Technologische Fortschritte und Kampf gegen die Bürokratie – Oberflächentechniker informieren aus Forschung und Industrie

Bericht von den ZVO-Oberflächentagen vom 13. bis 15. September in Berlin – Teil 3

Effizientere Schichten, wie beispielsweise Legierungen auf Nickelbasis oder auch harte Chromschichten aus Chrom(III)­elektrolyten stellen sicher, dass die Galvanotechnik auch in Zukunft brauchbare Lösungen für technische Herausforderungen bieten kann. Darüber hinaus müssen sich die Beschichtungsunternehmen aber vor allem mit den unterschiedlichen Möglichkeiten eines sparsamen Umgangs mit Energie auseinandersetzen. In diesem Bereich bieten vor allem die verschiedenen Einsatzbereiche moderner Daten- und IT-Technik schon heute zahlreiche vielversprechende Lösungen, die in einigen Betrieben der Galvanotechnik bereits intensiv und erfolgreich eingesetzt werden. Neben diesen technischen Fortschritten spielen Themen wie Fachkräftemangel oder IT-Sicherheit eine zunehmende Rolle, die von den leitenden Mitarbeitern der Unternehmen gelöst werden müssen.

Fortsetzung aus WOMag 11/2023

 

Kosten- und ­ressourceneffiziente Abwasserbehandlung

Nachhaltigere Behandlung von Galvanikabwässern

Galvanische Beschichtungen sind unverzichtbar für viele Industriebereiche, erfordern aber auch die Behandlung und Entsorgung der anfallenden Abwasserströme. Neben den für einige Prozesse noch immer nicht ersetzbaren toxischen Anionen wie Cyanid oder Chromat sind bei der Abwasserbehandlung vor allem Schwermetallionen und organische Komplexbildner problematisch, wie Dr. Anna Endrikat, Technische Universität Ilmenau, in ihrem Vortrag einleitend betonte. ­Aktuelle Technologien für die Behandlung von galvanischen Abwässern basieren auf Fällungsreaktionen, Ionenenaustauschern oder auch Vakuumverdampfern und liefern unter den Aspekten Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit keine zufriedenstellende Lösung. Es verbleiben hoch belastete Schlämme, Regenerate und/oder Konzentrate, die als Sonderabfall entsorgt werden müssen.

Eine interessante Möglichkeit für die Behandlung von Abwässern beruht auf der elektrochemischen Reduktion von Metallionen. Ein wesentlicher Unterschied zum normalen galvanischen Prozess ist, dass zur Abwasserbehandlung keine löslichen Anoden eingesetzt werden, sondern spezielle inerte Anoden basierend auf bordotiertem Diamant (BDD). An diesem Material werden aufgrund seiner hohen Sauerstoffüberspannung bevorzugt OH-Radikale gebildet, welche die Organik, zum Beispiel Komplexbildner, im Abwasser mineralisieren. Gleichzeitig können kathodenseitig Metallionen aus dem Abwasserstrom zurückgewonnen werden.

Die Vortragende zeigte auf, wie der Fortschritt des Abbaus von organischen Verbindungen in den unterschiedlichen Lösungen der galvanischen Metallabscheidung anhand des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) bewertet werden kann. Zudem bewertete sie alternative Messmethoden, die auf eine In-situ-Analyse dieser wichtigen Größe abzielen, und erläuterte, welche Herausforderungen sich im Prozess ergeben.

Prozessintegrierte und additive ­Umwelttechnik durch Diffusionsdialyse

Rainer Klein, Spiraltec GmbH, erläuterte in seinem Vortrag die Funktion und ­Anwendung von Spiralwickelmodulen, mit denen basierend auf dem Prinzip der ­Diffusionsdialyse ein effizientes Recycling von Prozessabwässern durchgeführt werden kann. Die Verfahrenstechnik findet vor allem für die Rückgewinnung von Säuren, Laugen und bestimmten Metallen Anwendung. Sie beruht auf der stattfindenden Diffusion von Ionen durch eine Membrane, wobei die Triebkraft der Diffusion auf dem Ausgleich der Konzentrationen zwischen zwei Lösungen beruht. Grundsätzlich wird hier zwischen einer Diffusion im Gleichstrom und im Gegenstrom unterschieden; im ersten Fall erreicht die Rückgewinnungsrate maximal 50 Prozent, wogegen im zweiten Fall dieser Wert 50 Prozent überschreiten kann.

Verfahrensvergleich der Diffusionsdialyse im Gleich- (oben) und Gegenstrom (unten) (Bild: R. Klein)

 

Rainer Klein zeigte auf, welche Prozessströme für die Säurerückgewinnung beim Beizen von Stahl mit Schwefelsäure, dem chemischen Glänzen von Aluminium mit Säuremischungen oder der Rückgewinnung von Säuren aus der Regeneration von Ionenaustauschern optimalerweise eingerichtet werden. Die Technologie wird aus Umweltschutzgründen und vor allem aufgrund der zunehmenden Rohstoffverknappung und den sich daraus ergebenden steigenden Beschaffungskosten für Laugen und Säuren immer interessanter.

Nachhaltige Abwasseraufbereitung zur Einsparung von Betriebskosten

Nach Ansicht von Marius Straub, H2O GmbH, ist für Unternehmen der Oberflächentechnik die Verbesserung der ­Wirtschaftlichkeit in Kombination mit einer hohen Qualität der Prozesse eines der wichtigen Ziele. Hinzu kommt ein bewusster Umgang mit Ressourcen, der auch in der Industrie eine immer größere und wichtigere Rolle spielt. Eine Lösung, die Nachhaltigkeit, niedrige Betriebskosten, hohe Qualität und Prozesssicherheit vereint, ist die Abwasseraufbereitung mittels Vakuumdestillation. Das gereinigte Abwasser aus diesen Systemen ist so gut, dass es in den Prozessen wiederverwendet werden kann.

Kostenrechnung für den Einsatz der Vakuumdestillation (Bild: M. Straub)

 

Die Kreislaufführung des Wassers schont nicht nur die wertvolle Ressource Wasser, sondern reduziert auch Arbeits- und Anlagenbetriebszeit und damit Kosten. Anhand von Rechenbeispielen aus der Praxis belegte er die sehr geringe Amortisationszeit einer Vakuumdestillationsanlage von weniger als zwei Jahren. Diese hohe Wirtschaftlichkeit der Anlagen beruht vor allem auch auf einem optimalen Umgang mit Energie.

Verschleißschutz und Tribologie

Fe-Cr-Ni-Legierungen aus Chrom(III)elektrolyten

Dominik Höhlich, Technische Universität Chemnitz, befasst sich mit dem Einfluss von Elektrolyt und Prozessparametern auf die Zusammensetzung galvanisch abgeschiede­ner Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen und deren Eigenspannungen. Eine der hauptsächlichen Herausforderungen bei der Abscheidung derartiger Schichten liegt vor allem beim dabei entstehenden Wasserstoff und dessen Wirkung auf die Metallschicht. Darüber hinaus bestehen die generellen Herausforderungen für galvanische Prozesse zur Abscheidung von Mehrstoffwerkstoffen.

Angestrebt werden von Höhlich Chromgehalte um 20 Prozent und Nickelgehalte um 15 Prozent. Bisher wurden Schichten aus diesen drei Metallen sowohl mit Gleich- als auch mit Pulsstrom abgeschieden. Alle diese Schichten zeigen eine deutliche Rissbildung, sind also eher spröde, vermutlich aufgrund von eingebautem Wasserstoff, aber auch aufgrund sehr hoher Stromdichten und dadurch entstehender Eigenspannungen. Die markantesten Eigenschaften der Schichten sind hohe Härte, Korrosions- und Verschleißbeständigkeit.

Die unerwünschte ­Wasserstoffentwicklung und der daraus folgende Einbau in die Schicht könnte nach Ansicht des Vortragenden durch ein optimiertes Strommanagement reduziert werden, zum Beispiel durch Pulsstrom oder gestuften Stromverlauf (Pausen der aktiven Abscheidung im Sekundenbereich). Dass solche Stromverläufe die Wasserstoffentwicklung deutlich senken, kann durch oberflächennahe pH-Messungen belegt werden. Die besten Ergebnisse wurden mit gestuftem Strom erzielt, was sich in rissfreien Schichten äußert. Allerdings lag die maximale Schichtdicke bei den bisher durchgeführten Abscheideversuchen bei etwa 15 µm.

