Energiebeschaffung – und was die Branche sonst noch bewegt

Bericht über die ZVO-Oberflächentage 2022 – Teil 2

Neueste wissenschaftliche Erkenntnisse präsentierten akademische Nachwuchskräfte bei der Vorstellung ihrer Diplom- beziehungsweise Abschlussarbeiten. Sie lieferten zum Beispiel neue Informationen zu den elektrochemischen Grundlagen der Oberflächentechnik und Beschichtung, wobei sowohl die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten als auch Alternativen zu bestehenden Systemen mit dem Fokus auf Umweltfreundlichkeit thematisiert wurden. Hohe Aktualität besitzen auch alle Themen zur Verbesserung beziehungsweise Aufrechterhaltung der Wirtschaftlichkeit in der oberflächentechnischen Produktion. Dies gilt besonders im Hinblick auf die Energie- und Rohstoffbeschaffung. Darüber hinaus bot die Fülle der Vorträge zahlreiche neue Aspekte zur Herstellung von effizienten Beschichtungen, den Einsatz von moderner IT-Technik für die Produktion oder die Unterstützung der Produktion durch fortschrittliche Analysentechnik.

(Bild: ZVO/ Sven Hobbiesiefken)

 

Junge Kollegen berichten

Haftfestigkeit von Chemisch-Nickel-Schichten auf SiC

Für optische Anwendungen, wie beispielsweise Teleskope oder Spektrometer, lassen sich durch röntgenamorphe und polier­fähige Nickel-Phosphor-Schichten hochreflektieren­de Optiken für den Einsatz im Weltraum herstellen. Als Stand der Technik werden metallische Substrate, wie Aluminium- oder Berylliumlegierungen mit Nickel durch chemische Abscheidung beschichtet – ein Thema, mit dem sich Tatjana Porwol, befasst. Keramische Substratwerkstoffe auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) ermöglichen, insbesondere für Weltraumanwendungen, die Herstellung von mechanisch signifikant stabileren Optiken. Bei den aufgebrachten Nickel-Phosphor-Schichten auf einem keramischen Substratwerkstoff werden Rauheiten < 1 nm Rq realisiert.

Ein Ziel der durchgeführten Untersuchungen war die Klärung der Frage, welche mechanischen und chemischen Komponenten zur Haftfestigkeit von Nickel-Phosphor-Schichten auf einem SiC-Werkstoff beitragen. Der Schwerpunkt wurde dabei auf die Untersuchung der Grenzfläche SiC/Nickel gelegt. Als hochauflösende Analyseverfahren wurden unter anderem Rasterelektronen-(REM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) mit Energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) sowie Weißlichtinterferometrie verwendet. Als mechanischer Beitrag konnten während der Vorbehandlung des Beschichtungsprozesses die unterschiedlichen Phasen des keramischen Substratmaterials abgeleitet werden. Mittels REM wurde an der Substratoberfläche eine defektfreie Schicht an Keimen nachgewiesen. Und mit Hilfe von TEM und EDX wurden einzelne Palladium- und Zinnkeime in der Grenzfläche abgebildet und somit die Eignung der chemischen Vorbehandlung belegt.

Aluminiumabscheidung aus ­ionischer Flüssigkeit

Silvia Braun, Fraunhofer-Institut für Elektro­nische Nanosysteme ENAS, untersuchte in ihren Arbeiten den Einfluss verschiedener Additive auf die Aluminiumabscheidung aus der ionischen Flüssigkeit EMImCl/AlCl3. In der Mikrosystemtechnik wird Aluminium oftmals als elektrischer Leiter eingesetzt, da die Ströme recht gering sind. Der Systemaufbau mit der passenden Auswerteelekronik (ASIC) erfolgt meist mittels Aluminium-Drahtbondens. Die galvanische Aluminiumabscheidung ist daher für verschiedene Anwendungsbereiche der Mikrosystemtechnik interessant. Allerdings ist die Abscheidung aus ionischen Flüssigkeiten (IL) häufig mit einer gewissen Rauheit der Schichten verbunden.

Oberfläche der abgeschiedenen Schichten aus Elektrolyten mit Nicotinsäure und Cyanopyridin bei unterschiedlichen Abscheideparametern mit Pulsstrom (Bild: S. Braun)

 

Mittels gepulster Abscheidungen konnte die Rauheit vermindert werden, allerdings nicht ausreichend. In der Aufbau- und Verbindungstechnik, vor allem aber in der Mikrooptik müssen die Schichten geringere Rauheiten aufweisen. Auch wäre eine höhere Abscheidegeschwindigkeit wünschenswert. Zur Verbesserung dieser Situation wurde der Einfluss von Additiven untersucht.

Vorversuche erbrachten für Toluol und Niacin positive Ergebnisse. Untersucht wurde dabei die Wirkung der Additive auf die elektrische Leitfähigkeit, Viskosität, das Abscheideverhalten und die Schichtqualität. Die Additive wurden mittels elektrochemischer Impedanzmessung, Viskosimetrie, zyklischer Voltametrie und anhand der Schichtqualität und des Abscheideverhaltens charakterisiert.

Es stellte sich heraus, dass bei allen verwendeten Additiven ähnliche Einflüsse auf die Aluminiumoberfläche auftreten. So lässt sich die Rauheit stark verringern, vor allem bei höheren Stromdichten, wobei diese auf 12,5 mA/cm2 begrenzt wurde. Gute Aussichten bieten Elektrolyte mit 6 mM Nicotinsäure und mehr als 2 mM Cyanopyridin. Für die Beschichtung von Leiterplatten führte ein Elektrolyt mit 6 mM Nicotinsäure zu glänzenden Oberflächen und einer guten Bedeckung der Innenseite von Bohrungen bei 400 µm Durchmesser. Die gefunden Ergebnisse fließen in weitere Untersuchungen im Hinblick auf die Anwendung bei Siliziumwafern ein.

Struktur-Eigenschafts­beziehungen ­verschiedener Chromelektrolyte

Mit ihren Ausführungen gab Birgit ­Möbius, SurTec International GmbH, Einblick in die Untersuchungen von verschiedenen Chrom­elektrolyten, die im Rahmen eines Promotionsverfahrens in Kooperation mit der TU Ilmenau, Fachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnik, durchgeführt worden waren. Die Elektrolytzusammensetzung beeinflusst den Erkenntnissen der Vortragenden zufolge entscheidend die Abscheidung und damit auch die Eigenschaften der entstehenden Chromschichten. Dabei erzeugt nicht nur die Verwendung von Chrom(III) oder Chrom(VI) einen signifikanten Unterschied, sondern es spielen auch weitere Komponenten eine wichtige Rolle.

Erkennbar werden die Unterschiede ­unter anderem an der Größe der entstehenden Metallkristalle oder an deren Form, je nach Art des Elektrolyten und der Abscheidebedingungen. Diese wirken sich insbesondere auf die Farbe oder den Glanz der abgeschiedenen Schicht aus. Des weiteren unterscheiden sich die Kristallformen in Abhängigkeitvon der Substratart, also damit auch von der Art der üblichen Vorbeschichtung wie Glanz- oder Halbglanznickel. Die gefundenen Ergebnisse eröffnen Möbius zufolge die Möglichkeit, durch Auswahl des Elektrolytsystems und der Abscheideparameter vor allem die Farbe der Beschichtung gezielt einzustellen. Wichtig ist allerdings, die für Elektrolyte vorgegebenen Parameter der Chemielieferanten einzuhalten.

