsabscheidungen auf. Die Labor­abscheidungen zeigten beispielsweise eine Erhöhung der Oberflächenrauheit an den Erhöhungen des Substrats, also eine Beeinflussung der Diffusion. Für eine gezielte Einstellung der Rauheit eignet sich die ermittelte Kennzahl nicht, da sie nur über einen sehr kleinen Variationsbereich verfügt, so das Resultat des Vortragenden.

Eigenspannungen an
chemisch abgeschiedenem Nickel

Auftretende Eigenspannungen bei chemisch abgeschiedenen Nickelschichten sind ein entscheidendes Qualitätskriterium,­ die über den Einsatz beziehungsweise die ­Lebensdauer des Elektrolyten bestimmen.Christian Kaiser hat sich mit den Auswir-
kungen der Zusätze in Nickelelektrolyten auf die Eigenspannungen befasst. Zu unterscheiden sind Zugeigenspannungen, die zu Rissen in der Schicht führen und Druck­eigenspannungen, die zur Blasenbildung und dem Abplatzen führen.

Mit zunehmendem Alter des eingesetzten Elektrolyten steigt die Neigung zum Einbau von Fremdstoffen in die Schicht, was der Hauptgrund für die Entstehung von ­Eigenspannungen ist. Lediglich bei Schwefel führt der zunehmende Einbau zu einer Reduzierung der Eigenspannungen. Bei den untersuchten Elektrolyten traten erhöhte­ Eigenspannungen ab etwa 3,5 MTO auf. Metallische Verunreinigungen sollten so gering als möglich gehalten werden, wobei sich besonders Kupfer als kritisch erweist. Problematisch ist darüber hinaus der Umstand, dass derzeit noch keine schnelle und zuverlässige Methode zur Bestimmung der Eigenspannungen verfügbar ist.

Korrosionsschutz

PVD-Funktionsschicht

Wie Martin Balzer in seinen Ausführungen zum Korrosionsverhalten von PVD-Schichten aus Titan-Magnesium-Nitrid vermerkte, besitzen die Schichten insbesondere aufgrund von Defekten in Form von Poren und körnigen Einschlüssen eine geringe Korrosionsbeständigkeit. Hierbei lassen sich hügelförmige Wachstumsdefekte und Löcher mit unterschiedlichen Größen unter­scheiden; kleine Hügel zeigen Höhen im ­Mikrometerbereich, große Hügel von mehr als 2 µm. Die Klassifizierung der Löcher bewegt sich in etwa in den selben Dimensionen. Diese wirken sich unterschiedlich beim Angriff durch korrosive Medien aus.

An REM-Aufnahmen ist sehr gut zu erkennen, dass sich die Wachstumsstruktur der Defektstellen von der übrigen Schicht deutlich unterscheidet. Beispielsweise erfolgte an einem hügeligen Defekt mit einem Durchmesser von etwa 3 µm ein starker korrosiver Angriff des darunter liegenden Stahlsubstrats. Diese Korrosionsstelle macht sich auf der Oberfläche durch austretendes Eisenoxid bemerkbar. Die Korrosionsprodukte selbst traten dabei durch den Spalt zwischen Defekt und ungestörter Schicht aus.

Unter Einsatz eines Scanprogramms wurde­ bei einer größeren Fläche ein Zusammenhang zwischen Defektarten und Korrosions­angriff ermittelt. Tiefe Löcher und hohe hügelige Defekte führen der Analyse zufolge bereits in einem frühen Stadium zur intensiven Korrosion. Durch die Zugabe von Magnesium zur aufgesputterten Titannitridschicht wurde der Korrosionsangriff erkennbar verringert. Allerdings wird durch die Zugabe von Magnesium zur Schicht die Härte von etwa 2500 HV (ohne Magnesium) auf etwa 1200 HV bei einem Anteil von 35 At.% verringert. Zudem zeigt die Schicht mit 35 At.% Magnesium gute tribologische Eigenschaften. Schichten mit einer Dicke von etwa 2,5 µm eignen sich damit als ­dekorative harte PVD-Schicht.

In einer weiteren Arbeit, die Thoralf Müller präsentierte, wurde diese PVD-Schicht in Bezug auf deren Korrosionsverhalten hin untersucht. Insbesondere stand hier die Wirkung des zugegebenen Magnesiums im Blickpunkt. REM-Aufnahmen zeigten bei polierten Substraten eine Schicht mit gerin­ger Defektdichte, wobei sich das Erscheinungsbild der Oberfläche mit steigendem Magnesiumanteil zu einer plättchenförmigen Struktur mit höherer Mikrorauheit verändert. Auf gestrahlten Substraten sind die Rauheit sowie die Defektdichte wesentlich höher.

