Innovation: Zugpferd für die Oberflächenbranche der Zukunft

Bericht zu den ZVO-Oberflächentagen 2024 in Leipzig – Teil 2

Zahlreiche Ansätze zur Optimierung der Fertigungsabläufe in der Oberflächentechnik durch Digitalisierung unterstützen die Unternehmen dabei, Energie und Ressourcen einzusparen, die Bearbeitungszeiten zu verkürzen oder auch die Mitarbeiter zu entlasten. Dabei zeigt es sich, dass einige der Methoden, beispielsweise in der Anlagensteuerung, bereits in der Praxis Einzug gefunden haben. Vor allem die steigenden Anforderungen der Kunden an Oberflächen und Beschichtungen haben dazu geführt, dass auch seit längerem bestehende Verfahren zur Oberflächenbehandlung, zur Rückgewinnung von Wertstoffen oder zur Vereinfachung von Prozessfolgen intensiv untersucht wurden. Daraus ergeben sich Möglichkeiten, Oberflächen und Beschichtungen durch mehr oder weniger starke Modifikation von Prozessmedien gezielt an die Anforderungen der Kunden anpassen zu können. Im Bereich der Hochschulforschung zeigt es sich, dass beispielsweise der Einsatz von ionischen Flüssigkeiten für die Herstellung von neuartigen Schichten von großem Interesse ist. Diese Schichten finden vor allem für die Energiespeicherung, Energieumwandlung in Brennstoffzellen oder die effiziente Herstellung von Energieträgern wie Wasserstoff Anwendung.

Fortsetzung zu WOMag 10/2024

Digitalisierung in der ­Oberflächentechnik

Einsatz moderner KI-­gestützter ­Automatisierungstechnologie

Modernste Steuerungs- und Automatisierungstechnologien werden öfters in Verbindung gebracht mit dem Neubau von hochkomplexen Anlagen. Doch lassen sich häufig aufwändige Neubauten umgehen, indem bestehende Anlagen durch eine Umrüstung auf moderne Technologien eine Leistungssteigerung erfahren, wie Andreas Scholz und Florian Wimmenauer, Aucos AG, in ihren Ausführungen deutlich machten.

Die verschiedenen in der Praxis zu findenden Anlagentypen, von manuell geführt über teilautomatisiert bis hin zu ­vollautomatisiert, weisen unterschiedliche ­Herausforderungen in Bezug auf die Anlagensteuerung aus. Dementsprechend stehen auch unterschiedliche Möglichkeiten zur Verfügung, mit ­moderner Technologie den Ablauf für die galvanotechnische Fertigung zu vereinfachen und den Output einer Anlage zu steigern. Verfahren erlauben es zum Beispiel, bei einer händisch geführten Anlage alle Verfahrensabläufe zentral in der Anlagensteuerung zu speichern sowie jeden einzelnen Prozessschritt zu protokollieren. Mit einer anderen Variante kann ein Auftragsvorrat anhand von verfügbarem Personal, verfügbaren Produktionsmitteln und verfügbarer Anlagenkapazität optimiert werden. Zunehmend interessant ist es, dass sich eine Anlage durch die Mithilfe einer intelligenten Steuerung selbstständig energetisch optimieren und Equipment selbstständig bereit beziehungsweise inaktiv geschaltet werden kann.

Elektrochemische ­Steuerung von Prozessschritten

Mit Hilfe der Potenzial-Transienten-­Methode wurde eine elektrochemische Sensorik zum Echtzeit-Monitoring der Prozessschritte Entfetten, Beizen und Passivieren innerhalb einer Abscheidungslinie für Zink-Nickel-Überzüge auf Stahlteilen entwickelt und deren industrielle Anwendbarkeit evaluiert. Die von Prof. Dr. Guenter Schmitt von der IFINKOR – Institut für Instandhaltung und Korrosionsschutztechnik gGmbH, vorgestellte Sensorik ist dadurch gekennzeichnet, dass das zu behandelnde Bauteil als Elektrode in das jeweilige Prozessmedium bei dessen üblichen Betriebsbedingungen getaucht und von Beginn an der zeitliche Verlauf des elektrochemischen Potenzials der Bauteiloberfläche gegen eine Bezugselektrode gemessen wird.

Der jeweilige Prozessschritt ist beendet, wenn die Steigung der Potenzial/Zeit-Kurve einen Wert nahe Null (dU/dt 0) annimmt und sich ein Potenzialplateau einstellt. Die Zeit, in der das Kriterium (dU/dt 0) erreicht wird, kann zur Steuerung der Taktzeit des jeweiligen Prozessschritts, zur Bewertung der Wirksamkeit des Mediums und im Falle der Prozessschritte Entfetten und Beizen zum Bewerten der Kontaminationsintensität der Bauteil­oberfläche durch Fett oder metallische Deckschichten genutzt werden. Beim Erreichen des Kriteriums (dU/dt 0) stellt sich im alkalischen Entfettungsmedium eine optimale Hydrophilie der Metalloberfläche ein.

In der Beizlösung wird bei diesem Kriterium eine optimale Oberflächenaktivierung erreicht, was durch die Bestimmung der Haftfestigkeit der Zink-Nickel-Schicht belegt wird. In der Passivierung auf Basis von Chrom(III)­verbindungen und Zirkonium wird optimale Korrosionsschutzwirkung erzielt. Die industrielle Anwendbarkeit der Monitoringmethodik wurde am Beispiel der Zink-Nickel-Passivierung gezeigt. Die im internationalen ZIM-Projekt MONACO-PLATE entwickelte Sensorik liefert einen grundlegenden Beitrag zur Digitalisierung von galvanotechnischen Prozessen.

Digitales Elektrolytmanagement

Während Prozesszeiten und -temperaturen in der galvanotechnischen Praxis nach den Erfahrungen von Sebastian Breuckmann, Ditec Dr. S. Kahlich & D. Langer GmbH, vollautomatisiert sind und oft präzise eingehalten werden, kommt es bei der Zusammensetzung von Prozessmedien häufig zu signifikanten Schwankungen, die sich in Qualitäts- und Ressourcenkosten niederschlagen können. Die richtige Elektrolytpflege erfordert in der Regel hochqualifiziertes Personal und teure technische Ausstattung.

Unter Betrachtung der vielfältigen Einflüsse auf Elektrolyte werden aktuell angewandte Methoden sowie ein neuer Lösungsansatz in Betracht gezogen, der ohne größere hardwareseitige Umrüstungen die Elektrolytführung durch das Nutzen von Daten vereinfacht und automatisiert. Im Vordergrund steht dabei das Erzielen eines Mehrwerts für den Anwender. Ein entsprechendes digitales Elek­trolytmanagement kann beispielsweise auch dazu genutzt werden, neue, komplexere Prozesse einzuführen und Schichtmaterialien zu erforschen. Durch die Nutzung des entwickelten digitalen Elektrolytmanagements ergeben sich Optimierungspotenziale und Lösungsansätze, um Kosten einzusparen, eine Qualitätsverbesserung zu erzielen oder Prozess-Know-how nachhaltig zu erreichen.