Beispiele für den Einfluss von Zwischenschichten auf die Keimbildung bei Chrom(III)elektrolyten zur Abscheidung heller Schichten (Bild: B. Möbius)

 

Innovative Leiterplattenfertigung

Lara Eggert, TU Ilmenau, stellte ihre ­Arbeiten zur Fertigung von Leiterplatten durch FDM-Druck (FDM – Fused Deposition ­Modelling) und selektive Kunststoffmetallisierung vor. Ein wichtiger Bereich der Leiterplattentechnik kommt den dreidimensionalen Leiterplatten zu, unter Umständen mit mechanischen Funktionen und 3D-MIDs. Um die Herstellung von Leiterplatten innovativ und wirtschaftlich zu gestalten, wird eine hohe Flexibilität an Geometrie und Materialien bei geringen Kosten gefordert. Mit dem FDM-Verfahren können diese Anforderungen erfüllt werden. Daraus entwickelte sich die Idee, eine Leiterplatte durch 3D-Druck zu erzeugen, indem die Trägermaterialen gedruckt und darin die Leiterbahnen eingefügt ­werden.

Möglich wird dies, wenn Druckmaterialien verfügbar sind, die die deutlich unterschiedlichen Eigenschaften erfüllen. Hierzu zählt im Falle des Leiterbahnmaterials die Eigenschaft, in einem Folgeschritt selektiv chemisch metallisiert werden zu können. Für die Realisierung wurden zunächst die Ausgangsstoffe den Anforderungen gemäß ausgewählt; als Leiterbahnen wurden die Metalle Kupfer und Zinn als abscheidbare Metalle in Betracht gezogen. Für diese Prozesse besteht die Möglichkeit zur kolloidalen und ionogenen Akti­vierung, wobei die ionogene Aktivierung kürzere Prozesse und eine bessere Reproduzierung bietet. Auf die aktivierten Leiterbahnen wurde anschließend Kupfer in einer Dicke von 10 µm mit unterschiedlichen Abscheidegeschwindigkeiten abgeschieden.

Aus den erfolgten Vorversuchen wurde jeweils ein Basiswerkstoff und ein Leiterwerkstoff für den eigentlichen 3D-Druck ausgewählt. Schließlich wurden Verfahren für die Vorbehandlung vor der Kupferabscheidung optimiert. Bei den durchgeführten Untersuchungen zeigte es sich, dass die besten Ergebnisse erzielt werden können, indem auf die Verwendung einer Beize oder Sensibilisierung verzichtet wird.

Direktgalvanisierung von Polypropylen

Additiv verarbeitetes, elektrisch leitfähiges Polypropylenkomposit lässt sich den Arbeiten von Axel Dittes von der TU Chemnitz zufolge direkt galvanisieren. Hierfür wurde das FFF-3D-Druck-Verfahren angewendet (FFF – Fused Filament Fabrication). Da die entstehende Oberfläche bei diesem Druckverfahren relativ uneben beziehungsweise rau ist, wurde ein Verfahren zum Glätten der Oberfläche mit einbezogen.

Um bei diesem Grundwerkstoff Leiterbahnen zu erzeugen, können beim Drucken Palladiumkeime mit eingebracht werden. Deutlich kostengünstiger ist allerdings das Beimischen von Kohlenstoff- oder Kupferfilamenten. Vorversuche ergaben, dass der Einsatz von Kohlenstoffnanoröhrchen und Industrieruß (Carbon Black) eine kostengünstige interessante Fertigungsart darstellen kann.

Eine Beimischung von etwa 16 Prozent Leit­additiven ergab den geringsten elektrischen Widerstand, auch im Vergleich zu kommerziellen Produkten. Brauchbare Ergebnisse wurden auch bei einer reduzierten Beimischung von etwa elf Prozent erzielt. Für die Untersuchungen wurden auf eine gedruckte Grundplatte ohne Leitstoff eine Lage mit leitfähigem Zusatz gedruckt, wobei unterschiedliche Dicken und Lagen sowie deren Orientierung als Parameter genutzt wurden.

Die auf diese Weise hergestellte Proben wurden in einem sauren Kupferelektrolyt beschichtet. In der Regel wurden für eine vollständige Bedeckung etwa 15 bis 25 Minuten benötigt. Bei den durchgeführten Messungen zeigte es sich, dass die Lagenzahl keinen nennenswerten Einfluss auf die Beschichtung hat. Gegenüber kommerziellem Material bietet die von der Arbeitsgruppe des Vortragenden gefundene Zusammensetzung eine kostenmäßig sehr interessante Lösung. In einem nächsten Schritt muss noch an der Verbesserung der Haftung der Kupferschicht auf dem Kunststoff gearbeitet werden.

Wärmebehandlung von ­beschichteten Bauteilen

Im Forschungsprojekt OptiHeat des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM sowie des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA erfolgte die Entwicklung eines Softwaretools, mit dem gezielt Parameter für optimierte Entgasungswärmebehandlungen von ­galvanisch beschichteten Bauteilen berechnet und anschließend mit geringerem Aufwand in die Praxis überführt werden können.

Dazu wurden vom Fraunhofer IPA und von Industrie­unternehmen verschiedene Probengeometrien mit kommerziellen Zink-, Zink-­Nickel- und Chromverfahren beschichtet. Am Fraunhofer IWM wurde die Wasserstoffanalytik durchgeführt und auf deren Datenbasis ein browserbasiertes Softwaretool programmiert. Ziel der Software ist es, Anwendern eine Hilfe an die Hand zu geben, um mit nur wenigen Eingaben optimierte, an Schicht und Bauteil angepasste Behandlungsparameter berechnen zu können, was zu deutlich weniger Versuchen für eine Absicherung führt.

Aufgrund des hohen Energieeinsatzes zur Wärmebehandlung von beschichteten Bauteilen, die zur Vermeidung von Wasserstoffversprödung notwendig ist, ist die Überprüfung der erforderlichen Temperzeiten sowohl aus ökologischer als auch aus ökonomischer Sicht sehr sinnvoll. Die von Dr.-Ing. Frank Schweizer, Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM, vorgestellten Arbeiten befassen sich im ersten Schritt mit der Ermittlung der Eindiffusion von Wasserstoff in ein Bauteil. Für die Wasserstoffversprödung sind darüber hinaus auch noch die Werkstoff­arten sowie die Zeitpunkte nach einer Beschichtung zu berücksichtigen, da Wasserstoff nach dem Eindiffundieren auch wieder entweichen kann. Für die Untersuchungen wurden sowohl saure als auch alkalische Elektrolyte herangezogen. Als Teile wurden flache Bleche, unter anderem C-Ringe, und Kugeln verwendet.

Die bei den Untersuchungen ermittelten Wasserstoffgehalte waren bei den nur gebeizten Materialien am geringsten und bei saurer Verzinkung am höchsten. Unterschiede zeigten sich auch je nach Beschichter, wobei in der Regel die Tendenz zu höheren Werten bei saurer Verzinkung erhalten bleibt. Die gemessene Wasserstoffeffusion ist bei alkalischen Verzinkungen deutlich höher als bei saurer Verzinkung, wobei dies vermutlich auf die unterschiedliche Risskonstellation der Schichten zurückzuführen ist. Bezüglich des Temperatureinflusses auf das Entgasen zeigt sich bei Zinkschichten eine Zunahme mit der Temperatur, während dies für Zink-Nickel nicht gilt.

REACH-konforme ­galvanische Goldabscheidung

Lars Lehmann, TU Chemnitz, befasst sich mit der Entwicklung eines Elektrolyten zur REACh-konformen Abscheidung von Gold(I)­verbindungen. Aufgrund der herausragenden chemischen Beständigkeit von Gold ist die galvanische Vergoldung eine etablierte Methode, wenn es um die Sicherstellung langzeitstabiler elektrischer Kontaktierungen in mittleren und kleinen Lastbereichen geht. Der größte Teil der galvanischen Feingoldabscheidung für die Mikroelektronik erfolgt aus cyanidischen Elektrolyten, da diese die nötige Langzeitstabilität aufweisen, die für die komfortable Anwendung der Elektrolyte im kommerziellen Einsatz benötigt wird.