Als wichtiger Zusatz zu den Elektrolyten hat sich Saccharin erwiesen, etwa durch dessen Einfluss auf die Eigenspannungen der Schichten. Die Abscheidung mit gestuftem Strom und Saccharin im Elektrolyten erbrachte rissfreie Schichten mit höherer Dicke. Genauere Analysen der Schicht zeigen, dass die Schicht eine günstige Zusammensetzung mit Kristallgrößen von wenigen Nanometern besitzt. Auch in Bezug auf die Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit weisen die Schichten aus Elektrolyten mit ­gestuftem Strom und Saccharinzusatz Vorteile auf. Nachteilig sind nach wie vor die deutliche Stromdichteabhängigkeit und der hohe Anteil an eingebauten organischen Bestandteilen aus dem Elektrolyten.

Hartchromschichten aus Chrom(III)elektrolyten

Eine weitere Arbeit zu Abscheidesystemen mit Chrom(III) stellte Andreas Waibel vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA mit seinen Untersuchungen zur Herstellung von Hartchromschichten vor. Funktionelle ­Chromschichten werden deshalb so häufig eingesetzt, weil sie eine breite Palette an positiven Eigenschaften aufweisen. Allerdings unterliegen sie der besonderen Betrachtung durch die REACh-Verordnung, weshalb intensiv nach brauchbaren Alternativen gesucht wird. Neben Verfahren wie dem thermischen Spritzen oder der Schmelztauchbeschichtung wurden vor allem Nickelschichten als Ersatzsystem geprüft. Da diese Alternativen bisher noch nicht vollumfänglich die Eigenschaften von Hartchrom erfüllen, wird als Alternative auch die Abscheidung aus Chrom(III)systemen unter­sucht und weiterentwickelt. Es wichtig, hierfür die bestmögliche Chrom(III)verbindung zu wählen. Grundsätzlich ist zu vermerken, dass die möglichen Elektrolyte deutlich komplizierter aufgebaut und damit auch aufwendiger zu führen sind. Ein weiterer ­wichtige Unterschied ist, dass deutliche Anteile an Kohlenstoffverbindungen in der Schicht vorhanden sind, die in der Regel aus Abbauprodukten der organischen Elektrolytzusätze stammen. In der Folge sind die Schichten aus Chrom(VI) und Chrom(III) nur schwer miteinander vergleichbar.

Härte einer Chromschicht mit und ohne Wärmebehandlung aus einem Chrom(III)elektrolyten im Vergleich zur Schicht aus einem Chrom(VI)verfahren (Bild: A. Waibel)	Änderung der Abriebbeständigkeit zwischen röntgenamorpher und kristalliner Schicht aus einem Chrom(III)elektrolyten (Bild: A. Waibel)

 

Eigenschaften der Chrom(III)schichten sind zum Beispiel ein andere Ursache für die entstehende Schichthärte oder eine geringere Verschleißbeständigkeit, aber insbesondere eine deutliche höhere Rissneigung und damit eine schlechtere Korrosionsbeständigkeit. Grundsätzlich wird der Einbau von Wasserstoff in die Schicht als Ursache der Rissbildung identifiziert. Um den Wasserstoffeinbau zu reduzieren, wurde unter anderem mit moduliertem Strom beziehungsweise Pulsstrom gearbeitet. Hierbei wird davon ausgegangen, dass in den Strompausen der Wasserstoff aus dem oberflächennahen Bereich der Schicht austreten kann. Dass dieser Ansatz erfolgreich ist, lässt sich an Oberflächen- und Querschliffbetrachtungen erkennen. Allerdings dürften trotzdem noch hohe Eigenspannungen vorhanden sein, die stark zeitversetzt eine Rissbildung zur Folge haben. Eine Wärmebelastung zeigt im Prinzip die selbe Wirkung auf die Schicht.

Ein weiterer Punkt der Untersuchungen richtet sich auf die Kristallstruktur der hergestellten Schichten. Relevant sind nach Ansicht von Waibel die Stromdichte beziehungsweise Grenzstromdichte, aber auch die Temperatur des Elektrolyten sowie die vorhandenen Elektrolytzusätze. Vorteilhaft wirkt sich der Übergang von amorpher zu kristalliner Struktur aus, wobei in diesem Fall die Härte keine Änderung erfährt; die Verschleißbeständigkeit wird allerdings deutlich verbessert.

Insgesamt ist festzustellen, dass die Schichten aus Chrom(III) deutlich andere Eigenschaften als diese aus Chrom(VI) besitzen. Daher ist es bei einem Einsatz der Schichten erforderlich, die jeweiligen Anforderungen an die Schicht festzulegen und dementsprechend das Abscheideverfahren oder den Schichttyp auszuwählen.

Verschleißmodell für ­chemische Nickelschichten

Lars Lehmann, Technische Universität Chemnitz, hat ein interaktives Verschleißmodell für die Vorhersage von geeigneten Wärmebehandlungen von chemisch abgeschiedenen Nickelschichten erarbeitet. Chemisch abgeschiedene Nickel-Phosphor-Schichten finden breite Anwendungen, wenn eine gute Beständigkeit gegen Korrosion und Verschleiß gefordert ist. Allerdings ist die ­Vorhersage über die tatsächliche Beständigkeit unter Verschleißbelastung als Systemeigenschaft nur bedingt möglich. Um ein Vorhersage­modell erstellen zu können, müssen umfangreiche Kennwerte zum Verhalten ermittelt werden. Bereits bekannt ist, dass die Verschleißbeständigkeit vom Phosphorgehalt abhängt, der wiederum auf die ­Kristallinität Auswirkung hat. Für die Untersuchungen der Zusammenhänge wurden Schichten mit 3,8 %, 9,3 % und 12,3 % Phosphor hergestellt. Diese Schichten wurden industrieüblichen Wärmebehandlungen unterzogen. Die Verschleiß­daten wurden aus drei unterschiedlichen Verschleißverfahren gewonnen.

Für alle Verschleißtests wurden bei den unterschiedlichen Phosphoranteilen die Kennwerte für die Ritzenergie und die Oberflächenschädigung für die Temperatur und Zeit der Wärmebehandlung ermittelt, wobei sich für bestimmte Kombinationen Maximal- und Minimalwerte ergaben. Wichtig ist hierbei, die Prüffläche auf vorhandene Risse zu prüfen.

Die schlechtesten Ergebnisse wurden bei allen Varianten bei Schichten ohne Wärmebehandlung festgestellt. Entstanden ist aus all diesen Daten ein frei zugänglicher Katalog für das Verschleißverhalten. Die Datensammlung enthält für unterschiedliche Wärmebehandlungen und unterschiedliche Phosphorgehalte mögliche Ergebnisse für das Verschleißverhalten. Hilfreich sind hierfür Belastungsfälle aus der Praxis, die dabei helfen, die am besten geeigneten Verschleißmechanismen auszuwählen.

Silber-Graphit-Schichten

Dispersionsschichten finden in steigendem Maße Interesse für die Beschichtung von Steckverbindern. Dr. Stefan Henne, Dr.-Ing. Max Schlötter GmbH & Co. KG, stellte in diesem Kontext Silber-Graphit-Schichten vor.

Silber übernimmt hierbei Aufgaben wie eine hohe elektrische Leitfähigkeit oder eine gute Korrosionsbeständigkeit, während Graphit für die Schmierwirkung verantwortlich ist, ohne die Leitfähigkeit negativ zu beeinflussen. In die galvanischen Schichten werden Graphitpartikel im Mikrometerbereich eingebettet, die teilweise aus der Schicht herausragen. Bei diesen Schichten liegt die Herausforderung darin, die elektrischen Eigenschaften der Schicht durch den Einbau nicht übermäßig zu verschlechtern. Zugleich muss aber der Reibwert der Schicht deutlich verbessert werden. Als praktischer Kennwert gilt die Zahl der Steckzyklen, die für Silberschichten bei 20 bis 50 liegt und bei Silber-Graphit Werte von bis zu 1000 erreichen kann (laut Literatur).