Digitalisierte ­Galvanotechnik und Datennutzung

Die fortschreitende Digitalisierung, mit der sich Dr. Peter Schwanzer, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, befasst, eröffnet für die Galvanotechnik neue Möglichkeiten, stellt Unternehmen aber auch vor neue Herausforderungen. Für unterschiedliche Unternehmensbereiche ergeben sich verschiedene Anforderungen und Lösungen, es bietet sich Schwanzer zufolge aber durchgehend eine Vielzahl von Chancen zur Effizienz- oder Qualitätssteigerung an.

Daten und Datenverfügbarkeit sind eine Basis der digitalisierten Galvanotechnik, ein Mehrwert ergibt sich aber erst durch deren gezielte Nutzung, wie beispielsweise durch konkrete Datenanalysen oder zukünftig verstärkt auch durch Maschinelles Lernen und KünstIiche Intelligenz. Im Rahmen des vom BMBF geförderten ­Projekts SmARtPlaS wurde am Fraunhofer IPA eine Lerngalvanik für die Entwicklung und Pilot­anwendung von Industrie-4.0-Ansätzen in der Galvanotechnik aufgebaut. Die Forschungs- und Demonstrationsumgebung bildet wichtige Aspekte einer galvanischen Produktion im Kontext von Industrie 4.0 ab und dient als Plattform zur Datenerfassung verschiedenster Prozess- und Produktionsdaten, die dann für eine weitere Nutzung und die Entwicklung von Anwendungen zur Generierung von Mehrwerten zur Verfügung stehen.

Aus bisherigen Arbeiten mit Fokus auf die Produktionstechnik wurden Ansätze zur Digitalisierung der Galvanotechnik für einen effizienteren Anlagenbetrieb erarbeitet. Mit Hilfe der Lerngalvanik zur Datengenerierung wurde die Anwendung von Maschinellem Lernen in der Galvanotechnik in Angriff genommen. Peter Schwanzer stellte im Rahmen seines Vortrags erste positive Ergebnisse und auch aufgetretene Herausforderungen vor.

KI-basierte ­Inlinemessgeräte für die Galvanotechnik

Galvanotechnische Prozesse bieten viel Potenzial, Energie und Ressourcen einzusparen. Essenziell hierfür ist die Erfassung von allen relevanten Prozessparametern. Eine für die Produktionsumgebung geeignete und dabei hinreichend kostengünstige Messtechnik ist allerdings noch nicht verfügbar. Rowena Duckstein, Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, und Marija Rosic TU Braunschweig/Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, stellten die aktuellen Ergebnisse des vom Bundesministerium für ­Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts KI-InGatec vor.

Das Projekt verfolgt den Ansatz, eine KI-basierte messtechnische Systemlösung für die industrielle Galvanotechnik zu entwickeln, mit der eine Vielzahl der für die Digitalisierung von galvanotechnischen Produktionsprozessen relevanten Prozessparameter kostengünstig und in ausreichender Genauigkeit bereitgestellt werden kann. Kernpunkt ist somit der Ersatz eines Großteils der sonst erforderlichen, teuren chemischen Analytik durch eine KI-basierte Datenauswertung. Die geplante Systemlösung soll vollständig als cyber-physisches Produktionssystem integrierbar sein und über die dafür erforderlichen Schnittstellen verfügen.

Lösungsansätze zur ­Digitalisierung in der Galvanik

Wie Arnaud Kropp, Softec GmbH, einführend betonte, stehen Lohnveredler im Rahmen der Digitalisierung vor einer Vielzahl von Möglichkeiten, wie sie ihren Betrieb optimieren können. Welche davon konkret in Frage kommen, ist von Unternehmen zu Unternehmen unterschiedlich, denn Digitalisierung bietet eine große Bandbreite an Lösungs­ansätzen. Ein Einstieg in die Digitalisierung für Betriebe im Bereich der Lohnveredlung kann zum Beispiel mit einem Datenaustausch zwischen Büros und Produktion beginnen. Die Rückmeldung von Betriebsdaten lässt sich auf mehreren Wegen bewerkstelligen: über feste Terminals, per App, RFID oder Anlagen­kopplung.

AR-Einsatz und Weiterentwicklung in der IPA-Lerngalvanik (Bild: Softec)

 

Digitale Anwendungen können beispielsweise eingesetzt werden für die Betriebsdaten­erfassung, die Prüfung technischer Parameter, Lade- und Lagerlisten, die Bauteilerfassung und Verfolgung mit Unterstützung von Fotos bis hin zur AR-App, die mit den unterschiedlichsten Hintergrunddaten die Arbeit der Mitarbeiter unterstützt. Dies wird unter anderem auch dadurch möglich, dass heute eine umfangreiche Verknüpfung der Geräte und Anwendungen mit geeigneten Schnittstellen zur Verfügung steht. Die technische Realisierung und das Potenzial für Weiterentwicklungen der Technologie der Augmented Reality wird unter anderem an einer Lerngalvanik am Fraunhofer IPA demonstriert.

Neue Anforderungen

Lager- und ­Gefahrstoffverwaltung in der Oberflächentechnik

Auch wenn viele unternehmensinterne Prozesse aus den Bereichen Buchhaltung, Bestellwesen, Kunden- und Qualitätsmanagement bereits digitalisiert sind, besteht nach wie vor Bedarf, die Daten möglichst vorteilhaft zu verknüpfen, auszuwerten oder Priorisierungen vorzunehmen. Am Beispiel der Lager- und Gefahrstoffverwaltung eines Oberflächenbetriebs zeigte Fabian Herbst, BAG Analytics GmbH, in seinem Vortrag wie mithilfe eines zentralen, alle Bereiche verknüpfenden Datenmanagements übergreifende Betriebsabläufe weitreichend verbessert und beschleunigt und gleichzeitig Risiken verringert werden.

Moderne Datentechnik bietet eine gute Übersicht über die Gefährdungseinstufung und Lagerung von Gefahrstoffen in der Oberflächentechnik (Bild: F. Herbst)

 

Ein unter seiner Mitarbeit entwickeltes System übernimmt die Überwachung der Chemikalienbestände, beispielsweise im Hinblick auf die Minimal- und Maximalbestände, aber auch im Hinblick auf eine resultierende Kapitalbindung. Dabei wird neben der Gefahrstoffklasse auch der Umweltindex der jeweiligen Chemikalie erfasst und bewertet. Der entscheidende Vorteil der Datenverknüpfung zeigt sich bei der agilen Abfrage der Daten und der Handlungsschnelligkeit im Notfall.

Detektion von ­chromatfreien ­Konversionsbeschichtungen

In der Luftfahrtindustrie werden, wie in anderen Industriebereichen auch, als Ersatz für chrom(VI)haltige Konversionsschichten auf Aluminium neue Produkte auf Basis von Cr(III)/Zr(IV) entwickelt. Die Herausforderung dieser Beschichtung ist laut Tabea Eigenthaler, Airbus Defence and Space GmbH, die Detektion aufgrund der geringen Schichtdicke (etwa 100 nm) und der bläulich irisierenden Färbung; damit ist die häufig angewandte ­visuelle Kontrolle erschwert.