Der Umgang mit Cyaniden bezüglich Arbeits- und Umweltschutz ist mit Risiken verbunden und Unternehmen sind dadurch gezwungen, einen erheblichen Mehraufwand an Bürokratie (Gefahrstoffmanagement) und Schutzmaßnahmen (Abluft, Abwasserbehandlung und Arbeitsschutz) auf sich zu nehmen. Daraus resultiert der Wunsch, Cyanid in galvanischen Elektrolyten zu vermeiden. Aufgrund der Freisetzung von Cyanid in sauren Lösungen oder dem sogenannten Underplating bei der Verwendung von basischen Elektrolyten weisen cyanidische Goldelektrolyte deutliche Nachteile auf. Lars Lehmann hat Lösungsstrategien bewertet, um Goldschichten entsprechend der REACh-Verordnung, das heißt unter Vermeiden toxischer Verbindungen, abscheiden zu können.

Mathematische ­Modellierung in der Galvanotechnik

Numerische Simulationen, mit denen sich Stephan Daniel Schwöbel, TU Chemnitz, befasst gewinnen in der Oberflächentechnik und damit natürlich auch in der Galvanotechnik zunehmend an Bedeutung. Der Einsatz von Simulationssoftware wird nach Einschätzung von Schwöbel vielerorts zum Standard werden. Neben der Optimierung von Prozessen führen softwaregestützte Prozesse auch zu einer Kostenreduzierung. Leistungsfähigere Hardware und aktuelle Entwicklungen in der Numerik ermöglichen die effiziente Auswertung von immer komplexer werdenden Modellen sowie eine Effizienzsteigerung in der Auswertung aktueller Modelle. So lassen sich zum Beispiel die Schichtdickenverteilungen, die lokale Legierungszusammensetzung auf Kathoden, das Auflöseverhalten von Anoden und die Grenzstromdichte durch Simulationen untersuchen. Der Vortrag diskutierte Potenzial, Herausforderungen und zukünftige Entwicklungsmöglichkeiten für die Modellierung in der Galvanotechnik anhand von aktuellen Forschungsergebnissen zur Vorhersage der Schichtdickenverteilung und der Berechnung der Grenzstromdichte.

Kupferoxid mit verbesserter ­photo-elektrochemischer Eigenschaft

Mario Kurniawan, TU Ilmenau und diesjähriger Preisträger für den Nachwuchsförderpreis der DGO, befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung von Kupferoxid zur Gewinnung von Wasserstoff auf Basis einer photo-elektrochemischen Reaktion. Hierbei werden die Halbleitereigenschaften von Kupfer(I)oxid und Kupferoxid (Cu2O) genutzt, durch die die Oxide in der Lage sind, Sonnenlicht zu absorbieren und Wasser unter Bildung von Wasserstoff zu reduzieren.

Sowohl die Lichtabsorption als auch die Wasserstoffentwicklung hängen sehr stark von der verfügbaren Größe der Elektroden­oberfläche, in diesem Fall also der Kupfer­oxidfläche, ab. Daher ist es sinnvoll, eine möglichst poröse Grundstruktur an ­Kupfer herzustellen. Auf einer derartigen porösen Struktur wird Kupferoxid erzeugt. Im ersten Schritt werden dazu hohe Stromdichten über 1 A/cm2 verwendet, um die Kupferschicht abzuscheiden und gleichzeitig eine hohe Zahl an Wasserstoffbläschen zu erzeugen, die als dynamisches Templat zur Bildung der mikroporösen Struktur verwendet werden. Im zweiten Schritt wird eine elektrochemische Abscheidung durchgeführt, um die poröse Schicht mechanisch zu verstärken. Die poröse Schicht wird dann durch Ultraschall von dem flachen Substrat getrennt, um ein freistehendes poröses Kupfergerüst zu erhalten.

Porenstruktur des freistehenden Kupfergerüsts vor (l.) und nach der Ultraschallbehandlung (Bild: M. Kurniawan)

 

Die photo-elektrochemische Abscheideleistung des Cu2O-Films auf dem freistehenden porösen Kupfergerüst zeigt einen Anstieg des Photostroms um 80 Prozent bis 120 Prozent bei 0 V vs. RHE im Vergleich zum planaren Substrat. Darüber hinaus sind diese porösen Cu2O-Proben auch durchscheinend aufgrund ihrer ungewöhnlichen, durchgehenden Porenstruktur, die eine direkte optische Transmission zwischen 14 Prozent und 23 Prozent besitzt.

Unternehmerforum: ­Management meets Oberfläche

Kommunikationsfalle Audit

Auditoren leben in einer sehr klar geregelten, schwarz-weißen Welt. Es geht immer um die dauerhafte Einhaltung von möglichst genau definierten Prozessen und Prozessparametern, wie Oliver Brenscheidt Brenscheidt Galvanik Service einleitend ausführte. Damit ist die Galvanik der natürliche Feind des Auditors. Denn hier geht es häufig genug darum, auf Prozessschwankungen zu ­reagieren, mit halbguten Vormaterialien zu arbeiten und unzählige Einflussparameter im Griff zu halten. Der Auditor denkt linear, der Galvaniker arbeitet in einem nur meta-stabilen Umfeld.

Das Kernproblem einer Auditierung ist nach Ansicht von Oliver Brenscheidt vielfach das klassische Sender-Empfänger-Problem. Beide packen ihre eigenen Erfahrungen und Positionen in die Interpretation der Kommunikation und das geht immer wieder mehr oder weniger stark schief.

Eine mögliche Lösung für die betroffenen Parteien wäre, sich jeweils in die Lage des Gegenübers zu versetzen und dessen Sichtweise zu durchdenken. Dem Unternehmer sollte darüber hinaus bewusst sein, dass er mit dem Erreichen des zu auditierenden Zertifikats gleichzeitig auch die Bereitschaft zum Audit öffentlich gemacht hat. Letztlich ist jedes Zertifikat und das damit verbundene Managementsystem nur dann sinnvoll im Unternehmen einzusetzen, wenn die entsprechende Kultur auch im Unternehmen gelebt wird.

Herausforderung ­Mitarbeiterführung in Zeiten von Lieferengpässen

Für viele Unternehmen gehört es inzwischen zum täglichen Erscheinungsbild: Die Zahl der zu lösenden Herausforderungen steigt stetig. Lieferprobleme, Systemwandel, Termindruck - und dann kommt nicht zuletzt aufgrund der Corona-Pandemie und dem fehlenden Nachwuchs der Fachkräftemangel dazu. Manuela Schmied-Wolfsbauer, think.doll Mana­gementcoaching, bietet in dieser Situation Unterstützung an, um sowohl die Motivation des Führungspersonals als auch der Mitarbeitenden im Unternehmen beizubehalten beziehungsweise zu steigern und so die Effizienz eines Unternehmens in der aktuellen Situation so hoch wie möglich zu halten.

Herausforderungen an ­Zulieferer durch strukturelle ­Veränderungen im Automobilbau

Die mittelständischen Zulieferer in der Auto­mobilindustrie sehen sich aufgrund der Entwicklung hin zur Elektromobilität, der Digitalisierung oder den CO2-Vorgaben aus dem EU-Klimaprogramm vor hohe Herausforderungen und erhöhten Transformationsdruck gestellt. Dabei sind die finanziellen Spielräume stark eingeschränkt, denn die Covid-19-Pandemie hat tiefe Spuren in der gesamten Autoindustrie hinterlassen. Erst 2023 rechnet der Mittelstand wieder mit dem Erreichen des Vorkrisenniveaus, sieht die Veränderun­gen der automobilen Wertschöpfungsstruktur aber gleichzeitig als existenzbedrohend an. Hans Remsing, Deutsche Bank AG, befasst sich mit den Möglichkeiten, wie sich mittelständische Zulieferer künftig positionieren und die bestehenden Herausforderungen erfolgreich meistern können.