Ruhepotenzialmessungen zeigen eine Reduzierung der Werte von etwa 350 mV für Titannitrid auf unter 0 V für Titan-Magnesium-Nitrid (35 At.% Mg). Damit wird die Potenzialdifferenz zwischen dem Substrat­ und der Beschichtung durch die Zugabe von Magnesium gesenkt, wobei der Wert für Stahl immer noch negativer als der der Schicht ist. Bei gestrahlten Oberflächen sind die Potenzialwerte allerdings deutlich negativer, was auf den Einfluss der Schichtdefekte zurückgeführt wird. Prinzipiell ergibt sich durch das vorhandene Magnesium ab Gehalten von 20 At.% eine kathodische Schutzwirkung. Im Verlauf einer Belastung mit korrosivem Medium wird diese durch Verbrauch des Magnesiums verringert. Neben den Potenzialwerten, die für die Korrosionsbeständigkeit verantwortlich sind, ergibt sich durch gebildete, schwerlösliche Verbindungen, vor allem Magnesiumhydroxid, eine Verlängerungen der Schutzwirkung vor Einsetzen von Eisenkorrosion.

Kathodischer Korrosionsschutz
für Fahrwerksteile

Die neue Dünnschicht-Stückverzinkung bietet nach Aussage von Olaf Christ eine verbesserte Anwendung bei geometrisch komplexen Teilen. Die Schicht mit 5 % Aluminium zeichnet sich durch eine homogene Verteilung der beiden Legierungsmetalle in der Schicht aus. Aufgrund der inhibierenden Wirkung lässt sich nach Aussage von Christ die Schichtdicke auf 8 µm bis 15 µm reduzieren. Der höhere Aluminiumgehalt führt zudem zu einer höheren Schicht­passivität und damit zu einer besseren Korrosionsbeständigkeit.

Ein weiterer Vorteil der Schicht ergibt sich aus ihrer höheren Duktilität. Diese ermöglicht die Umformung des Teils nach der Beschichtung und weist eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber mechanischer Belastung auf. Schließlich werden das ­Gewicht der Beschichtung und die thermische Belastung des Teils durch den Beschichtungsvorgang verringert. Im Salzsprühnebeltest (ISO 9227) erzielt die Beschichtung eine Beständigkeit von 1200 h, im PV 1210 sind es 40 Zyklen und im Klimawechseltest VDA 621-415 10 Zyklen.

Zink-Nickel – Einfluss
der Legierungszusammensetzung

Zink-Nickel-Schichten zählen vor allem im Automobilbereich aufgrund der guten Korrosionsbeständigkeit und der hohen Festigkeit zu den wichtigsten galvanischen Beschichtungen. Wie Dr. Holger Sahrhage einführend betonte, ist allerdings das Fenster für die Zusammensetzung der Legierung auf Anteile von 12 % bis 15 % Nickel dafür genau einzuhalten. Dies erfolgt insbesondere durch eine sorgfältige Prozessführung der galvanischen Abscheidung sowie durch einen entsprechenden Elektrolytaufbau.

Um die Bedeutung einer sorgfältigen Prozessführung abschätzen zu können, ist die Kenntnis über die Veränderung der Schichteigenschaften durch Legierungs- und Verunreinigungselemente in der Schicht interessant. Bezüglich des Nickelgehalts ist eine Erniedrigung der Potenzialdifferenz zwischen Schicht und Stahlsubstrat bei höheren Nickelgehalten in der Schicht zu vermerken, wodurch der kathodische Schutz verloren geht. Bei abnehmenden Nickelanteilen sinkt der Anteil der korrosionsbeständigen g-Phasen in der Schicht, wodurch die Korrosionsrate der Schicht steigt. Des Weiteren wurde festgestellt, dass die Vorzugsorientierung der g-Phase die Verformbarkeit der Beschichtung verändert: die (330)-Orientierung ist besser verformbar als die (600)-Orientierung. Dies lässt sich durch die Zusammensetzung des galvanischen Elektrolyten steuern. Die Verformbarkeit kann anhand der Rissbildung beurteilt werden.

Als weiteres wichtiges Legierungselement gilt das Eisen, da es einerseits bei der Abscheidung durch Anlösen des Grundwerkstoffs ungewollt entsteht und in die entstehende Schicht eingebaut wird sowie andererseits als glanzerhöhend bewusst zugesetzt wird. In Untersuchungen hat es sich gezeigt, dass mit steigendem Eisenanteil der Wirkungsgrad der Abscheidung gesenkt wird, wodurch die Einstellung der korrekten Schichtdicke erschwert wird. Als unkritisch werden Eisengehalte von bis zu 100 ppm im Elektrolyten gesehen. Ab 300 ppm können sich negative Effekte auf den Wirkungsgrad, die Deckfähigkeit oder den Korrosionsschutz bemerkbar machen.

