Die galvanotechnische Metallabscheidung wird klassischerweise verbunden mit Oberflächen für den Korrosionsschutz oder die dekorative Gestaltung von Teilen für den technischen oder häuslichen Gebrauch. Dass Galvanotechnik aber auch ein Hightech-Verfahren für zahlreiche moderne Technologien mit Anforderungen in höchster Präzision ist, zeigt sich an dem Spezialverfahren der Galvanoformung. Fachleute verstehen darunter die vollständige Herstellung von dreidimensionalen Teilen durch die klassische galvanische Abscheidung von Metall. Im Rahmen des neu aktivierten Fachausschusses Galvanoformung der Deutschen Gesellschaft für Galvano- und Oberflächentechnik e. V (DGO) auf Initiative von Dr. Markus Guttmann vom Karlsruher Institut für Technologie KIT fand am 22. Januar in Karlsruhe eine erste Präsenztagung statt.
Für die erste Sitzung als Präsenzveranstaltung konnten der Leiter des Fachausschusses Dr. Guttmann und DGO-Geschäftsführer Dr. Daniel Meyer 25 Teilnehmerinnen und Teilnehmer begrüßen. Die Teilnehmer des Fachausschusses Galvanoformung nutzten die Möglichkeit, ihre Arbeitsbereiche vorzustellen und aufzuzeigen, welche Anforderungen für die Entwicklung und Verbesserung der galvanischen Metallabscheidung bestehen. Dazu wurden hochinteressante Darstellungen präsentiert, aus denen die Leistungsfähigkeit der zugegebenermaßen sehr speziellen Abscheideverfahren ersichtlich wurde. Zugleich wurden Anregungen für Entwicklungen aufgezeigt wurden, mit denen sich der DGO-Fachausschuss in Zukunft beschäftigen kann.
Die Teilnehmer und Teilnehmerinnen der Veranstaltung (Bild: DGO / Dr. D. Meyer)
Dr. Guttmann befasst sich seit mehr als 20 Jahren mit der Herstellung von Werkzeugen für die Abformung von Kunststoffteilen, wie sie zum Beispiel in Analysengeräten der Medizintechnik oder Optik sowie für MEMS-Anwendungen eingesetzt werden. Am Institut für Mikrostrukturtechnik IMT am Karlsruher Institut für Technologie KIT wurde dazu anfangs schwerpunktmäßig die Röntgenlithografie genutzt. Aus Kostengründen wurde im Laufe der Zeit auf Laser- oder Elektronenstrahllithografie umgestellt.
Aufbauend auf diesen Technologien werden im ersten Schritt Master aus speziellen Kunststoffen und Belichtungslacken hergestellt. Die damit erzeugten dreidimensionalen Strukturen werden mittels galvanotechnischer Verfahren zu den eigentlichen Metallstrukturen aufgebaut. Genutzt werden Nickel, Kupfer und Gold als galvanisch abzuscheidende Metalle, wobei die Abscheidedauer je nach Dicke der Strukturen bis in den Wochenbereich reichen kann. Zu den neueren Anwendungsfeldern der Technologie zählt die Herstellung von Bauteilen für photovoltaische Zellen, um beispielsweise durch Mikrostrukturen bei großen Flächen die Lichtausbeute zu erhöhen.
Beispiel für nano- und mikrostrukturierte Nickel-Shims, hergestellt unter Einsatz von Galvanoformung (Bild: Dr. Guttmann/KIT)
Stetig wachsend ist der Bedarf an moderner Sicherheitstechnik für Ausweise, Sicherheitslösungen für Banken sowie Sicherheit für Währungen in klassischer und digitaler Form. Derartige Sicherheitstechniken sind Bestandteil des Portfolios der Papierfabrik Luisenthal in Gmund am Tegernsee. Hier spielen die Drucktechnik von Banknoten, das Banknotenpapier, Sicherheitsfäden und Sicherheitsfolien eine wichtige Rolle. Verfahren der Galvanotechnik werden beispielsweise zur Metallisierung und Demetallisierung für die Herstellung von Prägezylindern (Lithografie mit galvanischer Abformung) für den Druck genutzt. So werden Folien mit Mikroprägungen für die Erzielung der Farben oder Beschichtungen zur Glanzerzeugung eingesetzt, aus denen dann schließlich Banknoten hergestellt werden. Im Falle der Prägezylinder besteht der Prozess aus Bedampfung eines Rohlings (Folie), aus dem anschließend durch galvanische Metallabscheidung handhabbare Folien (Dicke 120 µm bis 160 µm) aufgebaut werden. Diese können für den Einsatz auf einen Basiszylinder aufgezogen werden. Für die galvanische Metallabscheidung eignen sich insbesondere Nickelsulfamatelektrolyte. Für die Herstellung der Shims (Druckplatten) steht eine hohe Maßhaltigkeit im Vordergrund.
