Zunehmend werden Kombinationen aus Werkstoff und Beschichtung für den Einsatz in der Energietechnik, zum Beispiel für die Wasserstoffentwicklung, die Elektronik, in optischen Systemen oder in der Rüstungsindustrie gefordert. Dafür eignen sich galvanische Beschichtungen aufgrund der guten Streufähigkeit der Abscheidung bei komplexen Geometrien, der guten Steuerung der Schichtdicke oder der Möglichkeit zur Beschichtung von Kunststoffen. Thermische Verfahren bieten ein größeres Spektrum an Schichtmaterialien bei guter Anbindung an das Substrat.
Fortsetzung aus WOMag 6/2026
Elektroden für die Wasserstoffproduktion
Wie Dr. Andrea Russo, Technical University of Denmark, Department of Energy Conversion and Storage, einleitend ausführte, bieten Verfahren zur chemischen Metallabscheidung die beste Möglichkeit, gleichmäßig dicke Metallschichten auf komplex geformten Substraten herzustellen. Insbesondere die verschiedenen Varianten der Abscheidung von Nickel-Phosphor kennzeichnen den hohen Entwicklungstand der chemischen Metallabscheidung. Auf Basis dieser Möglichkeiten arbeitet der Vortragende daran, die Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff als Energiespeicher deutlich zu verbessern und so die effiziente Nutzung von Strom aus Wind- und Photovoltaikanlagen zu erhöhen.
Fasern mit Beschichtungen aus Nickel-Phosphor (oben) und Nickel-Phosphor mit Nickel-Molybdän-Phosphor (Bild: Dr. Russo)
Bei der Wasserelektrolyse spielen die Elektroden mit die entscheidende Rolle: je größer die nutzbare Oberfläche ist, desto höher ist die Effizienz der Technologie. Aktuell stellen Nickelelektroden in Form von Nickelschäumen die beste Variante dar. Russo und Kollegen wählten als Ausgangsmaterial Nanofasern aus Kunststoff, die zu einem Vlies verarbeitet werden. Dieses Vlies kann aktiviert und durch chemische Metallabscheidung mit Nickel-Phosphor beschichtet werden. Ergänzend sind auch zusätzliche Beschichtungen mit Nickel-Molybdän-Phosphor oder Nickel-
Eisen möglich, die sich ebenfalls für die Elektrolyse eignen. Erste Ergebnisse in Anlagen zur Wasserstoffherstellung zeigen vielversprechende Ergebnisse.
Mechanismen an elektrochemisch aktiven Grenzflächen
Power-to-X-Technologien, ein Thema, mit dem sich Prof. Dr. Rüdiger Eichel und seine Mitarbeiter befassen, stellen eine Schlüsseltechnologie für die zukünftige Sektorenkopplung von Strom, Wärme, Mobilität und chemischer Industrie dar, indem sie erneuerbar produzierten Strom in chemische Energieträger und Wertstoffe überführen. Das Verständnis der grundlegenden Mechanismen an den elektrochemisch-aktiven Grenzflächen ist dabei entscheidend für die Selektivität, Effizienz und Langzeitstabilität der entsprechenden Prozesse.
Untersuchungen zur Migration bei PEM-Elektroden (Bild: Prof. Dr. Eichel)
Daher wird beispielsweise das Verhalten der verschiedenen Elektrodentypen im Dauerprozess, also vor allem aufgrund zyklischer Ladung/Entladung, betrachtet. So erleiden zum Beispiel Elektroden mit Indium Schädigungen durch die Entstehung von Brücken durch migrierendes Indium. Neben Wasserstoff kommen auch andere Stoffe als Träger für Energie in Betracht, wie Methanol, Ethanol oder Propanol, oder auch die Nutzung von Kohlenstoffdioxid für diese Zwecke. Je nach eingesetztem Stoff müssen die jeweiligen Elektrodensysteme auf diese Anwendungen hin optimiert werden. Bisher zeigt es sich, dass dafür immer komplexere Zusammensetzungen von Elektroden oder ionenleitenden Festelektrolyten in Betracht kommen.