Zu den aktuellen Herausforderungen für Auto­mobilzulieferer rechnet der Vortragende vor allem das Kapitalmanagement, die Deckung der Kostensteigerung unter Einbeziehung der Kunden, die Stabilität in der Beschaffung oder das Energiemanagement. Um diese Herausforderungen zu meistern, ist es nach Ansicht von Remsing notwendig, das Projektmanagement zu stärken, eine hohe Kostentransparenz und eine gute strategische Positionierung zu gewährleisten, die Vorteile des Standorts zu nutzen und sich intensiv mit der Marktentwicklung (Roadmap) zu befassen.

Cybercrime – Fiktion oder Wirklichkeit?

Unternehmen sind seit geraumer Zeit verstärkt Opfer gezielter oder auch ungezielter Angriffe aus dem Internet. Ziel ist, das angegriffene Unternehmen zu erpressen oder anderweitig zu schädigen. Die steigende Zahl an Homeoffice-Arbeitsplätzen, die ein weiteres, hohes Potenzial für Cyberkriminalität bieten, verstärkt das Problem. Wie sich Unternehmen gegen diese Gefahren schützen können, war das Thema des gemeinsamen Vortrags von Stev Gödecke, Bosch CyberCompare und Graf Alexander Bernadotte af Wisbor, BüchnerBarella.

Untersuchungen über alle Arten von Unternehmen hinweg zeigen, dass ­beispielsweise die Cybersicherheit im Bereich Automobil/Zulieferer oder Transport/Logistik bereits sehr hoch ist, wogegen kleine Unternehmen noch erheblichen Nachholbedarf aufweisen. Besonders hoch sind die Risiken unter anderem bei den Rollen/Rechteverwaltung oder dem Schwachstellenmanagement. Gute Ergeb­nisse im Hinblick auf mehr Sicherheit gegen Cyber-Risiken werden durch Backup-Konzepte oder die Umsetzung von Softwareupdates und Security-Patches erzielt. Schließlich zeigt es sich, dass vor allem in Bezug auf das Risikoempfinden bei den Mitarbeitenden und der Reaktionsfähigkeit im Falle von potenziellen Angriffen noch erheblicher Nachholbedarf besteht.

Im Hinblick auf auftretende Schäden schlagen nach einer Analyse der Versicherung vor allem Kosten durch Betriebsunterbrechun­gen aufgrund von Systemabschaltungen oder Vertragsstrafen aufgrund verspäteter Auslieferungen zu Buche. Als Schutz gegen Schäden lassen sich mit entsprechenden IT-Feuerversicherungen die Datenverschlüsselung sowie die Betriebsunterbrechung abdecken. Die Schädigung von Dritten wird von der ­Betriebshaftpflicht abgedeckt.

Die CE-Erklärung

Das Vorliegen einer rechtskonformen CE-Zertifizierung und Produktsicherheit von ­Anlagen wird sowohl von Berufsgenossenschaften als auch von Marktaufsichtsbehörden und vergleichbaren Stellen mit der vorgeschriebenen Dokumentation eingefordert, wie Jürgen Polath, Polath & Partner, in seinen Ausführungen betonte. Anlagenbetreiber erhalten beim Kauf einer neuen Anlage eine gültige CE-Erklärung mit den rechtlich notwendigen Unterlagen, womit sie erst einmal die Erfüllung ihrer Pflichten nachweisen.

Allerdings ist zu beachten, dass eine Änderung oder Erweiterung bei Anlagen und Geräten eine Änderung der CE-Erklärung oder die Ungültigkeit einer bestehenden ­Erklärung nach sich ziehen kann. Hier ist eine Prüfung durchzuführen, wie sie zum Beispiel im Interpretationspapier Wesentliche Veränderung von Maschinen, das von einer Arbeitsgruppe unter Federführung des Bundesministeriums für Arbeit und Soziales (BMAS) erarbeitet worden ist, aufgezeigt wird. Diese besagt, dass eine wesentlich veränderte Maschine wie eine neue Maschine behandelt wird. In diesem Fall sind unter anderem die verschiedenen Risiken beim Betrieb zu klären, die Maßnahmen zur Risikominderung zu definieren und zu beschreiben oder neue Betriebsanleitungen zu erstellen.

Digitalisierte Organisation

Nach Ansicht von Caroline Genschmer von der Macio GmbH ist Digitalisierung für Unternehmen unabdingbar, um das Fortbestehen am Markt zu sichern. Allerdings ist ihre dringende Empfehlung, blinden Aktionismus zu vermeiden, da dieser in der Regel keinen Erfolg bringt. Wer sein Unternehmen nachhaltig und zu seinem Vorteil digitalisieren möchte, braucht hierfür eine Strategie. Verlockend ist ihrer Erfahrung nach der Blick zu Partnern und Wettbewerbern. Doch was beim Zulieferer oder Kunden funktioniert, muss im eigenen Unternehmen nicht unbedingt das gewünschte Ergebnis bringen.

Grundsätzlich kennt jedes Unternehmen die eigenen Strukturen und Ziele am besten. Allerdings sind häufig Prozesslücken nicht sofort zu erkennen, so dass das Hinterfragen der eigenen Prozesse hilfreich ist. Die unbefangene Sichtweise von externen Fachleuten kann hierbei sinnvoll sein. Um die richtigen Ansätze für eine Digitalisierungsstrategie zu erkennen, wird der Status Quo in verschiedenen Bereichen des Unternehmens ermittelt und die bestehenden Prozesse werden aufgenommen. Mit diesem Wissen kann dann evaluiert werden, welche Probleme am dringendsten zu beheben sind, oder wohin sich das Unternehmen in einzelnen Themen entwickeln soll. Die Beschreibung des Soll-Zustands zeigt die bestehenden Handlungsfelder auf. Abhängig von den Prioritäten und dem Zeit- und Budgetrahmen kann dann eine Digitalisierungsstrategie erarbeitet werden.

Stilllegung eines ­Störfallbetriebs mit erweiterten Pflichten

Im Rahmen der Stadtquartierentwicklung Siemensstadt in Berlin wird ein Smart Campus der Zukunft angestrebt, ein offenes und nachhaltiges Konzept für Wohnen, Arbeiten und Leben auf einem historisch geprägten Industrieareal. Seit 1897 produziert auf diesem weitreichenden Gelände die Siemens AG mit einer hohen Fertigungsvielfalt und der entsprechenden Fertigungstiefe. Dazu gehörte auch eine Galvanik, ein ­genehmigter Störfallbetrieb mit erweiterten Pflichten. Die Siemens AG hat im Sinne einer nachhaltigen Zukunft beschlossen, den weiteren Betrieb der 70 Jahre alten Lohngalvanik einzustellen. Dr. Nina Dambrowsky, Siemens AG, erläuterte, wie diese Schließung abgewickelt wird.

Zunächst musste ein Carve-Out diverser Beschichtungstechnologien von über 3000 Artikeln erfolgen sowie ein Technologietransfer von hausinternen Entwicklungen. In diesem Zusammenhang erfüllt die Siemens AG natürlich auch die gesetzlichen Verpflichtungen des Bundes-Immissionschutzgesetztes (BImSchG): Nach einer Betriebseinstellung dürfen von den diversen Anlagen, aber auch vom Anlagengrundstück keine schädlichen Umwelteinwirkungen ausgehen. Die damit erreichte Wiederherstellung eines schadfreien Ausgangszustands ist Voraussetzung, um eine Umnutzung des Geländes im Interesse des Stadtquartiers sicherzustellen. Die Vortragende erläuterte, wie der Rückbau beziehungsweise die Schadstoffsanierung im kontaminierten Bereich erfolgte.