Silber-Graphit-Schichten zeigen über die gesamte Versuchsdauer unter Reibung einen nahezu konstanten Übergangswiderstand (Bild: Dr. Henne)

 

Aktuell sind aufgrund der zunehmenden Elektromobilität steigende Anforderungen an derartige Oberflächen bei Steckverbindern festzustellen. Daraus entstand der Wunsch beim Unternehmen des Vortragenden, das Abscheidesystem zur Weiterentwicklung des Elektrolyten zu verbessern. Im ersten Schritt musste ein Messsystem entwickelt und hergestellt werden, das den Kontaktwiderstand unter verschiedenen Reibbelastungen erfassen kann. Die Messungen wurden üblicherweise an Schichten mit 10 µm Dicke durchgeführt, wobei unterschiedliche Gegenkörper für den Verschleiß verfügbar sind. Interessant ist der Vergleich der Reibwerte: Bei Silberschichten liegt zu Beginn der Messungen ein hoher Wert vor, der im Lauf der Messungen einen konstanten niederen Wert anstrebt. Für Silber-Graphit dagegen ist von Anfang an ein sehr konstanter Reibwert festzustellen. Die Oberfläche ist bei REM-Aufnahmen in Aufsicht bei Silber-Graphit sehr glatt und kaum beschädigt, wogegen bei Silber deutliche Abriebspuren sichtbar sind. Insgesamt ist damit festzustellen, dass Silber-Graphit aufgrund eines geringen Verschleißes und niedrigen Kontaktwiderstands außergewöhnlich gute Eigenschaften aufweist.

Klimaneutralität, ­Energie- und Ressourceneffizienz

Nutzen eines ­Energiemanagementsystems

Um die Kosten eines Produkts genau zu ermitteln, ist es wichtig, die Energieflüsse zu verstehen. Ein effektives Energiemanagement, wie es Karel Stolba, KBR Kompensationsanlagenbau GmbH, vorstellte, ermöglicht es einem Unternehmen, seine Energie effizient zu nutzen und damit Kosten ­nachhaltig zu senken. Es liefert einen detaillierten Überblick über den Energieverbrauch in den verschiedenen Bereichen der Produktion. Auf dieser Basis können gezielt ineffiziente Prozesse identifiziert und Verbesserungsmaßnahmen eingeleitet werden. Durch den effizienten Einsatz von Energie werden nicht nur Kosten gesenkt, es wird auch ein wichtiger Beitrag zur Nachhaltigkeit geleistet.

Ein Energiemanagement ermöglicht es, den Energieverbrauch in Echtzeit zu überwachen, historische Daten zu analysieren und Prognosen für den zukünftigen Energiebedarf zu erstellen. So können fundierte Entscheidungen getroffen werden, um Energieverbräuche wirtschaftlich zu optimieren. Durch den Vergleich mit Branchenstandards und Best Practices kann die eigene Leistung mit anderen Unternehmen verglichen und Verbesserungspotenziale können identifiziert werden. Empfehlenswert ist hierbei, Auswahl und Einsatz des Systems sorgfältig zu planen.

Energieeffizient trocknen

Das von Reinhold Specht, Harter GmbH, vorgestellte Verfahren der Kondensationstrock­nung auf Basis der Wärmepumpentechnologie bietet im Rahmen des sehr energieintensiven Bereichs der industriellen Teiletrocknung ein Produkt, das ökologisch und ökonomisch entscheidende Vorteile bietet: Unter anderem können Energieverbrauch und CO2-Ausstoß um bis zu 80 Prozent gegenüber konventionellen Trocknungsverfahren reduziert werden, wie der Vortragende ausführte. Durch den Einsatz der geförderten Kondensationstrocknung können Anwender dauerhaft hohe Energiekosten vermeiden und die bis zum Jahr 2045 angestrebte Treibhausgasneutralität effizient unterstützen.

Der Trocknungseffekt des Harter-­Verfahrens wird durch den Einsatz von trockener Luft erreicht. Dadurch ist es möglich, die Trocknungstemperatur für einen effizienten Trocknungsprozess deutlich auf Werte um 40 °C zu senken. Des Weiteren wird die Trocknungsluft in einem geschlossenen System geführt; der Trocknungsbehälter in einer Beschich­tungsanlage wird selbst mit einem Verschließsystem ausgestattet. Dieser geschlossene Kreislauf erlaubt eine gute Wärmerückgewinnung, woraus sich der sehr geringe Energiebedarf dieses Trocknungssystems ergibt. Eingesetzt werden kann diese Technologie für jede Art der galvanischen Beschichtung (Gestell- oder Trommelbeschichtung), der Trocknung beim Lackieren oder auch in der Verarbeitung von Lebensmitteln und medizinischen Produkten.

Schichtdickenmessung ­fördert Ressourceneffizienz

Nach Ansicht von Jörg Mülleneisen, OptiSense GmbH, sind die Einsparpotenziale in der Oberflächenindustrie noch nicht ausgeschöpft. Prüf- und Messtechnik kann dabei ein wesentlicher Hebel sein. Denn sie geht mit Ressourceneffizienz Hand in Hand: Kontaktfreie Schichtdickenprüfsysteme machen Ressourceneffizienz messbar und Einsparpotenziale sichtbar und nutzbar. Anhand von Best-Practise-Beispielen zeigte der Vortragende, wie mit einer kontaktlosen Schichtdickenmessung in dem Bereich der Pulverlackierung verschiedene Effizienzpotenziale umgesetzt werden können:

• Als Frühwarnsystem in der Qualitätskon­trolle, indem zum Beispiel die berührungslose Prüfung von frisch aufgetragenen Pulverbeschichtungen vor dem Einbrennen optimiert wird. Die Messung berücksichtigt dabei auch schon die Schrumpfung während des Aufschmelzens.
• Als virtueller Lehrmeister zur Mitarbeiterqalifizierung. Mitarbeiter können in Eigenregie früher und schneller im Prozess fehlerhafte Beschichtungen entdecken und vermeiden damit kostspielige Nacharbeiten.
• Als Effizienz-Booster im Prozess durch die frühzeitig Schichtdickenprüfung, wodurch Fehlbeschichtungen vermieden und dank optimierter Schichtdicke Pulver eingespart wird. Das bedeutet weniger Nacharbeit, weniger Ausschuss und minimierte Produktionsverluste.

Die genannten Einsatzmöglichkeiten tragen erkennbar zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit bei.

Modellrechnung beim Einsatz von Prüf- und Messtechnik im Bereich der Pulverlackierung (Bild: J. Mülleneisen)

 

Energiesparende Oberflächenvorbehandlung mit Laserlicht

Laser zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass sowohl der zu bearbeitende Oberflächenbereich als auch die wirkende Energie sehr exakt ausgewählt werden können. Diese Fähigkeit kann auch für die Reinigung von Oberflächen, vorgestellt von Jan Sommer, Clean-Lasersysteme GmbH, genutzt werden. Einsatzbeispiele und technische Lösungen finden sich in Anwendungsfeldern wie der Klebevorbehandlung, Schweißnahtvorbehandlung und Beschichtungsvorbehandlung.

Die Vorteile der Laseroberflächentechnik wie die Prozesskontrolle zwecks Qualitätssiche­rung einer fehlerfreien Produktion, ökologische Aspekte und die nachhaltige Wirkung einer Laservorbehandlung stehen dabei im Mittelpunkt. Aktuelle Verbesserungen betreffen die Einsparung von Energie und die Reduktion von Kohlenstoffdioxidemissionen, aber auch das Reduzieren von Prozessschritten oder das Einsparen einer Bauteilerwärmung.

Recycling von Palladium

Marc Piepenbrink, BIA Kunststoff- und Galvanotechnik, befasst sich mit der Rückgewinnung von Palladium aus Abwässern von kolloidalen Aktivatoren, wie sie für die Kunststoffmetallisierung benötigt werden. Wie er einleitend betonte, konnte mit den durchgeführten Arbeiten bei BIA eines der effizientesten Verfahren entwickelt und in die ­Praxis umgesetzt werden.