Qualitätssicherung in kontinuierlichen Beschichtungssystemen
Hans Ullrich Eckert, Gerweck GmbH, gab einen Einblick in die Prozessführung bei der Bandbeschichtung, bei der eine lückenlose Prüfung der Bauteilqualität oftmals nicht möglich ist. Eine wirkliche Prüfung ist nur zu Einlauf am Anfang der Beschichtungsstrecke und am Ende zum Auslauf machbar. Die Umsetzung des Null-Fehler-Anspruchs erfolgt daher über die Definition und Überwachung von relevanten Prozessparametern.
Einflussgrößen in einem galvanischen Elektrolyten zur Metallabscheidung (Bild: H. U. Eckert)
Allerdings liegen für einen mehrstufigen Beschichtungsprozess – von der Vorbehandlung über die eigentliche Beschichtung (z. B. mit Nickel, Silber und/oder Zinn) sowie die erforderlichen Nachbehandlungen (z. B. Passivierung) – eine große Zahl an Einflussfaktoren vor. So lassen sich allein für die jeweiligen Elektrolyte die Parametergruppen Zusammensetzung, Konzentration der Inhaltsstoffe, Temperatur, Anodenmaterial, Additive, Verunreinigungen, Hydrodynmik, pH-Wert oder Stromdichte nennen. Aus der vorhandenen Erfassung der verschiedenen Kenngrößen ergeben sich beispielsweise für die zehn Anlagen im Werk des Vortragenden pro Jahr mehr als 27 Milliarden Datenpunkte. Daraus ist erkennbar, dass die Auswertung und Erkennung von relevanten Abweichungen eine immense Herausforderung darstellen.
Aluminiumschichten aus ionischen Flüssigkeiten
Die elektrochemische Abscheidung von Aluminium erfordert die Verwendung von Lösemitteln ohne Wasser. Dazu eignen sich neben organischen Lösemitteln, die seit längerem genutzt werden, auch ionische Flüssigkeiten, wie Dr. Dietmar Lütke Notarp, NB Technologies, einleitend ausführte.
Auch bei der Verwendung von ionischen Flüssigkeiten muss darauf geachtet werden, kein Wasser einzutragen oder die Bildung von Gasen wie Chlor zu überwachen. Ein Einsatz dieser Verfahren bietet sich nach Ausführung des Vortragenden bei der Beschichtung von Kunststoffen für dekorative Anwendungen an.
Besonders interessant ist die elektrochemische Abscheidung von Aluminium in der Elektronik zur Herstellung von Kontakten zwischen Lagen in der Halbleitertechnik (Via fill). Die Aluminiumabscheidung erlaubt die kostengünstigere Herstellung von höheren Strukturen. Dabei zeichnet sich das abgeschiedene Aluminium aufgrund seiner Reinheit durch eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit aus. Das Unternehmen des Vortragenden hat für diese Anwendungen geeignete Anlagentechnologien für den Einsatz in der Industrie entwickelt.
Schichten in Lithographieanwendungen
Beschichtungen für Bauteile von Belichtungsanlagen, die unter Verwendung von extremem UV-Licht Elektronikchips höchster Dichte herstellen, präsentierte Ralf Winter von der Carl Zeiss SMT, Oberkochen. Diese EUV-Belichter der neuesten Generation erfordern für nahezu alle Bauteile der hochkomplexen Anlagen Oberflächen in höchster Qualität. Dazu zählen spezielle Spiegel für das eingesetzte UV-Licht mit geringsten Werten für die Rauheit und besonderen Eigenschaften im Hinblick auf Reflexion und Transmission.
Im Betrieb unterliegen diese Oberflächen hohen Belastungen in Form von Energie, die starke thermische Einwirkungen oder schädigende Wirkungen durch Gase oder Plasmen erzeugen. Vor allem enthaltener Kohlenstoff in den eingesetzten Materialien ist kritisch, da er die Reflexionseigenschaften verändert und die Leistung des UV-Lichts reduzieren kann. Zudem können aus Kohlenstoff unerwünschte Verbindungen entstehen, die wiederum die gesamte Anlage verschmutzen; besonders zu nennen ist in diesem Zusammenhang die Bildung von Wasserstoff, der zu Wasserstoffversprödung von einigen metallischen Werkstoffen führt.