Produktionsverlust durch Brandschaden

Dieter Lenzenhuber von MacDermid Enthone Industrial Solutions befasst sich seit vielen Jahren als erfahrener Fachmann mit dem Brandschutz in der Galvanotechnik. Den Angaben der Versicherungswirtschaft zur Folge ereignen sich in galvanotechnischen Produktionsanlagen jährlich bis zu 80 Brände. Davon sind etwa zehn bis zwölf Großschäden zu verzeichnen, bei denen ein Gesamtschaden von mehr als 500 000 Euro entsteht. Der vor vier Jahren vom Verband deutscher Sachversicherer (VdS) unter dem Titel Galvanotechnische Betriebe veröffentlichte Sicherheitsleitfaden 3412 gibt eine Zusammenfassung über das Gefährdungspotenzial und unterstützt den Anwender im Alltag mit übersichtlichen Listen zur Eigenüberprüfung in jedem Unternehmen.

Löschkartusche von E-Bulb, die mit einer nicht leitfähigen Löschflüssigkeit arbeitet (Bild: D. Lenzenhuber)

 

Die Risiken beruhen Lenzenhuber zufolge vor allem auf einer kritischen Umgebungssituation der Galvanikbetriebe sowie auf einer besonderen Gemengelage in Verbindung mit dem Faktor Mensch. Zur Vermeidung von Brandschäden kommen seit einiger Zeit zum Beispiel Systeme auf Basis von olfaktorischer Detektion zum Einsatz. Zudem werden Geräte und Schaltschränke, die zu den häufigen Quellen von Bränden zählen, mit Stromtrenn- und Löschtechniken ausgestattet. ­Sensoren oder der Einsatz von Wärmetauschern runden die Möglichkeit zur Vermeidung von Brandquellen ab.

Um den Faktor Mensch mit einzubeziehen sind nach Ansicht von Lenzenhuber gut ausgearbeitete Handlungsanweisungen zum Beispiel mit Notfall-Reaktionskarten sinnvoll. Eine Standardhandlungsanweisung (Standard Operating Procedure) hilft zum Beispiel, bei plötzlich eintretenden Brand- oder Havariegeschehen die wichtigsten Handlungsschritte einzuleiten und in der Aufregung nichts Wesentliches zu vergessen. Schließlich steht seit kurzer Zeit mit der systemtheoretischen Prozessanalyse (STPA) ein neues und effizientes Werkzeug zur Verfügung, das auf einem erweiterten Modell der Unfallverursachung basiert. Hier können auch Fälle durchgespielt werden, die bisher noch nicht in den betroffenen Betrieben aufgetreten sind.

Brandschutzmaßnahmen

Florian Nowack, BüchnerBarella, gab einen Einblick in die Branschutzmaßnahmen zur Feuer- und Feuerbetriebsunterbrechungsversicherung für Betriebe der Oberflächentechnik. Wie er ausführte, haben aktuelle Feuergroßschäden den Druck auf den Sachversicherungsmarkt immens gesteigert. Die Versicherer reagieren mit einem restriktiven Zeichnungskurs und Maßnahmen im Brandschutz sowie durch Verknappung der Kapazitäten, Preiserhöhungen und der Nicht-Zeichnung einzelner Risiken.

Insbesondere die Anforderungen an den Brandschutz verschärfen sich zusehends. Ein adäquater Brandschutz kann die Versicherbarkeit langfristig sichern. Daraus leiten sich die Marktanforderungen für Betriebe der Oberflächentechnik ab, die der Vortragende vorstellte.

Anlagen- und Steuerungstechnik

KI-Technologie in der ­Galvanotechnik: von der Theorie in die Praxis

Wie Andreas Scholz, Aucos AG, eingangs seines Vortrags bemerkte, tauchte die Techno­logie der künstlichen Intelligenz (KI) ­bereits 1950 durch Alan Turing auf, findet aber erst seit wenigen Jahren Einzug in die Praxis. Auch für die Oberflächentechnologie sieht der Vortragende praktische Vorteile, zunächst, wie in vielen anderen Bereichen, bei der Steuerungstechnik.

Der Schwerpunkt liegt auf der Erkennung von Beschichtungsfehlern noch bevor die Ware in die Anlage eingefahren ist und dem dynamischen Errechnen von Transportbewegungen nahezu in Echtzeit. Wichtige Elemente sind hier die Multi-Agenten-Systeme und neuronale Netze, durch die das Arbeiten im Bereich der Oberflächenbeschichtung nach den Vorstellungen des Vortragenden nachhaltig verbessert werden soll.

Galvanik 4.0 in der Umsetzung

Sebastian Breuckmann, Ditec, zeigte in seinen Ausführungen, wie sich der Gedanke Industrie 4.0 in Bezug auf die Galvanik konkretisieren lässt. Aktuelle Umsetzungen zeigen beispielsweise Fortschritte im Wartungsmanagement und bei der vorhersagbaren Wartung (predictive maintenance), indem in der Praxis eine Steigerung der Verfügbarkeit bei gleichzeitig reduziertem Wartungsaufwand und damit im Endeffekt eine Erhöhung der Produktionsleistung zu erkennen ist.

Darüber hinaus liegt das Elektrolytmanagement im Fokus der Entwicklungen, wobei dieses hochkomplexe System mit vielfältigen Herausforderungen, aber auch Chancen aufwartet. Wichtig ist aber nach den Erfahrungen des Vortragenden der sinnvolle Einsatz von künstlicher Intelligenz mit dem Ziel, die Wettbewerbsfähigkeit des Produktions­standorts Deutschland zu erhöhen.

Verschleißschutz

Verschleißmodellierung

Dr. Andreas Ban, VDEh-Betriebsforschungsinstitut, stellte den Entwicklungsstand ­einer Methodik zur Bewer­tung von Verschleißschutzschichten für Umformwerkzeuge am Beispiel des Kaltwalzens von Stahlband mit chrom- und chemisch Nickel-­beschichteten Walzen vor. Neben Experimenten wandte Ban numerische Methoden an, um den Verschleiß von Walzenbeschichtungen durch Schicht­ablösung zu modellieren. Ausgangspunkt für die Durchführung der Arbeiten war es, die Kosten bei der Herstellung von Bauteilen aus Leichtmetallen für Fahrzeuge zu reduzieren. Abhilfe soll unter anderem eine bessere Methode zur Bewertung des Verschleißes von Schichten auf Werkzeugen zum Kaltwalzen und Umformen schaffen.

Bei den Proben zur Validierung des Modells waren nach 500 000 Belastungen lediglich Risse in den Schichten festzustellen; links 20 µm Chrom und rechts 20 µm Nickel-Phosphor (Bild: A. Ban)

 

Für die Untersuchungen wurden Chromschichten und Nickelschichten in Dicken von 20 µm beziehungsweise 50 µm (nur bei den Chromschichten) hergestellt. Ein wichtiges Kriterium bei einer derartigen Betrachtung ist die Schichthaftung. Dazu wurde unter anderem ein neuer Test zur Abscherung einer Beschichtung entwickelt, da der üblicherweise eingesetzte Abzugstest (Ollard-Test) fehlerhafte Messwerte liefert. Zur Ermittlung der Abscherkraft wurden aus Nickel rechteckige Teststrukturen durch Anwendung der Fototechnik hergestellt und diese unter Einsatz eines Nanoindenters abgeschert. Darüber hinaus wurden die hergestellten Strukturen zyklischen Belastungen unterzogen, wie sie auch beim Walzen auftreten. Bei einer Struktur mit 30 µm x 30 µm traten etwa 350 MPa an Scherkraft auf, unabhängig von der lateralen Belastung. Die Untersuchungen zeigen, dass durch die senkrechte Belastung der Teststrukturen deren Haftung stetig abnimmt, wobei bis zu etwa 170 000 Zyklen durchgeführt wurden. Allerdings traten bei den Versuchen keine Ablösungen auf.