In Betracht gezogener Prozessablauf für die Ermittlung eines geeigneten Ionenaustauscherharzes (Bild: M. Piepenbrink)

 

Palladium selbst ist ein entscheidendes Metall für die Herstellung der Metallschichten auf Kunststoff, meist ABS und Varianten davon, sowie der Erzeugung einer guten Materialanbindung von Metall auf Kunststoff. Andererseits ist das Edelmetall kostenintensiv, woraus sich die Notwendigkeit der Rückgewinnung ergibt. Dies gilt umso mehr, als die CO2-Bilanz für Palladium enorm schlecht ist: die Gewinnung von 1 Tonne Palladium weist ein CO2-Äquivalent von 11 227,6 Tonnen auf. Im Abscheideprozess fällt Palladium insbesondere in der Spüle nach dem Palladiumaktivator an. Herausforderungen für die Rückgewinnung ergeben sich aus dem Verbund des Palladiums im Palladium-Zinn-Kolloid, wobei das Zinn in deutlichem Überschuss vorliegt.

Der Rückgewinnungsprozess startet ­damit, dass das Abwasser mit Palladium ohne Vermischung gesammelt wird. Anschließend wird das Kolloid behandelt, so dass Palla­dium ionisch vorliegt. Aus dieser Lösung wird Palladium mittels Ionenaustauscher gebunden. Fällungen wurden ebenfalls untersucht, ergaben aber ein ungünstigeres Verhältnis von Zinn zu Palladium zur Durchführung einer guten Palladiumabtrennung. Ein starkbasisches Anionenharz bindet Palladium zwar gut, zeigt aber den größten Schlupf. Günstiger sind die Verhältnisse beim Einsatz eines sauren Anionentauscherharzes. Das Harz kann etwa 16 Gramm Palladium pro ­Liter aufnehmen und aus diesem kann der Verwerter 90 Prozent gewinnen. Inzwischen wurde für diesen Rückgewinnungsprozess eine Fertigungsanlage erstellt, in der zwei Austauschersäulem mit je 25 Liter Harz arbeiten.

Einsparmöglichkeiten in der ­Abwasserbehandlung

Dr. Elke Spahn, Gravitech GmbH, und Dr. Elke Moosbach, Moosbach & Kanne, stellten ihre Erfahrungen aus einer galvanotechnischen Fertigung vor, bei der Einsparungen durch die gezielte Führung und platzierte Analytik der Prozesswasserströme erzielt werden können. Derartige Aktivitäten werden durch strenge behördliche Auflagen und die von der EU geforderte CO2-Bilanz zunehmend nötig. Zur Erreichung der Auflagen ist eine sinnvolle Prozesswasserführung ein wesentlicher Baustein. Für Betriebe der Galvanotechnik kommt hierbei als Besonderheit hinzu, dass deren Abläufe in der Fertigung einen hohen Grad an Individualität aufweisen, wodurch jedes Unternehmen eine optimal angepasste Lösung benötigt. Für die Optimierung der Abwasserbehandlung wurden die Stärken und Schwächen der wichtigsten Varianten chemische Behandlung, physikalische Behandlung und Vakuumdestillation verglichen und bewertet.

Digitalisierung der Abwasserwege (Bild: Spahn/Moosbach)

 

Durch die einfache Umstellung des Analysenzeitpunkts, der Prozessreihenfolge: Neutralisation – Fällung – Filtration und mit wenigen Änderungen in der Wasserführung ergeben sich erhebliche Potenziale, Zeit, Chemikalien, Energie und Kosten einzusparen und gleichzeitig die Emissionen an Kohlenstoff­dioxid zu reduzieren. Zum Einsatz kommt dafür eine angepasste Analysentechnik, auf deren Basis die Abwasserbehandlung bezüglich der vorliegenden Stoffarten und Stoffkonzentrationen optimiert werden kann, woraus nach Aussage der Vortragenden eine Digitalisierung der Abwasserwege entsteht.

Klimaneutrale Galvanik in der Zukunft

Galvanische Beschichtungsverfahren ­zählen zu den Fertigungsverfahren mit einem in der Regel höheren Bedarf an thermischer und elektrischer Energie. Die Forderungen nach einer verbesserten Klimabilanz sind daher durchaus berechtigt. Christin Deyhle von der Qubus GmbH befasst sich seit vielen Jahren mit der Planung von modernen Galvanikanlagen und verfügt daher über umfangreiche Kenntnisse, an welchen Stellen derartige ­Anlagen Einsparpotential besitzen. Einleitend erläuterte er, welche Vorgaben aktuell im besonderen zu berücksichtigen sind, um Klima­neutralität zu erreichen. Dazu zählen ­unter anderem die Emissionsziele Scope-1 bis Scope-3, die dabei helfen, die Quellen für die Emission von Kohlenstoffdioxid aufzudecken und daraus die Möglichkeiten zur Einsparung von Energie zu identifizieren.

Am Beispiel einer Modellgalvanik zur Ver­zinkung von Stahl- und Zinkdruckgussteilen aus einem alkalischen Elektrolyten erläuterte er die unterschiedlichen Energiemengen für die verschiedenen Prozessteile, wie Heizung, Kühlung, Luft/Abluft, galvanische Abscheidung oder Entfettung. Für diese Arbeitsprozesse wurden im Jahr 1993 etwa 4 GWh Energie pro Jahr veranschlagt. Die selbe Fertigung verbrauchte im Jahr 2016 mit etwa 2,9 GWh bereits 26 Prozent weniger Energie, entsprechend 302 Tonnen Kohlenstoffdioxid pro Jahr weniger.

Möglichkeiten zur Optimierung der Energieverbräuche an einer Beispielgalvanik zur alkalischen Verzinkung (Bild. Ch. Deyhle)

 

Für die nächsten Jahre sollten Verbesserungen bei den Arbeitsprozessen, wie etwa eine Temperatursenkung der Entfettungsverfahren, Verkürzung der Entfettungszeiten oder eine Senkung des Stromverbrauchs bei der galvanischen Verzinkung möglich sein. Des Weiteren wird davon ausgegangen, dass eine modernere Steuerungstechnik sowie eine optimierte Luftversorgung unter Einsatz von Wärmepumpen und Wärmerückgewinnung aus der Gleichrichterkühlung den Energieverbrauch der Anlage mit der selben Leistung nochmals um bis zu 40 Prozent reduziert. Damit würde der Energieverbrauch pro Jahr von etwa 4 GWh auf etwa 1,8 GWh sinken. Bei den umfangreichen Technologien zur Energieeinsparung und der regenerativen Energiegewinnung, insbesondere für elektrische und thermische Energie, muss nach Ansicht des Vortragenden vor allem auch auf die Nutzung der verfügbaren Förderungsmöglichkeiten geachtet werden.

Zirkuläre Oberflächentechnik – ­Transformation auf Unternehmensebene

Die EU-Kommission hat mit dem Green Deal die Grundlagen zur Transformation der Industrie in Richtung einer zirkulären und klimaneutralen Wirtschaft eingeleitet und der Bundesregierung damit klare Vorgaben mitgegeben. Im Fokus der zirkulären Transformation von energie- und rohstoffintensiven Unternehmen, mit der sich Lars Baumgürtel, ZINQ Technologie GmbH, auseinandersetzt, stehen die Fragen:

• Wie wird der ökologische Fußabdruck von Produkten verringert?
• Wie werden produktbezogene Fußabdrücke über den gesamten Lebenszyklus gemessen (PCF/Carbon und PEF/Environmental)?
• Wie werden diese Daten in digitale zirkuläre Produktpässe übertragen und zukünftig bewertet?

Am Beispiel von Prozesswärmeanwendungen in der Oberflächentechnik zeigte der Vortragend auf, mit welchen Maßnahmen die energetische/stoffliche Transformation gelingt, wie sich Unternehmen mit zirkulären Geschäftsmodellen zukunftsfähig ­aufstellen können und welcher politische Rahmen umgesetzt werden muss, damit kleine und mittlere Unternehmen und die Oberflächentechnik zukünftig von der Internalisierung externalisierter Umweltkosten profitieren können. Die drei Ziele des EU Green ­Deals (Zero Carbon, Pollution, Waste) werden die Konturen der Oberflächentechnikindustrie samt ihrer Lieferkette und Kunden prägen. Um die Initiative für zirkuläre Produkte, digitale Kreislaufproduktpässe und andere Elemente des EU-Green-Deal-Regelwerks erfüllen zu können, wird nach Meinung des Vortragende die digitale Technik, beispielsweise zur Nutzung von digitalen Zwillingen, einen breiten Raum in der täglichen Praxis einnehmen.