In einer Studie wurde eine Detektionsmethodik für die genannte Herausforderung erarbeitet. Dabei wurde mit Hilfe von etablierten Messverfahren und neuen Methoden anhand verschiedenster Aspekte ein Prüfkonzept erstellt. Nach Möglichkeit soll eine portabel einsetzbare und zerstörungsfreie ­Methode etabliert werden, die für Anwendungen in der Reparatur und Herstellung in Frage kommt. Vorteilhaft für die Detektion sind eine speziell entwickelte Farbsonde, die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) und die Hyper Spectral Imaging (HSI) Methode.

Reale Arbeitswelt durch ­virtuelle Erfahrungen bereichern

Eine verbesserte Einarbeitung in neue Verfahren oder die Bedienung von Maschinen, eine allgemeine Steigerung der Attraktivität von Berufen durch eine intensive und neuartige Nutzung von digitalen Einrichtungen – dies haben sich Daniel Zirngast und Bjarne Zimmer, Virtual Visions oG, zum Ziel gesetzt. Sie wollen Lern- und Erfahrungsprozesse schaffen ohne den Druck einer realen Produktion, etwa durch mögliche Schädigungen von Material und Mensch.

Dabei nutzen sie den Umstand, dass nahezu alle denkbaren Umgebungen – reale oder virtuelle - in Computern erzeugt und durch VR-Brillen für einen Nutzer darstellbar sind. Mit entsprechenden Handgeräten können manuelle Aktivitäten greifbar gemacht werden. Entsprechende Technologien ­können für Schulungen und Trainings genutzt werden, für Gefahrensimulationen, zur Wartung und Reparatur sowie für Marketing und Vertrieb in Form von virtuellen Showrooms. Zu den nennenswerten Vorteilen der Technik zählen Kostenreduktion, Vermeidung von Sprachbarrieren und auch die Nutzung von sicherer Umgebung, also das Vermeiden von Arbeitsunfällen, oder die Optimierung der Abläufe.

Herausforderungen bestehen derzeit noch darin, den Aufwand für große Prozessumgebungen und komplexe Anlagentechnolo­gien zu bewältigen. Ein Beispiel für ein von den Vortragenden maßgeschneidertes Projekt ist die Schulung an einer CNC-Maschine beziehungsweise die Erweiterung der Nutzung einer CNC-Maschine. Reale Schulungen mit einem Zeitaufwand von mehreren Wochen lassen sich durch die Arbeit in der virtuellen Variante auf wenige Stunden reduzieren. Zukünftig werden Fortschritte durch erweiterte Vernetzung sowie durch Mixed Reality und Augmented Reality erzielt werden, um im Endeffekt zu einer angenehmeren Arbeitswelt und erhöhten Produktionseffizienz zu kommen. Diese Technik wird in einem komplexen Arbeitsbereich wie der Oberflächentechnik nicht nur die Effizienz steigern, sondern auch die dringend benötigte Attraktivität des Berufsbereichs.

Dispersionsschichten aus ­Hartsilber und Graphit

Wie Ornella Tchimkap, Umicore Galvanotechnik, einführend betonte, spielen vor allem Steckverbinder für die Übertragung hoher elektrischer Leistungen eine zentrale Rolle in der Elektromobilität, zum Beispiel für das Electric Vehicle Charging. Eine wichtige technisch-wissenschaftliche Frage richtet sich darauf, wie Ladeprozesse sicherer, schneller und nachhaltiger gestaltet werden können. Da Silber die höchste elektrische Leitfähigkeit aller Metalle sowie eine gute Wärmeleitfähigkeit bei vertretbaren Kosten aufweist, wird das Metall in steigendem Umfang für Kontaktbeschichtungen in der Elektromobilität eingesetzt. Aufgrund seiner begrenzten selbstschmierenden Eigenschaften und des schlechten Verschleißverhaltens findet reines Silber aber nur beschränkte Anwendung für Hochleistungskontakte. Alternativ dazu ist eine Vielfalt an Hartsilber, also Silber mit geringen Anteilen an Legierungselementen wie beispielsweise Antimon oder Bismut, sowie Silberüberzügen mit selbstschmierenden Eigenschaften verfügbar. Allerdings haben reine Hartsilberschichten häufig eine schlechte Abriebbeständigkeit und die selbstschmierenden Schichten oft eine schlechte Beständigkeit gegen mechanische/physikalische Bechädigungen.

Verhalten verschiedener Schichtsysteme unter Reibbelastung (Bild: O. Tchimkap)

 

Neue Entwicklungen, wie elektrochemisch abgeschiedene Dispersionsschichten aus Hartsilber und Graphit bieten sich als Weiterentwicklung von Steckverbindern für EV-Charging an. Ein besonderer Fokus liegt auf der Erforschung von neuen Oberflächen mit möglichst geringer Alterung, was mit Hartsilberschichten mit einer guten Abriebbeständigkeit möglich wäre. Solche Schichten wurden jedoch bisher kaum unter Praxisbedingungen untersucht.

Wie Ornella Tchimkap ausführte, wurden Elektrolyte entwickelt zur Abscheidung von Dispersionsschichten mit höherer Härte und besserer Abriebbeständigkeit. Gute Ergebnisse wurden dabei erzielt mit cyanidhaltigen Hartsilberelektrolyten mit eingelagerten Graphitteilchen. Es zeigt sich, dass durch Variation der Prozessparameter verschiedene Härtewerte zwischen etwa 130 HV und 180 HV erzielt werden, mit denen Kontaktwiderstände von etwa 10 mW bei geringen Druckkräften und etwa 4 mW bei höheren Drucken gemessen werden. Deutlichen Einfluss haben hier Temperatureinwirkungen von bis zu 180 °C, welche die Härte der Schichten etwas reduzieren.

Im Hinblick auf die Anwendung sollten die Schichten einerseits während der Steckzyklen nur wenig abgerieben werden und andererseits durch die hohe Härte auch gegen mechanische Belastungen beständig sein. Dafür sollten sie Reibwerte im Bereich von 0,2 bis 0,4 sowie eine Härte von mindestens 120 HV erreichen, was mit den entwickelten Systemen realisierbar wird. Aktuell wird daran gearbeitet, die Lebensdauer unter Einfluss der Kontaktkraft und der Reibzyklen weiter zu erhöhen.

Ressourcensparende ­Optimierung von Prozessen

Kayla Johnson, fem Forschungsinstitut Edelmetalle und Metallchemie, befasste sich mit Simulationen von galvanischen Produktionsprozessen zur ressourcensparenden Optimierung unter Einsatz der Software COMSOL Multiphysics®, wie sie beispielsweise für die Galvanoformung zum Einsatz kommen kann. Für derartige Simulationen ist die Software mit einen sogenannten Elektrochemiemodul ausgestattet.