Für die Simulation wurde ein Messmodell zugrunde gelegt, das durch akzeptabel kurze Rechenzeiten charakterisiert ist. Für das Modell wurde ab einem Wert von 120 MPa Belastung eine Schadensbildung ­angenommen. Das Modell berechnete bei einer Beschichtung mit Nickel-Phosphor, dass nach 28 000 Belastungen lokale Schädigungen auftreten und ab etwa 160 000 Belastungen eine Schichtablösung beginnt. Die Ergebnisse wurden in einem Versuchsstand validiert. Im Test trat weder bei Chromschichten noch bei Nickelschichten eine Delamination auf, lediglich Rissbildung in geringem Umfang war zu erkennen. Während bei Chromschichten damit die Simulation korrekte Ergebnisse liefert, war dies bei Nickelschichten nicht gelungen. In weiteren Arbeiten wird untersucht, worauf die Unterschiede zurückzuführen sind.

Laserauftragschweißen von Mehrstofflegierungen

Gerd Töberling, Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, befasst sich mit dem Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißen von Mehrstofflegierungen sowie deren Anwendung. Die Schichten finden aktuell vor allem im Maschinenbau Verwendung, insbesondere zur Verminderung des Bauteilverschleißes.

Härteverlauf einer einlagigen Beschichtung aus martensitischem Stahl(2,6 % C, 5,0 % Cr, 6,0 % V, 1 % Si) (Bild: G. Töberling)

 

Beim konventionellen Laserauftragschweißen wird auf der Oberfläche vorhandenes Pulver aufgeschmolzen. Beim Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißen wird das Pulver dagegen durch eine Düse in den Laser eingesprüht und kann daher bereits vor dem Auftreffen bis auf Schmelztemperatur aufgeheizt werden. Damit wird der Prozess schneller und die Substratoberfläche erfährt nur eine geringe thermische Belastung. Des Weiteren lassen sich mit dem Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißen deutlich dünnere Schichten herstellen.

Die Art der auftragbaren Legierungen entspricht dem des konventionellen Laserauftragschweißens. Lediglich die Pulvergrößen sind beim Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißen kleiner. Neu ist die Abscheidung von martensitischen Hartstoffschichten mit hohen Abscheidegeschwindigkeiten, ohne dass Vermischungen zwischen Substrat und Schicht auftreten und nur ein geringer Wärmeeintrag in das Substrat stattfindet. Ebenfalls neu ist die Beschichtung mit Hochentropielegierungen. Diese ermöglichen eine Steigerung der Verschleißbeständigkeit. Den Auftragsmetallen sind nichtmetallische Elemente wie Bor, Silizium oder Kohlenstoff beigemischt, wodurch intermediäre Phasen entstehen.

Gleitverschleiß einer Hochentropielegierung (Bild: G. Töberling)

 

Da die Legierungen sehr teuer sind, bietet das lokale Auftragen auf ein Substrat Vorteile. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Schichten keinen Abbrand zeigen. Die guten Eigenschaften wurden in durchgeführten Verschleiß- und Ritztests belegt.

Schichtbildung bei der ­anodischen Oxidation

Im letzten Beitrag der Reihe gab Dr. Roy Morgenstern von der TU Chemnitz einen Einblick in seine Arbeiten über die Strategie zur Lokalisierung der Schichtbildung bei der anodischen Oxidation mittels ­Elektrolytfreistrahl. Eine lokale Anodisation ist zum Beispiel im Falle des Verschleißschutzes bei hochbeanspruchten Bereichen sinnvoll, zum Beispiel bei Zahnrädern oder Zylindern. Ähnliche Anforderungen, allerdings in Form von galvani­scher Abscheidung, sind beispielsweise bei elektrischen Kontakten zu finden. Oftmals werden zu diesem Zweck Abklebetechniken eingesetzt. Eine weitere Methode ist die Verwendung von Aufsatzzellen oder Tampons, bei denen mittels Kapillaren oder drehenden Fließen die Anodisationsfläche eingeschränkt wird.

Neu ist die Verwendung von Anlagen zum Einsatz der Elektrolyfreistrahltechnologie. Hierbei wird der Strahl aus einer Düse mit einem Arbeitsabstand von etwa 2,5 mm vor der zu beschichtenden Oberfläche angebracht. Die erzeugten Schichtdicken liegen vorteilhafterweise im Bereich von 1 µm. Geringe Variatio­nen bei den Schichtdicken lassen sich über den Arbeitsabstand der Düse vor der Oberfläche erzielen. Die Anodisationsschicht zeigt eine geringe Hügelbildung mit der ­größten Höhe in der Mitte des Oxidpunkts. Die Schicht selbst weist die übliche poröse Struktur auf.

In neueren Arbeiten werden eine gepulste Spannung und eine Drahtelektrode eingesetzt. Die hierbei erzeugte Schicht weist eine sehr gleichmäßige Dicke über einen kreisförmigen Punkt auf, wobei die Schichtdicken mit bis zu 2,5 µm deutlich höher ausfallen. Ein weiterer neuer Ansatz ist die Verwendung einer Koaxialdüse, bei der in der Mitte der Elektrolyt und ringförmig darum herum Wasser aufgesprüht wird. Damit kann die Korrosion des umgebenden Aluminiumbasismaterials reduziert und die Art der Oxidschicht verändert werden. In einem nächsten Schritt soll noch mit unterschiedlichen Elektrolyten gearbeitet werden; bisher wurde stets Oxalsäure eingesetzt. Schließlich wird geprüft, ob ein linienartiges, flächiges Anodisieren möglich ist.

Neue Anforderungen an die ­Galvano- und Oberflächentechnik

Auditerfahrungen

CQI ist nicht nur ein Titel der AIAG (AIAG – Automotive Industry Action Group) sondern auch Programm und steht für Continuous Quality Improvement, also für die kontinuierliche Qualitätsverbesserung, wie Andreas Redaoui, TopQM-Systems AG, betonte. Die beiden Standards CQI-11 und CQI-12 wurden von Praktikern entwickelt und sind mit jeweils der Version 3 nochmals deutlich konkreter und praxisnäher gestaltet worden. Sie stellen Best-Practice im Hinblick auf die spezifischen Qualitätsanforderungen für die unterschiedlichen Verfahren der ­Oberflächenbeschichtung bei der Produktion von Fahrzeugbauteilen dar.

Die Standards im Bereich Oberflächentechnik wurden erarbeitet, um die angebotenen Qualitäten der zahlreichen Dienstleister im Bereich der Oberflächenbeschichtung sowie die stetig steigenden Kundenanforderun­gen in einen Rahmen zu fassen und ­vergleichbar zu machen. Enthalten sind unter ­anderem Prozesstabellen für die verschiedenen Oberflächenausführungen wie etwa galvanische Zinkbeschichtung, mechanisches ­Plattieren, galvanische Schichten auf Kunststoffen, Hartchromschichten, chemisch abgeschiedene Nickelschichten, Verfahren zur Vermeidung von Wasserstoffversprödung, Reinigung, mechanische Vorbehandlung oder auch Lackierungen. Die Inhalte bezüglich der Grunddaten haben sich mit den verschiedenen Erweiterungsstufen nicht verändert, während die Fragetechnik vereinfacht wurde. Insgesamt ist aber der Zusatzaufwand bei den Einzelanforderungen nach Aussage des Vortragenden relativ hoch und durch Prozesstabellen umfangreicher geworden.