Verfahrenschemie und Anlagen­technik zur galvanischen ­Oberflächenbeschichtung

Electrochemical Real-Time Monitoring

Im Rahmen des internationalen ZIM-Kooperationsprojekts MONACO-PLATE konnte gezeigt werden, dass der Passivierungsprozess von galvanischen Zink-Nickel-Beschichtungen auf Basis von Chrom(III)verbindungen durch In-situ-Messung zeitbezogener Ruhe­potentiale (OCP) in Echtzeit überwacht und gesteuert werden kann, wie Prof. Dr. Guenter Schmitt, IFINKOR, einführend erläuterte.

Nach dem Eintauchen der Zink-Nickel-Oberfläche in die Passivierungslösung steigt das Ruhepotential von Werten um -550 mVH innerhalb von 30 s bis 60 s auf ein ­Plateau zwischen -120 mVH und -90 mVH an. Die Dauer für den Potentialanstieg ändert sich mit dem Alter der Passivierungslösung, was auf einen prozessbedingten Anstieg der Fremdionenkonzentrationen (Zink, Eisen) zurückzuführen ist.

Durch die Korrelation der Prozessparameter mit der Schutzwirkung der erzeugten Passi­vierungsschichten lässt sich die ­optimale Standzeit von Passivierungssystemen ermitteln. Diese Methodik ist nach Aussage des Vortragenden unabhängig von der Art der Beschichtung, funktioniert also sowohl bei Gestell- als auch bei der Trommelbeschichtung. Das Verfahren unterstützt die Bemühungen zur Digitalisierung von Prozessschritten in der Galvanotechnik.

Aktivierungsverfahren für die ­galvanische Beschichtung von ­passiven Nickeloberflächen

Im Gegensatz zur Abscheidung von Chrom aus Chrom(VI)verfahren mit stark sauren Elektrolyten besteht bei der Verwendung von Chrom(III)systemen die Gefahr, dass eine ­Nickeloberfläche nicht ausreichend aktiv ist, um eine gute Haftfähigkeit zu erzielen. In einem Projekt im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) der AiF wurden verschiedene ­Aktivierungsverfahren untersucht und hinsichtlich ihrer Wirkung auf die anschließende Nickel- und Chromabscheidung qualifiziert; die daraus erhaltenen Ergebnisse stellte Khavar Akbarova, Technische Universität Ilmenau, vor.

Ziel des Projekts war die Optimierung der Elektrolytzusammensetzung und der einzelnen Behandlungsstufen. Ebenso im ­Fokus standen die Bestimmung des Einflusses von verschiedenen Parametereinstellungen wie Stromdichte und Behandlungszeit, Ermittlung der Messverfahren für die verschiedenen Prozessparameter sowie die Entwicklung eines Prozessmodells für die Umsetzung eines kontrollierten Aktivierungsprozesses in einer großtechnischen Anlage.

Verbesserte ­Korrosionsbeständigkeit von Aluminiumguss

Aufgrund seines ausgezeichneten Verhältnisses von Gewicht zu Festigkeit gewinnt der Einsatz von Aluminium insbesondere in der Automobilindustrie an Bedeutung; allerdings ist eine geeignete Oberflächenbehandlung erforderlich, um die chemische Beständigkeit zu gewährleisten – ein Thema mit dem sich Can Akyil, MacDermid Enthone Deutschland GmbH, befasst. Chemische Konversionsbeschichtungen gehören zu den gängigsten Methoden zum Schutz von Oberflächen gegen Korrosion. Angriffsart bei Aluminium ist vor allem die gleichmäßige Korrosion, bei der die gesamte Oberfläche durch ein aggressives Medium korrodiert. Daneben tritt bei lackierten Oberflächen Filiformkorrosion (Fadenkorrosion) auf, bei der sich die Korrosion unter einer Schutzschicht ausbreitet. Die Hauptantriebskraft für eine gleichmäßige und auch fadenförmige Korrosion wird durch den Elektronegativitätsunterschied zwischen den intermetallischen Elementen erzeugt. Diese bestehen aus den Legierungselementen und der Aluminiummatrix. Beide Elemente bilden galvanische Paare, welche die Korrosionsausbreitung fördern.

Neben der Elektronegativität der Legierungselemente sind die Größe und die Verteilung des Intermetalls in der Aluminiummatrix weitere Parameter, die sich auf das Intermetall auswirken. Intermetallische Verbindungen mit einer gröberen Größe und heterogenerer Verteilung haben einen negativen Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit. Darüber hinaus sind die Korngröße, die Rauheit der Oberfläche und die Porosität des Werkstoffs wichtige Parameter, die sich positiv oder negativ auf die Korrosionsbeständigkeit auswirken.

Um die Auswirkung der genannten Parameter auf die Korrosionsbeständigkeit zu demonstrieren, wurden zwei Gusslegierungen nahe dem eutektischen Punkt ausgewählt – ihr komplexes Gefüge hat einen ­negativen Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit. Die Legierung EN AC 43400 mit 9 % ­Silizium verhält sich wie untereutektische Legierungen mit relativ wenig edlen Legierungselementen. Die Legierung EN AC 46000 mit 10 % Silizium und 3 % Kupfer zeigt ein nahezu ­eutektisches Legierungsverhalten. Bei beiden Legierungen wurden verschiedene Vorbehandlungsarten angewandt, um die Passivierung mit Chrom(III) zu belegen. Der Vortragende erläuterte die Unterschiede in der Korrosionsbeständigkeit sowie die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit durch Anpassung der Vorbehandlungsschritte zur Schaffung einer geeigneteren Grundlage für die Umwandlungsbeschichtung.

Effizientere Qualitätssicherung

Nach den Erfahrungen von Arnaud Kropp, Softec AG, fordern Kunden immer mehr Qualitätssicherung, auch in der Vor- und Nachbehandlung. Die Grundlage für eine hohe Prozesssicherheit bildet eine zentrale und digitale Verwaltung von Prüfprotokollen. Wenn dadurch individuelle Anforderungen ­flexibel abbildbar werden, können Schritte unternommen werden, um Prüfungsprozesse besser in vorhandene Abläufe zu integrieren.

Mithilfe mobiler Apps können Prüfergebnisse sowie Fehler digital erfasst werden. Somit wird die Dokumentation einfach zum jeweiligen Arbeitsschritt verlagert. Des Weiteren lassen sich Hardware, zum Beispiel Messgeräte, und Software über Schnittstellen besser vernetzen, um den Austausch von Informationen zu automatisieren. Dies ermöglicht beispielsweise die Datenübertragung von Messergebnissen, sodass Werte nicht mehr manuell nachgetragen werden müssen. Dadurch wird das Risiko für Übertragungs­fehler minimiert und die Daten stehen in Echtzeit zur Verfügung.

Nachhaltige ­Oberflächenfunktionalisierung

Kevin Braun, Molecular Plasma Group, befasst sich mit Entwicklung und dem Einsatz von atmosphärischen Plasmen zu Veränderung von Oberflächen. Anders als bei üblichen atmosphärischen Plasmatechnologien, bei denen eine Oberflächenaktivierung oder -reinigung im Vordergrund steht, werden bei dem von ihm genutzten einstufigen, trockenen und lösungsmittelfreien Prozess organische Stoffe mithilfe von kaltem atmosphärischem Plasma kovalent an jegliche Substrate gebunden. Dadurch entsteht eine permanente Nanobeschichtung, die der Oberfläche eine klar definierte Funktion verleiht.

Dem nachhaltigen Prozess steht dafür nahezu die gesamte Palette an organischer Chemie zur Verfügung. Die so erzeugten Funktio­nen reichen beispielsweise von Oberflächen mit viruziden, bioziden, anti-biofouling oder antimikrobiellen Eigenschaften über Korrosionsschutz oder gezielte Filtration bis hin zu hydrophoben, hydrophilen und Trennbeschichtungen oder das Abscheiden von komplexen Biomolekülen. Darüber hinaus geht die Technologie im Bereich der Haftungsverbesserung nicht nur deutlich über die Möglichkeiten einer klassischen Plasmavorbehandlung hinaus, sondern kann, bei oft sogar besseren Ergebnissen, auch lösungsmittelbasierte Haftvermittler durch einen umweltfreundlichen Prozess ersetzen. Dabei erfolgt eine sofortige sowie beständige Modifizierung der Oberfläche, sodass keine Einschränkung der Offenzeit nach der Vorbehandlung besteht.