Diese Software nutzt ein physikbasiertes System für eine Finite Elemente Analyse (FEA), wobei alle Raumdimensionen betrachtet werden können. Somit lässt sich der Einfluss der Parameter Zellgeometrie, Elektrodenreaktionskinetik, Betriebsspannung/-strom, Temperatur sowie die Elektrolytzusammensetzung untersuchen. Von Kayla Johnson wurden dabei Details zur Galvanoformung in Zusammenarbeit mit einem ­Lohnbeschichter optimiert. Für die Simulation wurden vergleichbare Bauteile wie sie in der Praxis zum Einsatz kommen, mit Gold, Kupfer und ­Nickel beschichtet. Ergänzt wurde die Simulation durch ein Kamerasystem zur Erfassung der Beladungszustände von Galvanogestellen. Dadurch konnten auch die Abstände der Bauteile zu den Anoden in die Berechnungen einbezogen werden. Mit dieser Vorgehensweise lassen sich beispielsweise die Schichtdicken in Abhängigkeit von der Gestellbestückung auf den einzelnen Bauteilen durch Simulation bestimmen. Die Software gibt in der Praxis die ermittelten Werte an den Anlagenbetreuer, der dann über den weiteren Umgang mit den beschichteten Bauteilen entscheidet.

In einem weiteren Projekt wurden Kupfer-Zinn-Abscheidungen auf realen Bauteilen simuliert und mit realen Abscheidungen verglichen. Durch den Einsatz von Blenden konnte in dieser Untersuchung die Anforderung einer bestimmten Schichtverteilung im Hinblick auf Dicke und Zusammensetzung erfüllte werden. Herausforderungen ergeben sich vor allem durch die hydrodynamischen Verhaltensweisen der Elektrolyte, also deren Strömungsverläufe. Die erzielten Optimierungen führen nach Aussage von Johnson zur Verbesserung der Beschichtungsqualität und Einsparungen bei den Prozesskosten.

Plasmapolieren bei AMD-Teilen

Bei additiv gefertigten Metallteilen spielt für deren Einsatz eine Einebnung der Mikrooberfläche eine wichtige Rolle. Matthias Kroll, Plasotec GmbH, gab in seinem Vortrag einen Einblick in die Möglichkeiten zum Entgraten, Polieren und Reinigen derartiger Teile durch elektrolytisches Plasmapolieren. Wie er einleitend betonte, lassen sich die Bearbeitungstechnologien Entgraten, Reinigen, Polieren mit einem Verfahren erreichen. Die Technik wurde in die Praxis eingeführt aus einem ZIM-Projekt 2000 auf Basis von Entwicklungen im militärischen Bereich. Eingesetzt wird das Verfahren beispielsweise für nichtrostende Stähle, Kobalt- und Nickelbasislegierungen, Kupferlegierungen oder Aluminium und Titan, also für eine breite Auswahl an häufig eingesetzten metallischen Werkstoffen.

Beispiele für Polierergebnisse an Schweißnähten beim Werkstoff 1.4301, der sowohl eine Einebnung als auch eine Entfernung von Anlauffarben erfährt (Bild: M. Kroll)

 

Die zu bearbeitenden Teile werden anodisch in einem Elektrolyten bei Spannungen von etwa 320 V und Stromdichten von etwa 15 A/dm2 bis 20 A/dm2 bearbeitet. Beim Elektrolyt handelt es sich um eine wässrige Lösung mit Salzgehalten von etwa 5 %. Die Ein­ebnung erfolgt dadurch, dass der Strom im ersten Schritt über die Mikrospitzen der ­Metalloberflächen ein Plasma erzeugt. Dieses führt zur Einebnung der ­Mikrostruktur. Gleichzeitig wird die Oberfläche gereinigt. Insgesamt wird bei diesem Prozess nur geringfügig Material abgetragen. Vorteil der Technik ist, dass der Abtrag nach dem Erreichen einer Einebnung der Mikrostruktur der Oberfläche zum Erliegen kommt.

Die erzeugten Oberflächen verändern ihr ­Benetzungsverhalten ebenso wie ihr Korrosionsverhalten in positive Richtung. Zu den Vorteilen der Technologie zählt zudem, dass auch komplex geformte Bauteile optimal geglättet werden. Damit eignet sich die Bearbeitungsmethode sehr gut für additiv gefertigte Bauteile. Hierbei werden Partien der Oberfläche mit minimaler Anbindung an das Substrat entfernt und damit die Oberfläche eingeebnet. Mit großem Erfolg wird das Verfahren laut Kroll zum Beispiel für Teile der Medizintechnik eingesetz, die in das Körpergewebe einwachsen müssen.

Machbarkeitsstudie zur ­Messung der Stoffeinträge und ­Mikroverunreinigungen

Am Beispiel der galvanischen Abscheidung von Nickel- und Zink-Nickel-­Schichten befasste sich Roland Ratschiller, Electroless Technology AG, mit der Messung von Stoff­einträgen in Gewässer beziehungsweise mit Mikroverunreinigungen aus dem Bereich der Oberflächentechnik. Zu dieser ­Thematik wurde eine Machbarkeitsstudie in Zusammen­arbeit mit Betrieben in der Schweiz durchgeführt. Ziel der Arbeiten ist es, die Belastung von Gewässern mit ­Mikroverunreinigungen, auch bekannt als Mikroschadstoffe oder Spurenschadstoffe, zu reduzieren. Mobile und schwer abbaubare Verunreinigungen können sich in Gewässer aufsummieren, über ­daraus resultierende Wirkungen ist bislang wenig bekannt.

Durch fehlende systematische Untersuchungen bei abwasserrelevanten Branchen zu den verwendeten Stoffarten und deren ­Einleitung bestehen große Wissenslücken, sowohl auf Seiten der Verwender als auch auf Seiten der Behörden. Der Schweizer Bundesrat hat Maßnahmen zur Reduktion von Mikroverunreinigungen in Gewässern verordnet, wobei die Metalloberflächenbehandlung beziehungsweise die Galvanotechnik als relevante Branche eingestuft wurde und somit im Fokus von umfangreichen Untersuchungen steht.

Die Informationen zu Inhaltsstoffen in Sicher­heitsdatenblättern sind Ratschiller ­zufolge oft unvollständig, da keine ­vollumfängliche Deklarationspflicht besteht. Daher ist es den sie verwendenden Galvanikbetrieben nicht möglich, eine Aussage zur Gesamtheit der Stoffe zu treffen, die abwassertechnisch behandelt werden.

Am Beispiel von Nickel- und Zink-Nickel wird der Weg einzelner Substanzen, von der Galvanik hin zur kommunalen Kläranlage und der Einleitung in Oberflächengewässer, simuliert. Hierzu werden einzelne Prozessschritte isoliert betrachtet und labortechnisch nachgestellt. Die biologische Reinigungsstufe wird mit einem alternativen inhärenten Abbautest nachgeahmt. Mit Hilfe von Spurenanalytik werden Einzelstoffe vor, während und nach den Behandlungen erfasst, mit dem Ziel, eine qualitative und quantitative Aussage über einen tendenziellen Verbleib von stoffspezifischen Mikroverunreinigungen in Gewässern tätigen zu können.