Anodentechnik für ­dreiwertige Chromelektrolyte

Dr. Gunther Wiehl, SurTec Deutschland GmbH, gab einen Einblick in die Rolle der Anodentechnik für den stabilen Betrieb von dreiwertigen Chromelektrolyten in der industriellen Fertigung, wie er ihn in Zusammenarbeit mit Dr. Schneider, Metakem GmbH, ermittelt hat. Für die Industrialisierung dieser Verfahren und das Erreichen hoher Prozessstabilitäten ist die direkte Verzahnung zwischen Misch­oxid-Anodentechnik und Elektrolyteigenschaften von hoher Bedeutung. Auch wenn moderne Elektrolyte eine gewisse Menge an sechswertigem Chrom puffern können, müssen die Anoden die Entstehung von sechswertigen Chromionen so gut wie möglich verhindern.

Klassifizierung der Anodenbeschichtung mittels logarithmischer Skala (Bild: Wiehl/Schneider)

 

Zur Prüfung der Eignung von Anoden ­wurde ein Testelektrolyt entwickelt, der eine hohe Sensibilität für Chrom(VI)ionen besitzt und unter gleichen Prüfbedingungen wiederhol­bare Mengen an Chrom(VI) erzeugt. Für dieses System wurde ein Verfahren der Klassifizierung entwickelt, bei dem eine logarithmische Darstellung der Ergebnisse gewählt wurde. Das System eignet sich für den Einsatz in Hull-Zellen, so dass auch die Abscheidungen nach klassischer Verfahrenstechnik bezüglich Streufähigkeit oder Glanz geprüft werden können. Bei einem Vergleich verschiedener Anodentypen schnitt elektrolytoffenes Titan sehr gut ab. Daraus lässt sich unter anderem folgern, dass – je nach Elektrolyt – in industriellen Anwendungen offene Schnittkanten an Anoden unkritisch sind.

Eine Neuentwicklung der Metakem erlaubt eine deutliche Reduzierung des Iridiumgehalts sowie bei fortgeschrittenem Verschleiß der Anodenoberfläche eine Regenerierung der Anoden. Dies trägt zur Minderung der Kosten für die Aufrechterhaltung eines optimalen Prozesses bei.

Performance von E-Fahrzeugen

Die Performance von E-Fahrzeugen hat sich in den vergangenen fünf Jahren schnell weiterentwickelt. In dieser Zeit konnten jedoch die potenziellen Fahrzeugkäufer noch nicht ausreichend überzeugt werden, insbesondere durch die noch begrenzte Reichweite der Fahrzeuge, die benötigte Zeit zum Aufladen der Batterien, die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit. Autohersteller versuchen den Erfahrungen von Rainer Venz, ESI Automotive/Coventya International GmbH, zufolge, Fahrzeugsysteme in Bezug auf Kosten, Performance und Unterscheidung zum Wettbewerber zu optimieren. Werkstoffe, die in Fahrzeugbatterien, Wechselrichtern, Motoren sowie in Fahrerassistenzsystemen eingesetzt werden, haben signifikanten und messbaren Einfluss auf die Fahrzeugleistung.

Die optimierte Auswahl von Werkstoffen für Oberflächen- und Fügetechnik in Kombination mit Qualitätssystemen hilft, die Anforderungen an die verwendeten, vornehmlich elektronischen, Komponenten zu verbessern und die gestellten Anforderungen zu übertreffen. Dadurch wird das Risiko von Fahrzeugausfällen und damit verbundene Rückrufaktionen deutlich verringert. Rainer Venz zeigte am Beispiel von Komponenten für Fahrerassistenzsystemen, wie die Materialauswahl für Werkstoffe in der Oberflächen- und Fügetechnik sowie deren Zusammenspiel die Zuverlässigkeit von elektrischen und elektronischen Bauteilen und Baugruppen optimieren kann.

Innovatives ­Gestellisolierungsystem für die Kunststoffgalvanisierung

Salvatore Bongiorno von der Galvatore Plating & Equipment, stellte in seinem Vortrag ein neues System einer Gestellisolierung vor, das eine Absorptionsbarriere als Sperrschicht zur Vermeidung von chemischen Reaktionen bietet. Dadurch werden eine Gestellmetallisierung und die unerwünschte Oxidation von Manganionen zu Braunstein minimiert. Anwender erzielen ein stabileres chrom(VI)freies Beizsystem und können eine konstante Prozessführung sicherstellen.

SAQ 4.0 Automotive-Nachhaltigkeits-Leitlinie

Das Thema Nachhaltigkeit erhält einen immer größeren Stellenwert in der Gesellschaft – und wird auch für Kleinunternehmen ebenso bedeutsam wie für Konzerne, wie Andreas Redaoui, TopQM-Systems AG, betonte. Um in diesem Bereich die richtigen Aktivitäten in Gang zu setzten, sind unter anderem Fragen im Vorfeld dahingehend zu klären, welche Methoden und Anforderungen am wichtigsten für das Unternehmen sind oder wie ein Nachhaltigkeitskonzept im Unternehmen umgesetzt werden kann.

Die SAQ 4.0-Leitlinie des Herausgebers ­Drive Sustainability wird bereits von vielen ­Kunden gefordert (SAQ – Self-Assessment Questionnaire). Drive Sustainability ist eine Partnerschaft von elf führenden Automobil­unternehmen, die den Wandel hin zu einer kreislauforientierten und nachhaltigen Wertschöpfungskette in der Automobilindustrie vorantreiben wollen.Ziel ist es, die Nachhaltigkeit in der gesamten automobilen Lieferkette zu verbessern. SAQ 4.0 ist eine Selbstbewertung zur Nachhaltigkeit in einer von OEMs gemeinsam entwickelten Internetplattform für alle weltweiten Zulieferer. Von den Zulieferern wird erwartet, dass sie diese Leitlinien der Automobilindustrie zur Verbesserung der Nachhaltigkeit einhalten und bestätigen. Auch immer mehr Non-Automotive-Kunden nehmen an SAQ 4.0 teil.

Der Selbstbewertungsfragebogen ist in sieben Hauptkapitel aufgeteilt, die sich auf die Themen Geschäftsführung, Arbeitsbedingungen und Menschenrechte, Gesundheit und Arbeitssicherheit, Unternehmensethik, Umwelt, Lieferantenmanagement und Verantwortungsbewusste Beschaffung von Rohstoffen beziehen. Die Ergebnisse ergeben für das jeweilige Unternehmen ein ganzheitliches Bild in Bezug auf dessen Nachhaltigkeitsleistung.

Klimaschonende Trocknung

Herkömmliche Heißlufttrockner bringen nach den Erfahrungen von Reinhold Specht, Harter GmbH, oft nicht den gewünschten Erfolg. Die Trocknung ist deshalb vielerorts das Nadelöhr in der Fertigung. Darüber hinaus verbrauchen Trockner je nach Bauart viel Energie. Ein alternatives Trocknungsverfahren, das vom Staat als förderfähige ­Technologie eingestuft wurde, ist die Kondensationstrocknung auf Wärmepumpenbasis. Diese Art der Trocknung basiert auf dem Verfahren der Kondensation und hebt sich dadurch von herkömmlichen Verfahren ab. Durch die Entfeuchtung mit extrem trockener Luft im energetisch geschlossenen System werden Produkte schnell, sicher und energiesparend getrocknet.

Trocknung von Schlämmen, wie sie in der Galvanotechnik anfallen(Bild: R. Specht)

 

Die Trocknung findet in einem variablen Temperaturbereich von 20 °C bis 90 °C, je nach Bauteil und Prozess, statt. Das Verfahren ist flexibel einsetzbar – für Batchbetrieb oder kontinuierliche Anwendungen. Neben Chargentrocknern wie Gestelltrocknern ist auch die Trocknung von Schüttgütern direkt im Behältnis möglich. Darüber hinaus eignet es sich zur Trocknung von industriellen Schlämmen aus der Abwasserreinigung.