Zukunftstechnologien

Brennstoffzellen

Für Brennstoffzellen, bei denen Luft und Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt und mithilfe von Katalysatoren zu reaktionsfähi­gen Spezies aufgespalten werden, bietet die Galvanotechnik einen Ansatzpunkt zur Herstellung von Bipolarplatten. Gloria Lanzingen stellte hierzu ihre Arbeiten zum Einsatz der LIGA-Technik vor. Damit werden pilzförmige Strukturen aus Kupfer mit Deckschichten aus Nickel und Gold hergestellt. Die Pilzstrukturen besitzen bei einem Durchmesser von etwa 20 µm eine Höhe von etwa 200 µm. Zum Einsatz kommen hierbei auch Technologien, die in der Leiterplattentechnik zum Standard zählen. Die Eignung der verschiedenen, in Gebrauch befindlichen Technologien zeigen, dass für die Herstellung von Brennstoffzellen auf Massenfertigungstechniken zurückgegriffen werden kann. Dies gilt sowohl für die Herstellung der erforderlichen Masken, der einzusetzenden Elektrolyte als auch der Anlagentechnik. Zudem bieten die Verfahren die Möglichkeit, die Dimensionen der Strukturen weiter zu verkleinern.

Kunststoffbeschichtung

Milan Madron diskutierte in seinem Vortrag die Frage, ob galvanisch beschichteter Kunststoff auch für mechanische Bauteile als Alternative zum bisher üblichen Stahl geeignet ist. Seinen Ausführungen zufolge stechen sowohl das Gewicht, die Kosten für Rohstoffe und Herstellung sowie die Formfreiheit als positive Punkte hervor. Negativ sind vor allem die geringere Festigkeit und Temperaturbeständigkeit von Kunststoff im Vergleich zu Stahl, was durch Gegenmaßnahmen zu lösen ist.

Als Werkstoffe kommen nach seiner Meinung verstärkte Polyamide, wie zum Beispiel PA 6 und PA 66, in Betracht. Für besonders hohe Anwendungstemperaturen und Zugfestigkeiten stehen darüber hinaus PEEK oder PAI zur Auswahl. Durch Anpassung der Vorbehandlung konnte in Untersuchungen die Haftfestigkeit der galvanischen Beschichtung deutlich erhöht werden. Ein getesteter Hybridwerkstoff (PA6-GM40) zeigte zudem eine um etwa 100 % höhere Biegefestigkeit, einen um 350 % höheren Biegemodul und eine um 25 % geringere Bruchdehnung. Mit dem Werkstoff können beispielsweise Wälzlager hergestellt werden, die eine deutliche Gewichtseinsparung bringen.

Additive Fertigung –
Verbesserung durch Nachbehandlung

Die additive Fertigung ermöglicht die Herstellung von sehr komplexen Strukturen. Zudem sind dazu keine Formen oder formgebenden Werkzeuge erforderlich, wodurch die Herstellkosten verringert werden. Allerdings entsteht aufgrund des Herstellprozesses eine relativ raue Oberfläche durch die miteinander verschmolzenen Partikel und daraus folgend eine hohe Neigung zur Rissbildung unter zyklischer Spannungsbelastung. Sarah Bagehorn befasste sich mit den Möglichkeiten zur Herstellung einer glatten Oberfläche.

Von den mechanischen Verfahren kommt in erster Linie das Strahlen in Betracht, bei dem mit höherem Aufwand auch innen liegende Oberflächen in begrenztem Maße bearbeitet werden können. Innerhalb weniger Minuten Bearbeitungszeit kann damit die Rauheit merklich verringert werden, wobei jedoch Reste des Strahlmittels in der Oberfläche verbleiben und zu Problemen führen können. Durch mechanisch-physikalisch-chemisches Abtragen (Micro Machining) erfolgt ein sukzessiver Materialabtrag über die verschiedenen Rauheitsstufen hinweg bis zu Oberflächenrauheiten von Ra < 0,1 µm. Nachteilig ist eine nicht allseitig gleichmäßige Oberflächenqualität. Geringe Rauheiten von unter 1 µm werden auch beim Gleitschleifen erreicht; es verbleiben jedoch ausgeprägte Rauheitstäler. Insbesondere beim elektrolytischen Glätten­ (auch als elektrolytisches Polieren bezeichnet) entstehen sehr glatte Oberflächen mit geringsten Mikrorauheiten, aber verbleibenden Welligkeiten der Oberfläche. Vorteil ist die Beibehaltung der Zusammensetzung der Oberfläche.

Komplexbildner – Legierungsabscheidung

An der TU Chemnitz wurden Untersuchungen zur wichtigen Funktion von Komplexbildnern in galvanischen Elektrolyten, wie sie vor allem auch für die immer wichtiger werdende Legierungsabscheidung benötigt werden, durchgeführt. Dazu gaben vier ­Referenten einen Einblick in ihre Arbeiten.

