Immer eine Herausforderung: Anodisieren von Aluminium

Oberflächen 07. 08. 2021

Von Dr.-Ing. Stefan Kölle, Fraunhofer-Institut IPA, Stuttgart

Leichtbau hat dazu geführt, dass Aluminium immer häufiger als Konstruktionswerkstoff zum Einsatz kommt. Obwohl die Anodisation von Aluminium ein etabliertes Verfahren ist, bleibt es eine Herausforderung, immer hochwertigere Schichten zu erzeugen. Das Fraunhofer IPA hat auf diesem Gebiet gezielt Kompetenzen aufgebaut und kann Beschichter und Schichtanwender dabei unterstützen.

Aluminium – Werkstoff mit Zukunft

Um die anspruchsvollen Klimaschutzziele der EU zu erreichen, wird der Anteil von Aluminium als Leichtbauwerkstoff in den kommenden Jahren stark zunehmen. Im Vergleich zum Jahr 2010 wird bis 2030 eine Verdopplung des Aluminiumanteils in Fahrzeugen erwartet [1], da sich durch eine Gewichtsreduktion von 100 Kilogramm ungefähr acht Gramm Kohlenstoffdioxid (CO2) pro gefahrenem Kilometer einsparen lassen [2].

Für den Einsatz im Leichtbau werden höchste Anforderungen an das Material selbst gestellt, die von modernen Aluminiumlegierungen mit ihrer hohen Festigkeit, Steifigkeit und Umformbarkeit bestens abdeckt werden [2]. Die natürliche Aluminiumoberfläche besitzt jedoch für die meisten Anwendungen eine zu geringe Korrosions- und Verschleißbeständigkeit und muss daher beschichtet werden. Das Anodisieren ist dabei ein besonders geeignetes Verfahren, um Aluminiumlegierungen effektiv vor Verschleiß und Korrosion zu schützen. Trotz der Tatsache, dass das Anodi­sieren ein etabliertes Verfahren ist, ergeben sich gerade durch die Weiterentwicklungen im Bereich der Aluminiumlegierungen immer neue Herausforderungen. Zum einen benötigen spezifische Anforderungen an eine technische Oberfläche auch maßgeschneiderte Schichteigenschaften. Zum anderen wachsen die Anforderungen an die Beschichtungsprozesse selbst. Beim Anodisieren im Allgemeinen und dem Hartanodisieren im Speziellen spielt zudem der Energieverbrauch eine große Rolle, da es sich um sehr energieintensive Prozesse handelt.

Anodisation – Höchste Anforderungen an Schicht und Verfahrenstechnik

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart hat in den vergangenen Jahren durch eine Vielzahl von Forschungs- und industriellen Entwicklungsprojekten gezielt Know-how und Infrastruktur aufgebaut, um sowohl Beschichter als auch Schichtanwender als externe Entwicklungsabteilung unterstützen zu können. Im Fokus stehen dabei die Entwicklung von maßgeschneiderten Schichtlösungen, die Analyse von und Abhilfe bei Beschichtungsfehlern sowie das energieeffiziente Ano­disieren.

Schichtentwicklung – Von Grundlagen bis Kleinserie

Bei den meisten technischen Bauteilen wird mit einer Beschichtung erst das gewünschte Eigenschaftsprofil erreicht. Häufig fehlt für die Entwicklung dieses Eigenschaftsprofils jedoch im Unternehmen die Kapazität, die Infrastruktur oder die Kompetenz im Bereich der Oberflächentechnik. Das Fraunhofer IPA analysiert, bemustert und entwickelt Beschichtungsverfahren für Aluminium. Das Spektrum reicht vom Probekörper bis hin zu Prototypen, mit denen Untersuchungen auf Prüfständen beim Kunden durchgeführt werden können. Das Ziel ist dabei immer, die Verfahren und Prozesse so zu gestalten, dass sie auch im industriellen Maßstab umsetzbar sind.

Beschichtungsfehler – Prozess oder Grundmaterial?

Besonders beim Anodisieren hängen die Schichteigenschaften stark vom Grundmaterial ab. Bei auftretenden Beschichtungsfehlern ist meist nicht ersichtlich, ob der Fehler durch die Anodisation, durch die Vorbehandlung oder das Grundmaterial hervorgerufen wird. Durch die vorhandenen Kompetenzen im Bereich Verfahrensentwicklung und Materialcharakterisierung ist das Fraunhofer IPA in der Lage, die Ursachen von Beschichtungsfehlern zu identifizieren und in Zusammen­arbeit mit dem Beschichter abzustellen.

Ökoxal-Verfahren – Höhere Energieeffizienz

Der hohe Energieverbrauch der Hartanodisation lässt sich zum einen mit den hohen Spannungen während der Abscheidung und zum anderen mit den tiefen Verfahrenstemperaturen erklären. Beides lässt sich beeinflussen, um den Energieverbrauch zu senken. Beim Ökoxal-Verfahren, das Forscherinnen und Forscher vom Fraunhofer IPA bereits 2013 in Zusammenarbeit mit der Firma Galvano Weis entwickelt haben, können im Vergleich zur Hartanodisation mit Gleichstrom bis zu 40 Prozent Energie eingespart werden – ohne Einbußen bei den Schichteigenschaften. Damit kann ein echter Beitrag zur CO2-Reduktion geleistet und der Einsatz von Aluminium im Leichtbau noch effizienter werden.

Literatur

[1] Statista: Prognose zur Menge an verarbeitetem Aluminium in Fahrzeugkarosserien weltweit in den Jahren 2010 bis 2030; https://de.statista.com/statistik/daten/studie/663340/umfrage/prognose-fuer-die-verarbeitete-menge-an-aluminium-in-fahrzeugkarosserien/ (abgerufen: 20.07.2021)

[2] Oliver Rebuffet: Aluminium – Ein Leichtgewicht erobert die Automobilbranche; https://www.wotech-
technical-media.de/womag/ausgabe/2018/05/06_constellium_alu_05j2018/06_constellium_alu_05j2018.php

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