Ressourceneffizienz durch ­Wertstoffrückgewinnung

Rainer Klein, Spiraltec GmbH, befasst sich seit vielen Jahren mit der ressourceneffizienten Wertstoffrückgewinnung durch den Einsatz kombinierter Verfahren aus sauren oder alkalischen Prozesslösungen. Er stellte die Funktionsweise der praxiserprobten Diffusionsdialyse zum Recycling von Wertstoffen als Stand-alone-Technologie in sauberen, sauren oder alkalischen Prozessabwässern dar. Das Verfahren bietet sich auch als effiziente Komponente eines Wertstoff-Recyclingsystems mit anderen Verfahren an, insbesondere für Ultra- oder Nanofiltration zur Wertstoffrückgewinnung aus organisch belasteten ­sauren oder alkalischen Prozessabwässern, auch mit geringen Wertstoffgehalten. Die physika­lische Technologie der Diffusionsdialyse ist platz- und energiesparend.

Prozessüberwachung

Kontinuierliche Prozessanalyse von Zink-Nickel-Elektrolyten

Daniel Schlak, Deutsche Metrohm Prozess­analytik, und Dr. Thomas Moritz, Hillebrand Chemicals, stellten ein System zur kontinuierlichen Analyse organischer Additive in Echtzeit mittels Raman-Prozess-Spektroskopie zum Einsatz in der Galvanotechnik vor. Die Raman-Prozess-Spektroskopie ermöglicht es, organische Parameter im Minutentakt und direkt inline zu analysieren.

Einfache Prozessintegration der Ramanspektroskopie für galvanische Elektrolyte (Bild: D. Schlak)

 

Daniel Schlak ging im ersten Teil des Vortrags auf die Grundlagen des Spektroskopieverfahrens ein. Die wesentlichen Vorteile der Ramanspektroskopie sind die einfache Implementierung in den Prozess sowie die Möglichkeit, in stark wässrigen Medien ohne weitere Probenvorbereitung und sehr selektiv zu analysieren. Mit dem ­Messverfahren lassen sich Festkörper, Flüssigkeiten und Gas schnell und zerstörungsfrei erfassen, ohne dass eine Probenvorbereitung notwendig ist. Der Prozessanalysator besteht aus einer Durchflusszelle, Lichtleiter sowie Spektro­meter in einer geschützten Einhausung mit Auswerteeinheit. In Kombination mit einem Multiplexer können kosteneffizient mehrere Messstellen mit einem System überwacht werden, einschließlich der Einrichtung eines Referenzsystems.

Die Umsetzung der Technologie bei der Hillebrand Chemicals erläuterte Dr. Thomas Moritz anhand eines Praxisbeispiels zur Überwachung von Zink-Nickel-Elektrolyten. Die Prozessintegration ist relativ einfach durchführbar, ebenso wie die Erstellung und Pflege der Messmethoden. Bei Hillebrand Chemicals wurde das spektroskopische System mittels externer Standards verifiziert und wird inzwischen für die automatische QM-Prüfung herangezogen.

Ramanspektroskopie und die bisher genutzte Ionenchromatographie liefern tendenziell die selben Ergebnisse bei der Analyse eines Bestandteils eines Zink-Nickel-Elektrolyten (Bild: Th. Moritz)

 

Mini-Sensoren zur ­Schichtdickenmessung

Schichtdickenmessungen im industriellen Umfeld werden vorteilhafterweise mit hoher Geschwindigkeit und Genauigkeit bei höchster Stabilität durchgeführt. Idealerweise können die Prüfsysteme zudem berührungslos, zerstörungsfrei und in Bewegung messen. Jörg Mülleneisen, OptiSense GmbH, stellte dazu ein entsprechendes neuartiges Sensorkonzept vor.

Der Fokus liegt auf einem RAIS-Sensorsystem (RAIS – Redundant Array of Independent Sensors), bei dem eine große Anzahl von miniaturisierten Sensoren im Verbund arbei­tet. Der Ausfall von einzelnen Sensoren bleibt ohne Auswirkung. Der Schwarm-Sensorverbund sorgt zudem dafür, dass Daten nicht verloren gehen und die Messstation permanent verfügbar bleibt. Als Messverfahren kommt zum Beispiel das photothermische Prinzip zur Anwendung.

Multisensorsystem unter Einsatz von optischen Sensoren (Bild: J. Mülleneisen)

 

Die Sensoren werden durch Datenverar­beitungskomponenten kombiniert und so Kalibrierungsvorgänge minimiert. Durch den Einsatz der Robotertechnik lassen sich die Messgenauigkeit und vor allem die Wiederholgenauigkeit deutlich erhöhen, wie an Beispielen aus der Praxis des Lackierens von Fahrzeugen gezeigt werden kann.

Pulse-Plating: grüne Alternative zu hoch additivierten Elektrolyten?

Mit Pulse-Plating lassen sich in einem Beschichtungsprozess Eigenschaften, wie Streufähigkeit, Feinkornhärtung oder die Variation von Legierungszusammensetzungen durch Variation der Stromdichte beliebig schnell einstellen oder ändern. Nach Ansicht von Dr. Ingolf Scharf, ProtectCoat Oberflächentechnologie UG, könnte dies erlauben, auf Chemikalien zu verzichten, die diese Eigenschaften gewöhnlich gewährleisten, und somit den Beschichtungsprozess deutlich umweltfreundlicher zu betreiben. Die technische Anwendbarkeit wird jedoch durch die äußerst große Anzahl von elektrischen Parametern und verschiedenen Elektrolyttypen und Zusammensetzungen eingeschränkt.

Zudem existiert keine Modellvorstellung, die eine Übertragbarkeit in den industriellen Maßstab gestattet. Der Vortragende befasst sich mit den Lösungsmöglichkeiten, um Pulsparameter sowie Grenzstromdichten aus Elektrolytzusammensetzungen vorherzusagen. Daraus lassen sich dann Aussagen zur industriellen Skalierbarkeit treffen.

Mit Produktionsdaten zur ­Prozessoptimierung

Um effizienter arbeiten zu können und ihre Produktion zu optimieren, befassen sich Lohnveredler nach den Erfahrungen von Michael Hellmuth, Softec AG, mit unterschiedlichen Fragen. Diese richten sich beispielsweise auf die Flexibilität der Produktion, eine bessere Einhaltung von Fertigstellungsterminen oder auf die Ermittlung von Fertigstellungsdaten, um nur einige wenige zu nennen.

Um Antworten auf diese Fragen zu finden, ist es nach Ansicht des Vortragenden essen­ziell, relevante Daten zu sammeln und so aufzubereiten, dass daraus verständliche Informationen werden. Einer der Knotenpunkte bei der Datenverarbeitung im Unternehmen kann ein ERP-System sein. Während Daten zur Auftragsabwicklung zum Standard gehören, spielen Daten direkt aus der Produktion bisher meist nur eine sekundäre Rolle. Diese Daten stellen jedoch einen Schlüssel bei der Beantwortung von Fragen zur Optimierung oder Planbarkeit des Fertigungsablaufs dar.

Je nach Art und Aufbau eines Fertigungs­betriebs bieten sich verschiedene Lösungswege an, um ein bestehendes ERP-System besser mit der Produktion zu verzahnen. Diese reichen von statischen Lösungen wie Produktionsbildschirmen und BDE-Terminals über Rückmeldungen per App bis hin zur Anlagenkopplung mit Schnittstellen, die automatisiert Daten übermitteln. Der Fokus der Überlegungen von Michael Hellmuth liegt auf dem Einsatz von Apps im Produktionsprozess. Diese besitzen deutliche Vorteile bei der Datenerfassung direkt vor Ort und erlauben wie im Falle von Augmented Reality eine ­Visualisierung von gewonnenen Daten.

-wird fortgesetzt-

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