Als wichtiger Parameter bei der galvanischen Abscheidung gelten organische Zusätze im Nickelelektrolyten. Für deren Konstanthaltung liefert die Analytik (HPLC) nur begrenzt genaue Werte; ähnliches gilt auch für die entstehenden Abbauprodukte.
Für den Druck von Banknoten werden bei der Giesecke + Devrient GmbH in München Stichtiefdruckplatten benötigt mit Gravurtiefen bis zu etwa 80 µm. Solche Gravuren erzeugen die fühlbaren Strukturen von Banknoten. Am Anfang stehen hier Master, die durch Laserstrukturieren in Kunststoff hergestellt werden. Diese Master werden im ersten Schritt mit Nickel bedampft und anschließend per galvanische Nickelabscheidung zu einer Druckplatte (bis 1 mm Dicke) erweitert. Zur Gewährleistung der Abriebbeständigkeit wird abschließend verchromt.
Neben der galvanischen Nickelabscheidung liegen Anforderungen bei der Passivierung, einer optimalen Gestellfertigung, der Wasserstoffableitung und anlagentechnischen Kenngrößen wie das optimale Befüllen der Anodenkörbe.
Im Bereich der Optik für Teleskope oder Mikroskope und für Röntgenspiegel zur Herstellung von Mikroschaltungen, wie sie von der Carl Zeiss AG in Oberkochen entwickelt und produziert werden, ist die Galvanoformung nach wie vor die optimale Fertigungstechnologie. Hierfür eignet sich neben Nickel und Kupfer auch Aluminium, abgeschieden aus aprotischen Elektrolyten. Besonders vorteilhaft ist bei diesen Anwendungen die hohe Genauigkeit der Galvanoformung bis in den Bereich von 0,3 nm. Herausforderungen liegen bei der geforderten Abscheidetemperatur von 20 °C zur Gewährleistung der Endgeometrie der Spiegel oder der Minimierung der inneren Spannungen der Nickelfolien, aus denen die Spiegel aufgebaut werden. Um die Härte der abgeschiedenen Metalle zu steigern, werden unterschiedliche Legierungen genutzt, beispielsweise durch Zugabe von Kobalt oder Titan zu Aluminium.
Weitere wichtige Teile, bei denen die Galvanoformung angewendet wird, sind Ablenkspulen für REMs. Hierbei handelt es sich um Grundkörper aus galvanisch abgeschiedenem Kupfer in einer Dicke von etwa 150 µm, die zusätzlich mit Gold als Reflexionsschicht beschichtet werden. Abgeschieden wird in diesem Fall auf einen Grundkörper aus Edelstahl, von dem die Kupferform mechanisch abgelöst werden kann.
Eingesetzt wird Galvanoformung auch für die Herstellung von Brennkammern und dafür notwendige Bauteile für Raketen bei der arianeGroup in München. Galvanoformung für Triebwerke kommt unter anderem zum Einsatz, weil sich damit die notwendigen Mikrostrukturen in Kanalform zur Kühlung des Triebwerks auf der Innenseite des Triebwerks in höchster Qualität herstellen lassen. Zur Abscheidung werden Kupfer und Nickel verwendet, wobei Kupfer das Eindringen von Wasserstoff in die Nickelform verhindern soll. Aus mechanischen Gründen muss die Nickelform mit Dicken bis 20 mm unterbrechungsfrei abgeschieden werden, woraus sich Abscheidezeiten von bis zu 30 Tage ergeben. Eine Herausforderung besteht beispielsweise in der Aufrechterhaltung des Stromflusses bei Netzstörungen oder Überlastungen der Geräte, wozu hocheffiziente Batterien eingesetzt werden. Das abgeschiedene Nickel muss eine definierte konstante Härte, Festigkeit und Duktilität aufweisen und es muss schweißbar sein.