Die Untersuchungen zeigen, dass zwar die enthaltenen Metalle weitgehend aus dem Abwasser entfernt werden können. Im Gegensatz dazu gelangen organische Bestandteile der Elektrolyten in mehr oder weniger großer Menge mit dem abgegebenen Wasser in die Umgebung. Je nach verwendetem Stoff sind diese dann über längere Zeiträume auch in höheren Konzentrationen in Wasser zu finden. Daraus erwächst die Notwendigkeit, die notwendigen Elektrolytzusätze zukünftig auf eine bessere Abbaubarkeit hin zu optimieren.

Rückgewinnung und ­Abscheidung von Edelmetallen

Die Substitution von giftigen Chemikalien wie Cyanid und Thioharnstoff durch weniger gefährliche Substanzen ist ein relevantes Thema bei der Abscheidung von Edelmetallen wie Gold und Silber. Ein weiterer Aspekt ist das Recycling von Edelmetallen aus Elektronikschrott und Abfällen aus Elektrolyten. Literaturangaben zufolge lassen sich beispielsweise Palladium aus Atommüll extrahieren und Gold und Platin selektiv zurückgewinnen.

Von Lúcia Nascimento, TU Ilmenau, durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, dass Goldlegierungen in ionischen Flüssigkeiten elektropoliert werden können. Dies geschieht unter Bildung organometallischer Komplexe, die sich aufbereiten lassen. Mit einfachen chemischen und elektrochemischen Experimenten an Graphit, Edelstahl und Kupfer konnte die Rückgewinnung von Gold aus einen Elektropoliturbad als Schichten und Partikel erreicht werden. Tests mit Beschichtung auf Kupfer wurden auch durchgeführt. Daraus hat die Vortragende einen neuen Ansatz für die Herstellung von Edelmetallschichten wie Hartgold unter Zugrundelegung von neuartigen Recyclingkonzepten vorgestellt.

Funktionalisierung von Oberflächen

Ausgehend von der Automobilindustrie sollen kathodisch schützende ­Schichten auf Stählen neben einem immer höheren Korrosionsschutz weitere Anforderungen im Hinblick auf Farbe, Adhäsion oder mechanische Eigenschaften erfüllen. Dabei ist zu bedenken, dass kathodischer Korrosionsschutz in der Regel durch ein Mehrschichtsystem gewährleistet wird, dessen Einzelschichten gut aufeinander abgestimmt sein müssen, um die Anforderungen an das Gesamtsystem erfüllen zu können. Dr. Christine Rohr,(SurTec International, befasste sich in ihrem Vortrag intensiv damit, wie Einzelschichten die Anforderungen (teil-)erfüllen können, welche Anforderungen gestellt werden und was beachtet werden sollte, damit das Gesamtsystem auch herausragende Anforderungen an zum Beispiel Radschrauben oder Sicherungsschrauben erfüllen kann.

Gleichmäßige Reibungszahlen mit kleinen Streuungen werden am besten durch eine Nachschmierung erreicht, die beispielsweise in die Versiegelung integriert werden kann (Bild: Dr. Rohr)

 

Für Schrauben spielt die Reibung an den relevanten Flächen (vor allem im Kopfbereich) eine entscheidende Rolle, um die notwendige Klemmkraft zu erreichen. Je nach Beschichtungsverfahren wird die Reibung über die Schichtkombination aus Metall und Passivierung/Versiegelung erreicht oder durch eine zusätzlich aufgebrachte Schmierung. ­Sicherungsschrauben werden so ausgestattet, dass eine Verklebung zwischen Schraube und Bauteil die erforderliche Sicherung gegen unbeabsichtigtes Lösen verhindert. Die Vortragende zeigte auf, dass eine optimale Sicherung dann gegeben ist, wenn im Belastungsfall der Bruch im Klebstoff erfolgt und keine Ablösung der Passivierung auf der Zink-Nickel-Beschichtung stattfindet. Ähnlich verhält es sich mit aufgebrachten Gummierungen. Auch hier ist eine möglichst hohe Haftung der Passivierung auf der Metallschicht für ein gut funktionierendes Gesamtsystem unerlässlich.

Junge Kollegen – ­Ergebnisse aus der Forschung

Galvanisch abgeschiedene Kalzium-Batterie-Anoden

Im Hinblick auf die Weiterentwicklung klassischer Akkumulatoren auf Lithiumionenbasis rücken neuartige Anoden in den Vorder­grund, mit deren Entwicklung sich unter anderem Christoph Kiesl, fem Forschungsinstitut Edelmetalle und Metallchemie, befasst. Eine reduzierte Materialabhängigkeit, höhere Energiedichte, geringere Kosten und eine bessere Umweltverträglichkeit sind die Gründe für intensive Bemühungen nach Post-Lithiumbatterien. Als vielversprechender Ansatz stellt sich insbesondere das Konzept der multivalenten Batterie in Kombination mit metallischen Anoden dar.

Der Vortragende befasst sich in seinen Arbeiten mit der Herstellung von metallischen Kalziumanoden durch elektrochemische Abscheidung. Diese weisen im Vergleich zu konventionellen Verfahren der Anodenherstellung insbesondere im Bereich der kritischen Anodendicke Vorteile auf. Damit die Technologie in der Praxis angewandt werden kann, werden die zugrundeliegenden Wachstumsmechanismen der Elektrokristallisation von Kalzium aus nichtwässrigen Elektrolytsystemen detailliert untersucht.

Nanostrukturiertes ­Zinnoxid als Elektrodenmaterial

Wie Dr. Mathias Weiser, Fraunhofer-­Institut für Keramische Technologien und ­Systeme IKTS, einführend betonte, spielen elektrochemische Technologien bisher für die Herstellung von typischen Elektrodenmaterialien für Energiespeicher wie Lithiumionen­batterien keine Rolle. Dabei können eine Reihe von Materialien (z. B. Zinn, Zinkoxid, Antimon) elektrochemisch appliziert, strukturiert und modifiziert werden. Im Rahmen des öffentlich geförderten Projekts Elektrochemische Herstellung nanostrukturierter Zinnoxidelektroden für Energiespeicher wurde die Oxidation von galvanisch hergestellten Zinnschichten zur Erzeugung von nanoporösen Zinnoxidschichten untersucht.

Struktur der Zinnoxidschicht mit einer Ausgangsdicke von 5 µm, abgeschieden aus einem kommerziellen Zinnelektrolyten, auf Kupfer (Bild: M. Weiser)

 

Für die Anwendung in einer Lithiumionen­batterie zeigt Zinnoxid hohe spezifische Kapazitäten, dessen Nutzung jedoch eine Nanostrukturierung erforderlich macht. Ohne Nanostrukturierung ist die Stabilität ­dieses Materials auf wenige Zyklen begrenzt. Die Volumenänderung bei der Lithiierung des Oxids führt zur raschen Degradation. Hier zeigt sich in Halbzellenexperimenten eine deutlich höhere Langzeitstabilität und Schnelllade­fähigkeit für nanoporöses Zinnoxid.