Nicht zuletzt ist es das niedrige Energie- und damit Temperaturniveau, das es dem Prozess im Gegensatz zu anderen ­Technologien ermöglicht, auch sehr sensible Substrate (beispielsweise natürliche Materialien wie Cellulose) zu behandeln und sehr empfindliche Stoffe (zum Beispiel Biomoleküle wie Anti­körper oder DNA) abzuscheiden. Die flexib­len Anlagensysteme ermöglichen dabei die Behandlung verschiedenster Geometrien, angefangen bei kleinen Flächen, Fasern, 3D-
Formen, Pulvern und Partikeln, bis hin zur kontinuierlichen Funktionalisierung von großen Flächen, Folien, Membranen oder Textilien. Gleichzeitig findet eine 100-prozentige Inline-Kontrolle des Prozesses statt, bei der die aufgebrachte Schichtdicke ermittelt und überwacht wird.

Materialauswahl: Löten im Vergleich zu Sintern

Die Anzahl an elektronischen ­Komponenten nimmt in Fahrzeugen kontinuierlich zu, wie Rainer Venz, MacDermid Alpha Electronic, betonte. Aufgrund immer kompakterer Bauweise in Kombination mit immer höheren Leistungen, müssen Elektronikbauteile nicht nur vor Wärmeeinwirkung von außen geschützt werden, sondern auch die eigene Wärmeentwicklung muss möglichst reduziert und die entstehende Wärme abgeleitet werden. Hohe Temperaturen in Verbindung mit Vibra­tionen, die in Fahrzeugen Normalität sind, führen zu immer weiter steigenden Anforderungen an das Material.

Eine optimierte Materialauswahl in Verbindung mit abgestimmten Schichtsystemen kann die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer erhöhen. Als interessante Alternative zur klassischen Löttechnik kommt moderne Sintertechnik in Betracht. Sintermaterialien können auf unterschiedliche Art und Weise aufgetragen und je nach Materialzusammensetzung bei verschiedenen Temperaturen ausgehärtet werden. Dadurch ist eine gute Anpassung an das zu verbindende Bauteil beziehungsweise die eingesetzten Werkstoffe und geometrischen Ausführungen möglich. Im Vordergrund stehen dabei die Herstellung einer guten Verbindung sowie effektive und kostengünstige Verarbeitungsprozesse. Der Vortragende zeigte an verschiedenen Beispielen den Aufbau elek­tronischer Systeme, deren Anforderungsprofil sowie Anwendungen. Für den Endkunden stehen damit zahlreiche Lösungswege offen, wie die Materialauswahl für Werkstoffe, deren Anwendung in der Oberflächen- und Fügetechnik sowie deren Zusammenspiel die Zuverlässigkeit von elektrischen und elektronischen Bauteilen und Baugruppen optimieren kann.

Belebte Natur als Vorbild

Oberflächen der Natur lassen erkennen, dass nahezu alle funktionalen ­Strukturen, zum Beispiel Benetzungseigenschaften der Lotus-
Pflanze oder Farbeffekte auf Schmetterlingsflügeln, von komplexen Geometrien in der Größenordnung einiger 100  Nanometer bis wenige Mikrometer abhängen. Wirtschaft­liche Aspekte verhinderten bislang jedoch einen breiten industriellen Einsatz abseits der mehrstufigen Verfahren. Dies zu ändern ist das Ziel der Arbeiten von Dr. Dominik Britz, SurFunction GmbH, und dessen Kollegen, die mittels Direct Laser Interference ­Patterning (DLIP) hochwirksame Oberflächen aus der belebten Natur auf technische Produkte übertragen können.

Diese Technologie besitzt durch ihr einfaches Funktionsprinzip, der Interferenz gepulster Laserstrahlen, den Schlüssel zur Erzeugung von künstlichen, nahezu ­programmierbaren Oberflächen nach dem Vorbild der Natur. Durch Nutzung und stetige Weiterentwicklung dieses Prinzips sowie durch die Ergänzung komplementärer Technologien gelangte die DLIP-Technik nach mehr als zwanzig Jahren Grundlagen- und anwendungsnaher Forschung zur industriellen Reife.

Diese neue Querschnittstechnologie wird unter dem Begriff xDLIP zusammengefasst (­extended DLIP). Wie der Vortragende ausführt, ermöglicht sie die umweltfreundliche und nachhaltige Herstellung von Oberflächen in unterschiedlichsten industriellen Anwendungen: von der Steuerung der Benetzung (superhydrophil bis superhydrophob) über die gezielte Optimierung der Topographie für tribologische sowie elektrische und thermische Eigenschaften bis hin zur Oberflächenaktivierung zur Reinigung und Vorbehandlung für Beschichtungs- und Klebeprozesse. Selbst optische Effekte zur Nutzung als Plagiatschutz können in großen Geschwindigkeiten realisiert werden.

Laser als Multitool für die Oberfläche

Die Bearbeitung lokal begrenzter Bauteilbereiche war bisher der prädestinierte Einsatz des Lasers als Werkzeug für die Oberflächenreinigung und -strukturierung. Neue Herausforderungen bei der Reinigung und eine breitere Verfügbarkeit von Lasern, verbunden mit sinkenden Preisen, eröffnen neue Perspektiven auch für Anwendungen auf großen Flächen. Dr. Jan Hauptmann, Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden, stellte in seinem Vortrag neue Entwicklungen hinsichtlich der Anwendungsmöglichkeiten des Lasers und der Systemtechnik vor. Die Möglichkeiten reichen vom Hochrateabtrag großer Flächen, zum Beispiel beim Antrag von Oxidschichten, von der Einstellung definierter Oberflächeneigenschaften ohne Maskierung bis hin zu mikroskopischen Strukturen, die Perspektiven eröffnen, auf großen Flächen angewendet zu werden. Neue Erkenntnisse aus dem Forschungslabor haben dabei geholfen, der Anwendung in der Industrie Vorschub zu leisten.

 

Unternehmerforum – ­Industrie 4.0 und digitale Vernetzung

Inline-XRF-Badanalytik in der Galvanik

Um beispielsweise die Vorteile einer Zink-­Nickel-Beschichtungen nutzen zu können, muss die Elektrolytzusammensetzung in einem engen Toleranzfenster gehalten werden, wie Jonathan Becker, Helmut Fischer GmbH, in seinen Ausführungen betonte. Daher werden die Zink- und Nickelkonzentrationen der Elektrolyte entweder nasschemisch, mit der Atomabsorptionsspektrometrie (AAS), der ICP-OES (Optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma) oder auch mit der Röntgenfluoreszenzmethode überprüft. In der Regel finden diese Konzentrationsbestimmungen in den Betriebslaboren mehrmals täglich statt. Eine häufigere sowie präzisere Elektrolytkontrolle ist aus prozess­technischen Gründen wünschenswert, scheitert jedoch oftmals an dem dafür notwendigen Zeit- und Personalaufwand für die manuellen Verfahren. Eine Automatisierung ist daher erstrebenswert.

Zwar lassen sich die genannten Messverfahren prinzipiell alle automatisieren, doch bietet sich aufgrund der hohen Salzfracht und Aggressivität der Zink-Nickel-Elektrolyte die Messung mittels Röntgenfluoreszenzverfahren (XRF) besonders für die Automatisierung an; sie kommt im Vergleich zu anderen Verfahren gänzlich ohne Probenvorbereitung aus. Für eine vollständige Automatisierung der XRF-Analytik wird das System mit einer geeigneten Durchflusszelle ausgestattet und so eine hohe Präzision und Langzeitstabilität erzielt. Des Weiteren sind Überlegungen zur Matrixabhängigkeit vorzunehmen. Das Verfahren ist laut Jonathan Becker inzwischen in einigen Unternehmen bis zur 4.0-Praxisanwendung ausgereift.

Grundsätzlich ist die Messung mittels Röntgenfluoreszenz nicht auf Zink-Nickel-Syste­me beschränkt. Sie eignet sich Becker zufolge auch für die unmittelbare Prozessregelung und Überwachung von allen gängigen galvanischen Elektrolyten sowie die daraus entstehenden Abwässer.