Entwicklungsbedarf ergibt sich durch auftretende Schwächen bei der Haftung des abgeschiedenen Metalls auf dem Grundkörper, die aufgrund oberflächlicher Anreicherungen von zum Beispiel Zirkon auftreten können. Die Eigenschaften beim abgeschiedenen Kupfer machen sich durch Änderungen bei den organischen Zusätzen bemerkbar. Schließlich erfährt das abgeschiedene Nickel unter Einfluss von Wasserstoff eine Rissbildung, die es zu vermindern gilt.
Für Fahrzeuge werden heute aufwändige optische Einrichtungen, beispielsweise zur Darstellung von Informationen auf der Frontscheibe, eingesetzt. Ebenfalls mit optischen Einrichtungen wird in der Medizintechnik gearbeitet, die zudem Mikroelemente in großer Zahl zur Analyse verwendet, zum Beispiel Diffusoren, Mikrolinsenarrays, Membranen für Inhalatoren oder Filter für die Abtrennung von Mikroorganismen oder zur Analyse von Zellen. In allen Fällen werden Mikro- und Nanostrukturteile auf großflächigen Einheiten benötigt. Mit diesen Herausforderunge befasst sich die temicon in Dortmund. Herstellt werden sie zu einem großen Teil mittels Rolle-zu-Rolle-Verfahren, bei denen Masken, aufgebracht auf Druckwalzen in metallischer Ausführung, benötigt werden. Diese hochpräzisen Metallteile beziehungsweise Metallwerkzeuge in kleinen Dimensionen entstehen durch Anwendung der Galvanoformung, bei denen in großem Umfang Nickelabscheidungen genutzt werden.
Die Arbeitsfolge beginnt vorteilhafterweise beim Design und reicht über die Masterherstellung bis zur fertigen Maske für die Formgebung in Kunststoff. Genutzt werden UV- und Laserlithografie für die notwendigen Master, wobei Flächen bis zu 1 m2 machbar sind. Neben Rolle-zu-Rolle-Verfahren kann auch mit Platten aus Polymer oder Glas mit einer entsprechenden Oberflächenstruktur gearbeitet werden. Die Nickelwerkzeuge werden durch Abscheidung aus Nickelsulfamat oder Glanznickel und Schwarznickel hergestellt. Herausforderungen für die galvanischen Prozesse liegen in der Vermeidung von Poren aus unzureichender Benetzung, die Vermeidung von Poren aus der Wasserstoffgasbildung bei der Abscheidung oder der Herstellung von schwarzen Schichten als Ersatz für Schwarzchrom.
Dr. Guttmann stellt Anlagentechnik in seinem Institut vor (Bild: DGO / Dr. D. Meyer)
Mit den zahlreichen interessanten Darstellungen von Verfahren und erzielbaren Ergebnissen ist es den Teilnehmern des DGO-Fachausschusses Galvanoformung gelungen, jungen ebenso wie altgedienten und erfahrenen Fachleuten der galvanotechnischen Branche die Wichtigkeit ihres Tuns aufzuzeigen und sich gegenseitig zu motivieren. Die Arbeiten zeigen das nach wie vor berechtigte Interesse an der altbewährten Technologie der galvanischen Metallabscheidung und verdeutlichen auch die Wichtigkeit der Arbeit in der DGO.
Die nächste Treffen des Fachausschusses in diesem Jahr werden am 19. Mai online und am 16. September als Präsenztreffen (wieder in Karlsruhe und vor den ZVO-Oberflächentagen) stattfinden. Bei diesen für 2026 terminierten Treffen soll die gegenseitige Vorstellung der bisher an einer aktiven Mitarbeit im Fachausschuss interessierten Unternehmen und Forschungseinrichtungen und deren Aktivitäten im Bereich Galvanoformung fortgesetzt werden. Der Ausschuss ist aber weiterhin offen für Interessenten; die Informationen dazu sind über die DGO zu erhalten.
- www.dgo-online.de