Als aussichtsreich hat sich in den durchgeführten Untersuchungen zur Herstellung von Zinnoxid die Kombination von zwei klassischen elektrochemischen Verfahren gezeigt: die galvanische Abscheidung von dünnen Zinnschichten und die elektrolytische Oxidation dieser Schichten. Die erhaltenen Oxidschichten wurden materialdiagnostisch und ergänzend elektrochemisch in Halbzellen untersucht. Auf Basis der Ergebnisse werden technisch relevante Prozess-Struktur-Eigen­schaftsbeziehungen abgeleitet. So haben die Untersuchungen unter anderem gezeigt, dass die für die Anwendung hilfreiche Poren­struktur der Elektroden von der Kornorien­tierung abhängig ist, also die Abscheideparameter einen wichtigen Einfluss auf die Elektrodeneigenschaften haben. Die Porendurchmesser der hergestellten Elektroden liegen in der Größenordnung von 30 nm bis 40 nm. Des Weiteren zeigte es sich, dass die Mikro- und Makrostruktur der Anoden bei der Belastung im Anwendungsfall erhalten bleiben.

Pulsabscheidung von IrRu-Partikeln auf Titan

Die effiziente Erzeugung von Wasserstoff als Energiespeicher wird eine wichtige Rolle bei der Transformation des Energiesektors einnehmen. Die Verfahren von PEM-Elektrolyseuren mit sauren Elektrolyten zeigen Vorteile aufgrund hoher Stromdichten und einem diskontinuierlichen Betrieb. Die Herausforderungen bei der breiteren Markteinführung liegen bei der Entwicklung von geeigneten Anoden, mit der sich Dr. Johannes Näther, Hochschule Mittweida, befasst.

Eine derartige Anode muss vor allem eine bessere Reaktionskinetik für die ­Reaktion der Sauerstoffentwicklung liefern. Dies soll durch die Verwendung von Edelmetallkata­lysatoren mit hoher Aktivität für die Sauer­stoffreaktion wie Iridium oder Ruthenium erzielt werden. Neben den katalytischen ­Eigenschaften ist aber auch die Korrosionsbeständigkeit der verwendeten Materialien entscheidend für die Langlebigkeit der Elektrolyseure. ­Saure Prozessmedien und die hohen anodischen Potenziale machen den Einsatz von Edelmetallen zwingend erforderlich. Eine weitere Forderung bei der Verwendung der Edelmetalle an der Anode liegt in der Verbesserung der Verteilung und die Verringerung der Partikelgröße. Die Verteilung der Katalysatorpartikel auf den Oberflächen ist nach den Ausführungen des Vortragenden der Schlüsselfaktor, um eine geringere Elektrodenbelastung ohne Leistungseinbußen zu erreichen; dies soll durch die Abscheidung von nanoskaligen Iridiumpartikeln mittels Puls-Plating erreicht werden.

Für die Langzeitstabilität spielt die Korro­sionsbeständigkeit eine entscheidende Rolle bei der Bewertung des Elektrodenaufbaus. Als Alternative zu ­Edelmetallbeschichtungen (mit Platin oder Gold) soll die Hydrierung der Titankörper vor der Beladung mit Katalysa­torpartikeln erfolgen. Die Bildung von Titan­hydriden hat neben Kosteneinsparungen auch technische Vorteile. Die Hydride sind ausgezeichnete Elektronenleiter, sodass die Leitfähigkeit erhalten bleibt. Im ­anschließenden Prozessschritt können die reduzierenden Eigenschaften für die elektrochemische Immobilisierung der Katalysatorpartikel genutzt werden.

Elektrochemische Politur ­additiv hergestellter Strukturen

Für medizinische Implantate sind die Oberflächeneigenschaften bedeutend, um zum Beispiel Schädigungen am umliegenden Gewebe zu vermeiden. Besonders ­entscheidend ist dies für Hochrisikoimplantate, wie zum Beispiel ­Gefäßstützen (Stents). Bei der Herstellung von Implantaten aus metallischen Werkstoffen wird zunehmend das Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Verfahren eingesetzt. LPBF-Strukturen weisen jedoch aufgrund der an der Oberfläche haftenden Metallpartikel eine hohe Oberflächenrauheit auf. Lukas Esper von der TU Ilmenau untersuchte daher bei seinen Arbeiten den Einfluss des Elektropolierens auf die Oberfläche dieser mittels LPBF hergestellter Strukturen.

Elektrochemisches Polieren ist eine Methode zur Beseitigung von Oberflächenrauheiten durch Glätten von Mikrospitzen und -tälern. Zur Untersuchung des Mechanismus des Elektropolierens an additiv gefertigten Strukturen aus Edelstahl 316L wurden verschiedene Oberflächen mittels Drei-Elektroden-Anordnung und Hullzellen-Experimenten hinsichtlich Morphologie und Rauheit charakterisiert. Die Oberflächen wurden nach mehreren Zeitschritten unter Anwendung unterschiedlicher Ströme analysiert und die Veränderung der Oberfläche wurde bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass nicht nur die Partikel auf der Oberfläche entfernt werden konnten, sondern die Oberfläche auch eingeebnet wurde, was sich in Ra-Werten von < 0,5 µm bei einem Ausgangswert von über 5,0 µm widerspiegelt. Basierend auf den Ergebnissen ist es möglich, Prozessgrenzen zu definieren und die Oberflächenrauheit von additiv hergestellten Strukturen in Abhängigkeit der pro Fläche fließenden Ladungs­menge gezielt einzustellen.

Korrosion von NiP-Bor-­Dispersionsschichten

Nurul Amanina Binti Omar, Hochschule Mittweida, hat in ihrer Arbeit drei Prüfverfahren für die Korrosionsbeständigkeit von Dispersionsschichten auf Basis von Nickel-Phosphor verglichen. Wie sich zeigte, könnte das Schichtsystem NiP-B eine Alternative für Hartchrom sein; betrachtet wurden neben der Korrosionsbeständigkeit auch die Kosten. Zum Einsatz kommen könnte die Beschichtung bei Spritzwerkzeugen.

Zu den Besonderheiten der hergestellten Schichten zählt, das Bor hierbei als Partikel zugegeben und durch Tempern mit Nickel-Phosphor zur Reaktion gebracht wird, wobei sich neue Phasen bilden. Zur Bestimmung der Korrosionsbeständigkeit wurden die potentiodynamische Polarisation sowie die Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) eingesetzt ,die in wenigen Stunden aussagekräftige Ergebnisse liefern; daneben wurde zum besseren Vergleich der Ergebnisse der klassische Korrosionstest NSS (neutraler Salzsprühtest) als Standardverfahren herangezogen. Als Kennwert bei der potentiodynamischen Polarisation wird der Polarisationswiderstand genutzt, bei EIS ist es der Wechselstromwiderstand in Abhängigkeit von der Impedanz. Der NSS wird den Bestimmungen der Norm DIN EN ISO 9227 gemäß durchgeführt.