Vermeiden lassen sich viele der möglichen störenden Wirkungen durch die chemische Abscheidung von Nickel-Phosphor. Die chemische Abscheidung überzeugt hier vor allem durch ihre Eigenschaft, auch komplexe Bauteilgeometrien vollständig zu bedecken. Zudem kann mit diesem Verfahren eine mechanisch beständige und gleichmäßige Beschichtung erzeugt werden. Auch kann die Beschichtung im Bedarfsfall mechanisch bearbeitet werden. Herausforderungen stellen jedoch die in die Schicht eingeschlossenen Rückstände von Elektrolytzusätzen mit Anteilen von Kohlenstoff dar, deren Anteil durch spezielle Nachbehandlungen reduziert werden kann. Sichergestellt wird die hohe Reinheit der Oberfläche durch aufwändige und hochsensitive Prüfverfahren für die Bauteilsauberkeit. Damit stellt die Fertigung von EUV-Belichtern eine der anspruchsvollsten Aufgaben im Bereich Anlagentechnik dar.
Metallisierung von 3D-Teilen
Die Kombination metallischer Beschichtungen mit 3D-gedruckten Fotopolymerbauteilen ermöglicht eine Miniaturisierung der Bauteile sowie Gewichtseinsparungen, etwa für Hochfrequenzbauteile in der Raumfahrt. Wie Andreas Frölich, Horizon Microtechnolgies, einleitend betonte, besteht eine große Herausforderung darin, die richtigen Materialien in der erforderlichen Qualität für die benötigten Bauteile zu kombinieren. Dies ist insbesondere deshalb anspruchsvoll, da für Bauteile mit geringem Gewicht meist spezielle Kunststoffe zum Einsatz kommen. Komponenten für den Einsatz in der Hochfrequenztechnik sind dabei prädestiniert, durch die Auftragung von dünnen, hochleitenden Kupferschichten ihre elektrischen Eigenschaften zu erhalten.
Bauteile für einen Einsatz in der Weltraumtechnik müssen durch die Belastung mit hochenergetischer Strahlung, starke Temperaturwechsel und fehlenden Luftdruck besondere Anforderungen bestehen. Die für diese Anforderungen nötige Qualifikation der von Frölich vorgestellten Beschichtungstechnik zeigte der Vortragende an Beispielen. Die Herstellung der Bauteile zeichnet sich durch zahlreiche und aufwendige Fertigungsschritte sowie umfangreiche Prüfungen zur Qualifizierung aus. Für diese Beschichtung kommen unter anderem galvanische Verfahren zur Abscheidung von Kupfer und Silber zum Einsatz.
Kaltgasspritzen zur Bauteilreparatur
Im letzten Beitrag zeigte Prof. Dr. Thomas Klassen von der Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr, Hamburg, die Einsatzmöglichen des Kaltgasspritzen für Reparaturzwecke.
Flugzeugkomponenten werden in der Regel durch neue Teile ersetzt, sobald sie lokale Schäden aufweisen. Das kinetische Spritzen bietet die Möglichkeit, defekte Bereiche lokal sukzessive wieder aufzubauen und so erhebliche Kosten und Ressourcen einzusparen.
Einfluss von Shot Peening auf die Haftung einer Beschichtung (Bild: Prof. Dr. Klassen)
Damit das Verfahren die notwendigen Eigenschaften erfüllen kann, sind umfangreiche Prüfungen im Hinblick auf die Geometrie, die Materialeigenschaften sowie die Haftung der Schichten erforderlich. Dazu zeigte der Vortragende Beispiele mit Kupfer- und Aluminiumbeschichtungen und deren Füllvermögen, Porosität oder Haftung auf verschiedenen Substratwerkstoffen. Verbesserungen werden beispielsweise durch thermische Unterstützung wie induktives Erhitzen oder mechanische Bearbeitung wie Shot Peening der Oberflächen vor und bei der Beschichtung erzielt. Aber auch Nachtempern durch Einsatz von Lasern können die Eigenschaften des Verbunds aus Grundwerkstoff und Beschichtung deutlich verbessern.