RFID-Technologie in der Praxis

Die kleinen und mittelständischen Unternehmen in Europa stehen vor großen Herausforderungen im Zusammenhang mit den aktuellen Krisen, insbesondere zur Erreichung der geplanten Klimaziele, aber auch durch eine weitere Steigerung der Produktionseffizienz. Eine zentrale Rolle spielt dabei nach Ansicht von Fabian Herbst, B+T Oberflächentechnik, die Digitalisierung der Prozesse. Ein Baustein der Digitalisierung stellt die RFID-Technologie (Radio-Frequency Identification) dar.

RFID-Systeme sind inzwischen in der nötigen Robustheit erhältlich, um auch in der ­rauen Umgebung einer galvanischen Fertigung ihren Dienst zuverlässig erfüllen zu können. Sie eignen sich zur Erfassung und ­Verfolgung von Ware, aber auch von Energie, Roh- und Betriebsstoffen, wie im Unternehmen des Vortragenden seit einiger Zeit belegt ist. Dar­über hinaus lässt sie sich zur Erfassung der Arbeitszeiten oder von Bestandteilen einer galvanotechnischen Fertigung wie Arbeitswannen, Trommeln, Gestellen oder Ersatzteilen nutzen. Sie erleichtert dadurch die Logistik im Unternehmen und verschafft den Arbeitskräften erforderliche Freiräume. Die Technologie wirkt außerdem dem Fachkräftemangel in der Produktion entgegen und macht Prozesse flexibler und agiler.

RFID-Systeme unterstützen auch die Nutzung von Wechselwannen (oben) oder von Zubehör wie Trommeln und Gestelle in der galvanischen Fertigung (Bild: F. Herbst)

 

Oberflächentechnik in der ­digitalen Transformation

Die Kernpunkte von Industrie 4.0 lassen sich nach Ansicht von Hans-Ullrich Eckert, Gerweck GmbH Oberflächentechnik, in den Themen digitale Simulation und digitale Vernetzung von Prozessen und Anlagentechnik zusammenfassen. Die Oberflächenbearbeitung steht dabei vor der Herausforderung, aus den vielen Daten, die aufgenommen werden können, die prozessrelevanten Daten zu extrahieren. Auch die Vernetzung von einzelnen Bereichen und der gesamten Lieferkette hat Konsequenzen, die im Vorfeld zu betrachten und zu bewerten sind.

Parameter wie Stromdichte, Spannung, Strom, Expositionszeit, Temperatur, Trommeldrehung oder Bandgeschwindigkeit, ­Volumenströme und Leitwertüberwachung sind nur einige der Parameter, die auf die Oberflächenbeschichtung Einfluss haben und die gemessen und aufgezeichnet werden können. Die Herausforderung besteht weniger in der Messung und Aufzeichnung solcher Datenströme, sondern vielmehr in der Auswertung und Gewichtung dieser Daten beziehungsweise der Abweichungen vom Standard.

Anhand einer modernen Bandbeschichtungsanlage zeigte Eckert die Möglichkeiten der modernen Datentechnik sowie der Auswertung und Nutzung unterschiedlicher Datensammlungen auf. So können zum Beispiel Aufgaben an der Anlage für den Bediener vereinfacht werden und eine innerbetriebliche Vernetzung der unterschiedlichen Kernprozesse vereinfacht den Warenfluss und verringert die Fehlerquote. Die außerbetriebliche Kommunikation beschleunigt den zeitlichen Ablauf der Lieferkette und sorgt für eine optimale Anlagenauslastung in allen Teilprozessen. Allerdings ergibt sich dadurch auch eine Transparenz innerbetrieblicher Abläufe, die nicht immer gewollt ist.

Terminzusagen präziser und ­verlässlicher gestalten

Hohe Termintreue erhöht die Kundenzufriedenheit. Doch aus Wunschterminen, komplexer Terminplanung und umgehender Lieferzusage an Kunden die Balance zu halten, erweist sich im Alltag häufig als äußerst her­ausfordernd, wie Michael Hellmuth von der Softec AG aus seiner langjährigen Erfahrung mit ERP-Systemen bekannt ist. Bei den ersten neuen Aufträgen am Morgen ist die Zusage noch überschaubar, doch die Terminzusagen gestalten sich dynamisch: Mit steigender Anzahl der Aufträge steigt auch die Komplexität.

In Gesprächen mit Galvanikunternehmen wird immer wieder die Frage gestellt, wie sich Termine in der Auftragsbestätigung zusagen lassen. Eine Vielzahl von Aufträgen mit mehrstufigen Fertigungsschritten, unterschiedlichen Terminwünschen, Anlagenkapazitäten und Anlieferterminen führt zu Beschränkungen, die sich schwer überblicken lassen. Zudem erfordert die Dynamik aus neuen Aufträgen und geänderten Kundenwünschen, dass Aufträge mehrmals pro Tag geplant werden müssen. Die Menge der Aufträge und die Vielzahl der Beschränkungen führen dazu, dass eine Automatisierung erfolgen muss, um eine gleichbleibende Qualität der Planung zu erzielen. Die Planung erfordert vom Mitarbeitenden gleichermaßen Kreativität, geschicktes Zeitmanagement und das Abarbeiten von Routinemeldungen an Kunden.

Um die Kunden stets auf dem aktuellen Stand zu halten, kann diese Art der Routinetätigkeit vom ERP-System automatisiert werden. Für die kreative Planung eignet sich bereits heute der Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI). Sowohl für Kunden als auch für Mitarbeitende führen die gewonnene Transparenz und die Planungssicherheit zu einem entspannteren Arbeitsalltag.

Digitale Transformation gestalten

Bedingt durch den voranschreitenden Generationswechsel ist und bleibt Personalmangel eine der schwierigsten ­Herausforderungen der nächsten Jahre – ein Thema, mit dem sich Caroline Genschmer und Frieder Klotz, macio GmbH, befassen. Von den Schulen kommen weniger Auszubildende, Hochschulabsolventen suchen keinen Job an den Anlagen in der Produktion, viele langjährige Produktionsmitarbeiter gehen zeitnah in den Ruhestand. Es gilt, mit weniger Personal den unternehmerischen Erfolg zu sichern. Digitalisierung ist dabei ein unabdingbarer Hebel und auch Automatisierung ist längst nicht mehr wegzudenken.

Doch den einen Weg der digitalen Transformation gibt es nicht, denn selbst bei ähnlicher Ausgangslage und Zielsetzung steht jedes Unternehmen vor eigenen Herausforderungen. Während Digitalisierung und Automatisierung noch vor einigen Jahren Ängste und Unsicherheiten auslösten, sind sie inzwischen unerlässliche Werkzeuge für das Bestehen am Markt. Um sich in einem unsicheren und sich schnell verändernden Umfeld, geprägt von instabilen Lieferketten, hohen Energiekosten und Inflation, durchzusetzen, braucht es eine sichere Struktur im Unternehmen. Anhand von Fallbeispielen zeigten die Vortragenden, welche Ansätze besonders hilfreich sind, um die Auswirkungen des ausgeprägten Personalmangels abzumildern, die Digitalisierung und Automatisierung für die eigenen Herausforderungen zu nutzen und sich frühzeitig auf die anstehenden Veränderungen vorzubereiten.

Fertigungsstrategien durch Monitoring energetischer Betriebskennzahlen

Im Zusammenhang mit den anstehenden Energiefragen, in Bezug auf Art, ­Beschaffung und Kosten der jeweiligen Energiequelle, steht die aktuelle Fertigungsindustrie vor großen Herausforderungen. Edgar Kaufmann, B+T Oberfächentechnik, zeigte anhand eines Praxisbeispiels aus den Arbeitsbereichen Härterei und galvanotechnische Oberflächenbearbeitung auf, wie betriebliche Kennzahlen zum Energieeinsatz die Produktionsabläufe in energieintensiven Prozessen beeinflussen und verändern können und dadurch auch den Energiebedarf reduzieren. Die Grundlage hierfür ist eine Vielzahl von prozessbegleitenden Datenbanken, die mittels SQL-Abfragen Daten extrahieren und zielorientiert darstellen. Durch eine intelligente Verknüpfung können hier Anpassungen des Fertigungsablaufs automatisch oder mittels Alarmierung manuell getätigt werden.

Darüber hinaus ermöglicht die Auswertung der Energiekennzahlen für detaillierte Prozessparameter den optimierten Einsatz der schadensbedingten wie vorbeugenden Instandhaltung. Dies wirkt sich auch positiv auf die Qualitätsperformance aus.