Bei den hergestellten ­Beschichtungsproben zeigt es sich, dass eine ­Wärmebehandlung die Korrosionsbeständigkeit verbessert. Morphologische Betrachtungen lassen ­erkennen, dass durch Bor die Oberfläche eine hohe Porenzahl aufweist, zurückzuführend auf nicht fest haftende Borpartikel, die zum Ende der Beschichtung ausgewaschen werden. Die besten Ergebnisse werden bei einer Wärme­behandlung von 400 °C erzielt. Als problematisch muss die starke Lokalisierung der elektrochemischen Messung auf der Proben­oberfläche betrachtet werden, da sich unterschiedlichen Flächen deutlich unterschiedlich verhalten können. Der neutrale Salzsprühtest, wie er seit vielen Jahren als Standardprüfung für die Beständigkeit von Bauteilen und Beschichtungen eingesetzt wird, berücksichtigt dagegen eine große Fläche und ermöglicht somit eine integrale Bewertung einer Bauteiloberfläche. Deshalb empfiehlt sich bei der Betrachtung von Korro­sionseigenschaften ein Feldtest, um Ergebnisse aufgrund realer Bedingungen zu erhalten.

Einfluss von Herstelldaten auf die ­Eigenschaften von Aluminiumoxid

Lea Breu, Bosch Manufacturing Solutions, befasst sich mit dem Einfluss der Stromstärke und Prozesszeit auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften einer Aluminiumoxidschicht auf Al6061. Dieser Werkstoff besitzt großes Potential für den Einsatz in der Elektromobilität, unter anderem auch aufgrund der Resistenz gegen Wasserstoffversprödung sowie der Korrosionsbeständigkeit. Für Bauteile wie spezielle Ventile wird darüber hinaus gefordert, die Schicht partiell aufzubringen.

Die Legierung Al6061 wird mit Oxalsäure anodisiert, wobei der Fokus auf einer konstanten Schichtdicke liegt. Die Schicht selbst besteht aus einer geschlossenen Barriereschicht sowie einer darüber liegenden porösen Deckschicht. REM-Aufnahmen lassen erkennen, dass Porenverteilung und ­Porenstrukturen sehr ungleichmäßig sein können. Je höher die Stromdichte beim Anodisieren, um so stärker nähert sich die Struktur der idealen an. ­Geringe Unterschiede sind bei unterschiedlichen Ladungsmengen bei gleicher Stromdichte beim Anodisieren zu erkennen. Die Korrosionsbeständigkeit ist unterschiedlich bei unterschiedlichen Anodisierstromdichten.

Aktuell wird als weiteres Charakteristikum der Beschichtung an der Bestimmung der Wasserstoffpermation gearbeitet, was allerdings einen hohen Aufwand für die Präparation erfordert.

Oxidschichten für das ­Aufdrucken von Kunststoff

Die Kombination von Aluminium und Kunststoff basiert auf dem Wunsch, Metall und Kunststoff für den Fahrzeugbau zu kombinieren. Gegenüber den klassischen Verbindungsverfahren wird zunehmend auf additive Fertigungsverfahren zurückgegriffen, da diese Techniken aufgrund günstigerer Werkzeugkosten und der Möglichkeit, ­kleinere Stückzahlen fertigen zu können, Vorteile besitzt. Um Anforderungen wie Haftung, Korrosions- und Verschleißbeständigkeit erfüllen zu können, wird auf die Möglichkeit der Anodisation von Aluminium zurückgegriffen. Lukas Böttger, TU Chemnitz, stellte sich hierbei die Frage, inwieweit die Porenstruktur der Aluminiumschichten Einfluss auf die notwendigen Anforderungen hat und ob diese überhaupt erforderlich ist. Durchgeführt wurden die Versuche zur Werkstoffkombination mit idealisierten Kombinationen aus Aluminium­oberfläche und aufgedruckten Kunststoffwürfeln.

Bei den Versuchen zeigte es sich, dass die Aufweitung der Porenstruktur der Aluminiumoxidschicht bis zu einem gewissen Grad zu einer Verbesserung der Haftfestigkeit zwischen Kunststoff und Aluminium führt. Bei größerer Aufweitung wird aber sehr wahrscheinlich die Schicht geschädigt und damit die Haftung reduziert. Die Verklammerung zwischen Kunststoff und Aluminiumoxid wurde an REM-Untersuchungen aufgezeigt. Hierbei lässt sich auch nachweisen, dass die Durchmesser der Poren einen Maximalwert für die Haftfestigkeit zwischen Aluminium und Kunststoff besitzen.

Nickel-Rhenium-Abscheidung

Scott Dombrowe von der Hochschule Mittweida befasst sich mit der Entwicklung eines wässri­gen Elektrolyten zur galvanischen Abscheidung von Nickel-Rhenium und den Einflüssen auf die entstehende Legierung. Vorgesehen ist der Einsatz zur Füllung von LIGA-Strukturen sowie für medizinische Anwendungen. (LIGA steht für die Verfahrensschritte Lithographie, Galvanik und Abformung.) Nickel-Rhenium dient in der Medi­zin als röntgenabsorbierendes Material bei der Herstellung von Röntgenbildern. Die dafür benötigten Metallgitter lassen sich als LIGA-Strukturen entwickeln.

In der Praxis handelt es sich um ­Stegbreiten von etwa 5 µm bei Höhen von bis zu 200 µm, also einem anspruchsvollen Aspektverhältnis. Mit diesen Geometrien wird ein deutlich höhe­rer Kontrast des Röntgenbildes erzielt. Dadurch kann auch Weichgewebe bei Lebewesen erkennbar gemacht werden. Bisher wird zur Herstellung derartiger Gitter Gold aus cyanidischen Elektrolyten verwendet, die zukünftig nur noch beschränkt eingesetzt werden sollten.

Wässrige Rheniumelektrolyte zeigen zunächst sehr schlechte Stromausbeuten, die durch Zugabe von Nickel zum Elektrolyten deutlich erhöht werden. Das System weist jedoch schwankende Stromausbeuten je nach Zusammensetzung des Elektrolyten (Ni:Rh) und Stromdichte auf.

Als Basisansatz für Elektrolyte mit besseren Eigenschaften wurde eine Zusammensetzung nach Watts gewählt. Damit hohe Rheniumgehalte der Schicht erreicht werden, musste der Elektrolyt deutlich modifiziert werden. Weitere Bestandteile des Elektrolyten sind Ammonium und Citrat, die Einfluss auf die Zusammensetzung der Schicht haben, ebenso wie der gewählte pH-Wert. Nach Optimierung der verschiedenen Einflussgrößen lassen sich Rheniumanteile von bis zu 70 Atom% abscheiden. Anfänglich lag die Stromausbeute bei unter 40 %, die durch eine Modifikation des Abscheidesysteme auf mehr als 50 % gesteigert werden konnte. Die Verteilung der Zusammensetzung der Legierung ist hierbei sehr gleichmäßig. Aktuell wird daran gearbeitet, die Lebensdauer des Elek­trolyten zu verbessern sowie das Aspektverhältnis zu erhöhen.