Kategorisierung von Komplexbildnern

Ingolf Scharf befasste sich vor allem mit der Frage, wann sich Komplexbildner für galvanotechnische Anwendungen eignen und welche Kriterien diese erfüllen müssen. Dabei reichen die Anforderungen der Komplexbildner von der Bindung von gelösten Stoffen in Reinigungslösungen, der Wasserbehandlung bis hin zur Abscheidung von Metallen. Insbesondere bei der Legierungsabscheidung werden Metalle mit deutlich unterschiedlichen elektrochemischen Eigen­schaften durch Komplexe in ­einen Zustand versetzt, der eine gemeinsame Abscheidung ermöglicht. Eine weitere Herausforderung ergibt sich aus der Tatsache, dass viele komplexbildende Stoffe durch die Gesetzgebung und die REACh-Verordnung reglementiert werden. Bei der Suche nach Alternativen ist häufig nicht klar, welche exakten Eigenschaften die komplexbildenden Substanzen für eine erfolgreiche Anwendung in den verschiedenen Einsatzfällen aufweisen müssen, was die Auswahl erheblich erschwert.

Legierungsabscheidung
mit Komplexbildnern

In galvanischen Elektrolyten haben Komplexbildner die Aufgabe, die freien Metall­ionenkonzentrationen im Elektrolyten ab-
zusenken und dadurch eine hohe Streufähigkeit und/oder eine definierte Legierungszusammensetzung zu gewährleisten. Über die Festlegung der freien Metall­ionenkonzentrationen wären somit die Legierungszusammensetzung und deren Eigenschaften abschätzbar, falls die zur Berechnung erforderlichen Daten vorliegen, was jedoch nur sehr bedingt der Fall ist. Dominik Höhlich befasste sich mit einer allgemeinen Verfahrensweise, mit der Komplexbildungskonstanten effizient und unabhängig von der Struktur des gewählten Komplexbildners bestimmbar sind. Neu ist hierbei die Betrachtung der Temperatur­abhängigkeit der Komplexbildungsreaktionen. Die thermodynamische Betrachtung der Reaktionsvorgänge in wässrigen Elektrolyten ermöglicht es, die Reaktionen für die Metallabscheidung besser einzuschätzen und wichtige Richtlinien für eine gezielte Elektrolyt- und Prozessentwicklung darzustellen.

Standardisierte Vorgehensweise
zur Elektrolytentwicklung

Elektrochemisch sind über 500 binäre Legierungen abscheidbar, wovon allerdings nur ein kleiner Teil bislang genutzt wird, wie Markus Müller einführend in seinem Vortrag zur Entwicklung einer standardisierten Vorgehensweise zur Darstellung von Elektrolyten für die Legierungsabscheidung betonte. Die Problematik liegt vor allem in der starken Abhängigkeit der Legierungszusammensetzung von der Elektrolytzusammensetzung und den Arbeitsbedingungen. Erschwerend für die Anwendung kommt die Skalierung vom Labor- in den Industriemaßstab aufgrund der erforderlichen lokalen Optimierung der Elektrolyteigenschaften hinzu.

Zur Verbesserung der Situation werden die kinetischen Parameter des Elektrolyten in Abhängigkeit von Temperatur und pH-Wert bestimmt. Zur Anwendung eignet sich die Bestimmung von kinetischen Parametern der Komplexbildung mittels Polarographie, deren Möglichkeiten Müller vorstellte.

Smarte statistische Versuchsplanung

Günter Mollath befasst sich mit einer Methode zur Modellbildung über Kennfelder, mit der sich bei der elektrochemischen Metallabscheidung die Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern und der Schichteigenschaft beschreiben lassen. Mit diesen Kennfeldern lassen sich die Abhängigkeiten von Schichteigenschaften grafisch darstellen, die von zehn und mehr Parametern abhängen können. Dafür wird seit mehreren Jahren, ausgehend vom Vorhaben AnSim, ein anwenderfreundliches Werkzeug entwickelt. Dazu wird auch die heute vielfach angewandte Technik der statistischen Versuchsplanung (DoE: Design of Experiments) eingesetzt.

Günter Mollath stellte Verfahren vor, mit denen durch eine Festlegung der Experiment-Reihenfolge das Verwerfen von Elektrolytansätzen minimiert werden kann. Des Weiteren kann begleitend zur Versuchsdurchführung durch eine kontinuierliche Auswertung der Kennfelder die statistische Versuchsplanung erfolgen; die Versuche können so effizienter abgewickelt werden. Unterstützt werden die Entwicklungsarbeiten durch eine neu entwickelte Handlingsanlage, die einen Schritt in Richtung zur Entwicklungsautomation darstellt.

-wird fortgesetzt-

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