Aus ermittelten Energie- bzw. Produktionskennzahlen werden bei der Auftragsplanung jedem Auftrag über die Stückzahlen, die Oberfläche und das Gewicht die voraussichtlichen Energieverbräuche zugeordnet und daraus kumuliert das Planungstool über alle Produktionsanlagen den zu erwartenden Energieeinsatz (Bild (E. Kaufmann)

 

Produktionsplanung 4.0

Die Basis einer effizienten Produktion ist eine Produktionsplanung, welche die Produktionsstätte vollumfänglich betrachtet. Eine stetig wachsende Komplexität in der Planung, von Sonderanfertigungen mit Losgröße 1 ,bis hin zur Energieoptimierung der Produktion, erhöht die Herausforderungen für die Disposition immens. Der Fertigungsbereich Galvanik als meist zentrale Schlüsselkomponente bildet eine kritische Stelle der Planung. Aus ­einem modernen Leitsystem lassen sich mit Hilfe der gesammelten Daten bereits sehr viele Informationen für eine optimierte Planung extrahieren.

Der Vortrag von Andreas Scholz und Florian Wimmenauer, Aucos AG, zeigte, wie KI-gestützte Planungssysteme, die Hand-in-Hand mit dem Leitsystem der Galvanik zusammen­arbeiten, eine Symbiose mit Disposition, Logistik und Warenwirtschaft eingehen. An Beispielen wurde gezeigt, wie eine zuverlässige Planung erstellt werden kann, die in Echtzeit auf Änderungen und ­unvorhergesehene ­Ereignisse reagiert. In eine solche Planung fließen adaptiv Kriterien wie Durchsatz, Liefertreue und Personaleinsatzplanung ein. Zudem kann das System selbstständig lernen und sich besser auf den individuellen Fertigungsprozess einstellen und damit nicht zur Einsparung von Energie führen.

Nachhaltige, ­klimaneutrale und energiesparende ­Ausrichtung ­einer Galvanikfertigung

Wie Nico Bajorat, WHW Hillebrand, einleitend betonte, kann im Zuge der politisch, ökonomisch und ökologisch vorangetriebenen, nachhaltigen Entwicklungsziele von vielen Branchen, Unternehmen und Wertschöpfungsketten auch die Oberflächentechnik als energieintensive Industrie einen großen Beitrag bei der Herausforderung von nationalen und internationalen Transformationen leisten. Das attraktive Ziel sollte daher eine Minderung des produktspezifischen CO2-Fußab­drucks und eine Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz sein. Konkrete Fragestellungen sind hierbei, wie und mit welchen Strategien und Mitteln diese Transformation innerhalb der Prozesskette der Galvanotechnik gelingen kann. Ebenfalls gilt es zu klären, was Klimaneutralität überhaupt bedeutet und welche Möglichkeiten der Kompensa­tion gegeben sind.

Auf der Basis von konkreten Lebenszyklusanalysen, Energie- und Ökobilanzen (Scope-1,-2,-3) können Maßnahmen abgeleitet werden. Dies berücksichtigt auch die vor- und nachgelagerte Lieferkette. Anschließend kann verifiziert werden, welche Maßnahmen den Energieverbrauch und Ressourceneinsatz minimieren. Hier können unter anderem verfahrenstechnische Optimierungen innerhalb der Prozesskette, der Einsatz von alternativen Energieträgern mit geringeren, spezifischen CO2-Emissionen, Substi­tuenten der Chemie und ein Etablieren der Kreislaufwirtschaft (z.B. Aufbereitungsverfahren, Zero­LiquidDischarge) Lösungsansätze liefern. Um die Maßnahmen bewerten zu können, muss die Bilanz vorher und nachher verglichen werden.

Aus der Sicht eines führenden Unternehmens für innovativen Korrosionsschutz wurden Praxisbespiele für innovative Verfahren und Transformationsprozesse erläutert sowie das Einsparpotenzial in der Produktionskette verdeutlicht. Hierbei zeigt sich, dass ein mehrschichtiges Zusammenspiel von einzelnen Teilbereichen am Ende den Weg in Richtung Klimaneutralität zeigt.

Interim-Management im Fachkräftemangel

Das Thema Fachkräftemangel, mit dem sich Jens Bartsch, taskforce – Management on Demand AG befasst, steht bei vielen Unternehmen bereits seit Jahren auf der Agenda. Wie die Deutsche Industrie- und Handelskammer kürzlich bekannt gab, meldet über die Hälfte (53 %) aller Industrieunternehmen, die an der Umfrage zum DIHK-Fachkräfte­report 2021 teilnahmen, Probleme bei der Personalsuche. Damit entgehen der deutschen Volkswirtschaft nicht nur Milliarden an Wertschöpfungspotenzial, sondern das Thema Stellenbesetzung wird für immer mehr Unternehmen auch zum strategischen Risiko.

Politik, Verbände und Unternehmen versuchen dem gegenzusteuern. Doch die Verbesserung der dualen Ausbildung, der Berufsorientierung, der Vereinbarkeit von Familie und Beruf und vor allem eine kompetenzorientierte Zuwanderungspolitik brauchen viel Zeit. Auch Recruiting-Maßnahmen wie Employer Branding und flexible Vergütungs- und Arbeitszeitmodelle bekämpfen das Problem meist nur punktuell.

Inzwischen betrifft der Personalbedarf zunehmend auch erfolgskritische Managementpositionen in allen Funktionen. Stellen mit einem entsprechend qualifizierten Manager zu besetzen, dauert heute bereits oft sechs bis zwölf Monate. Und zahlreiche Studien zeigen, dass immer weniger junge Menschen bereit sind, Führungs- und Entscheidungsverantwortung zu übernehmen. Abhilfe kann ein temporäres Management schaffen. Interim-Manager sind erfahrene freie Manager, die für einen begrenzten Zeitraum für klar umrissene Aufgaben engagiert werden. Einer stagnierenden Auswahl an Kandidaten für feste Positionen steht nach den Ausführungen des Vortragenden künftig ein wachsendes Angebot an freien Interim-Managern gegenüber.

Umweltrechtliche Genehmigungsverfahren für Oberflächenbehandlungsanlagen

Die Oberflächenbehandlung beinhaltet die Verwendung von Technologien, die grundsätzlich mit Risiken verbunden sind, zum Beispiel die Verwendung von ätzenden, giftigen und entzündlichen Chemikalien. Zudem bestehen Risiken für schwere Unfälle im Sinne der Störfallverordung. Bei der Errichtung und dem Betrieb solcher Anlagen müssen diese Risiken entweder vermieden oder auf ein akzeptables Niveau gesenkt werden, was unter anderem durch umweltgerechte Genehmigungsverfahren belegt werden kann – das Thema von Werner Huppertz, Huppertz Umwelt & Technik. Dazu hat der Gesetzgeber eine Vielzahl von Gesetzen und Verordnungen erlassen und diese Anlagen grundsätzlich unter einen Genehmigungsvorbehalt gestellt.

Gesetzgebung und Genehmigungsverfahren sind in den letzten Jahren zunehmend komplexer geworden. Dies liegt daran, dass bei der Genehmigung einer Anlage zur Oberflächenbehandlung sehr viele Rechtsgebiete berührt werden, wie zum Beispiel Immissionen Luft und Schall, Gewässerschutz, Bodenschutz, Gefahr von schweren Unfällen (Störfälle), Brand- und Arbeitsschutz, Gefahrstoffe oder auch Umweltverträglichkeit (UVP). Allerdings wurden vom Gesetzgeber die Rechtsvorschriften oft unabhängig voneinander erstellt. Eine Abstimmung zwischen den ­Rechtsgebieten fand in vielen Fällen nicht statt. Bei umfangreichen Vorhaben kann dies dazu führen, dass bereits kleine technische Änderungen zu Rückwirkungen auf das Gesamtsystem führen und in manchen Fällen auch eine Genehmigung zum Kippen bringen. Hier führt eine einfache Denkweise Ursache-Wirkung nicht zwangsläufig zu einer Lösung. Werner Huppertz nannte in seinem Vortrag Wechselwirkungen, die bei einem Genehmigungsverfahren auftreten können, und erläuterte anhand von Beispielen und Lösungsansätzen, wie die unterschiedlichen Rechtsgebiete verträglich in einem Genehmigungsantrag dargestellt werden können.

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