Modellierung und Simulation der galvanischen Abscheidung

Am Beispiel eines sauren Kupferelektrolyten befasst sich Stephan Daniel Schwöbel, TU Chemnitz, mit der Parameterberechnung für die Modellierung und Simulation der galvanischen Metallabscheidung. Mit den Untersuchungen sollen Vorhersagen bei der galvanischen Abscheidung im Hinblick auf die Schichtdickenverteilung, die Zusammensetzung von Legierungen oder die Vorhersage der Wirkungsgrade ermöglicht werden.

Im Vordergrund des Vortrags standen die Modellparameter für die primäre und sekundäre Stromdichte, umgesetzt mit dem Simulationsprogramm COMSOL. Dabei ist nach den Erfahrungen des Vortragenden erkennbar, dass die Methoden der Simulation vermehrt in der Praxis zum Einsatz kommen. Durch die Simulationen sollen ­beispielsweise sonst erforderliche aufwändige Versuchs­reihen verkleinert und vereinfacht ­werden. Herausforderungen bestehen vor allem aufgrund des hohen Grades an ­Komplexität im Hinblick auf die wirksamen Parameter bei der galvanischen Abscheidung oder aufgrund fehlender Kennwerte zur galvanischen Metallabscheidung.

Lösungsansätze ergeben sich durch Erweiterung der Modelle oder die Verbesserung der Parameter durch Rückrechnung aus der Praxis. Umfangreiche Ausweitungen der Arbeiten bei dieser Simulation treten durch Transportprozesse in den Lösungen auf. Im Falle der Galvanik bietet sich eine Rückrechnung aus den abgeschiedenen Massen an, an Stelle der tatsächlichen elektrischen Felder. Hierbei ist es von Vorteil, Systeme mit geringstem Anteil an Wasserstoffentwicklung zu nutzen. Ansonsten ist es essentiell, den Anteil der Wasserstoffentwicklung korrekt zu berücksichtigen.

Bei den Arbeiten wurde Kupfer auf Baustahl aus einem sauren Elektrolyten abgeschieden, anschließend wurden die Stahlteile vermessen. Hierbei kann die Betrachtung auf das elektrische Feld eingeschränkt werden, da der Konzentrationsgradient gegen Null geht und der Prozess statisch ist. Durch die Festlegung bestimmter Randdaten und Annahmen wird es möglich, die erforderlichen Felder bestimmen zu können. Für die Rückrechnung wurde mit dem Modell der Haring-Blum-Zelle gearbeitet. Mit den ­getroffenen ­Annahmen und den bestimmten Werten kann gezeigt werden, dass die Simulation aus den Trainingsdaten zu den korrekten Endwerten führt. Anhand des erarbeiteten Systems zeigte Schwöbel, dass das Modell die Realität korrekt abbildet.

Innere Spannungen in Nickelschichten

Jonas Rehbein, TU Ilmenau, untersuchte, wie innere Spannungen in Nickelschichten durch die Wahl des Anodenmaterials und die Elektrolytzusammensetzung beeinflusst werden. Darüber hinaus betrachtete er die Möglichkeiten, die Spannungen insitu zu messen.

Ziel der Arbeiten ist es, zu klären, ob hochreines Nickel als Anodenmaterial ­einsetzbar ist, da bisher Anodennickel Schwefel ­enthält und dieser den bisher akzeptierten Annahmen zufolge zu inneren Spannungen in abge­schiedenen Nickelschichten führt. Berücksichtigt wurden außerdem die eingesetzten Netzmittel sowie der Verarbeitungszustand der Nickelanoden. Durchgeführt wurden die Untersuchungen mit einem Nickelsulfamat­elektrolyten. Die inneren Spannungen wurden mit einem IS-Meter gemessen.

Die Untersuchungen zeigten anfänglich einen Anstieg der inneren Spannungen und anschließend die Bildung eines Plateaus. Im vorliegenden Fall wurde ohne Saccarin gearbeitet; demzufolge wurden nur Zugspannungen gemessen.

Der Bromidgehalt des Elektrolyten führt mit steigender Konzentration zu einem ­Anstieg der inneren Spannungen. Eine weitere Abhängigkeit ergibt sich durch die ­Verwendung von Netzmitteln im Elektrolyten. Deutliche Veränderungen mit sich änderndem Gehalt an Bromid machen sich im ­Anodenpotential bemerkbar; daraus lässt sich schließen, dass Bromid die Anodenauflösung durch Zerstö­ren der Passivschicht verbessert. Einen Einfluss hat der Bromidgehalt des ­Weiteren auf die anodische Stromausbeute und den pH-Wert des Elektrolyten, indem Bromid die Stromausbeute erhöht. Die Morphologie der Schichten lässt erkennen, dass bei konven­tionellen Anoden mit steigendem Bromid­gehalt mehr größere Nickelkristalle gebildet werden, was bei schwefelfreien Anoden nicht der Fall ist.

Einflussgrößen bei der ­Dispersionsabscheidung

Bei der Dispersionsabscheidung haben die Art des Dispersoids sowie die Oberflächen- und Grenzflächenenergie einen Einfluss auf die Eigenschaften sowie die Morphologie der hergestellten Schichten. Mit der Untersuchung derartiger Abhängigkeiten befasst sich Suvetha Logeswaran an der Hochschule Aalen.

Solche Schichten finden unter anderem bei Werkzeugen Einsatz, bei denen beispielsweise Hartstoffe in Nickel eingebaut werden. Je nach Abscheidesystem können Partikel nahe am Substrat gelagert sein, oder erst im Laufe der Abscheidung an die Oberfläche angelagert sein und damit in die Schicht eingebaut werden. Damit entstehen Schichten mit Gradienten für die Menge an eingebauten Stoffen. Die Ursache hierfür wird auf die Art der Umlagerung des Dispersoids mit Ionen im Elektrolyten zurückgeführt. Erkennbar ist dies an der Bildung einer Ridingschicht der abgeschiedenen Metallschicht. Nachweisbar ist der Effekt mit Hilfe von behandelten und unbehandelten Glaspartikeln.

Herangezogen wird zur Beschreibung der Mechanismen die Grenzflächenenergie, die je nach Höhe der Energie unterschiedliche Werte zeigt. Eine Herausforderung stellt die Messung der Grenzflächenenergie zwischen zwei Festkörpern dar. Hierfür muss mit einer Vereinfachung gearbeitet werden. Für die Untersuchungen wurden Glaspartikel gewählt und ein saurer Kupferelektrolyt. Messungen zeigen, dass silanisiertes Glas eine deutlich geringe Oberflächenenergie ­besitzt und damit gut für diese Art des ­Elektrolyten einsetzbar ist. An einem Modell wurde in der Folge die Haftfestigkeit zwischen Glas und Metall bestimmt, in diesem Fall bei einer Kupferbeschichtung, hergestellt durch PVD-Abscheidung.

-wird fortgesetzt-

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