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41. Ulmer Gespräch: Transformation der Galvano- und Oberflächentechnik – Nachbericht

Das 41. Ulmer Gespräch – Forum für Oberflächentechnik am 8. und 9. Mai 2019 in Neu-Ulm beleuchtete unterschiedliche Aspekte der aktuellen Transformation innerhalb der Galvano- und Oberflächentechnik etwa im Bereich der E-Mobilität und der Additiven Fertigung.

In einer sich dynamisch verändernden Industriegesellschaft muss und wird sich natürlich auch die Galvanotechnik entsprechend weiterentwickeln. Als Querschnittstechnologie übt sie dabei große Wirkung auf alle industriellen Bereiche aus. Diese Transformation wird einerseits getrieben durch die Digitalisierung und Vernetzung innerhalb der Liefer- und Wertschöpfungskette und natürlich auch durch neuartige Prozesse und Produkte.

E-Mobilität

Besonders gravierend für die Galvanotechnik sind die Veränderungen in der Automobiltechnik hin zur Elektromobilität mit allen hybriden Varianten. In einem Einführungsreferat wurden global die wirtschaftlichen und technologischen Entwicklungen auf diesem Gebiet dargestellt. Mit großem Abstand ist hier zahlenmäßig China der größte Fahrzeughersteller und ebenfalls größter Treiber bei der Elektromobilität, wobei hier der rein elektrische Antrieb im Vordergrund steht. Während weltweit 2018 etwa 7 Prozent der Gesamtfahrzeuge elektrisch oder teilelektrisch betrieben wurde, wird für 2025 ein Anteil von etwa 25 Prozent erwartet. Andererseits bedeutet dies immer noch einen bedeutenden Anteil an Verbrennungsmotoren, der 2030 auf etwa 60 Prozent sinken soll.

Die starke Zunahme vor allem der Batterietechnik hat natürlich auch deutliche Auswirkungen auf die Verfügbarkeit der Rohstoffe, insbesondere der Elemente Co und Li. Zwar verringert sich bei der Elektromobilität die Anzahl der Bauelemente im Fahrzeug, jedoch wird durch das sehr große Gewicht der Batterien der Leichtbau immer bedeutender. Für die Galvanotechnik ergibt sich hieraus die Forderung nach effizientem Korrosionsschutz bei der hauptsächlich verwendeten Mischbauweise von vor allem höchstfeste Stähle, Aluminium und Magnesium. Daneben besteht ein großer Bedarf an funktionellen Schichten und Versiegelungen mit gleichzeitigem und für die Lebensdauer der Fahrzeuge ausgelegtem Verschleißschutz. Die Elektromobilität ergibt ferner einen wachsenden Bedarf an Verbindungselementen jeder Art, leitfähigen Schichten in der Schwachstrom- und vor allem Leistungselektronik. Für den Korrosionsschutz wurden in einem weiteren Einführungsseminar neben der galvanotechnischen Abscheidung kathodisch schützender Zn- und Zn-Legierungsschichten und insbesondere Varianten des Feuerverzinkens von Stückgut (Galfan) und des thermischen Spritzens zum Beispiel von ZnAl-Schichten diskutiert.

Wasserstoffversprödung

Bei der galvanotechnischen Beschichtung von hochfesten Stahlbauteilen besteht durch Aufnahme von Wasserstoff in den Grundwerkstoff grundsätzlich die Gefahr eines wasserstoffinduzierten verzögerten Sprödbruches (Wasserstoffversprödung). Bei Berücksichtigung der in Normen (z.B. DIN 50969 Teil 1-3) genannten Maßnahmen kann jedoch eine Gefährdung eindeutig aus

geschlossen werden. Zu dem wichtigen Aspekt des Wasserstoffeintrages in den Werkstoff wurden Messungen des Wasserstoffgehaltes für verschiedene Werkstoffqualitäten und unterschiedliche Zn- und ZnNi-Beschichtungen vorgetragen. Ein aus diesen Daten entwickeltes Bewertungsverfahren für das Gefährdungspotenzial kann für eine optimale Prozessführung und -überwachung von großem Nutzen sein. Im Falle von Zink-basierten Lamellenbeschichtungen ist bei unkritischer Vorbehandlung eine Versprödungsgefahr nicht gegeben.

Für eine im allgemeinen erforderliche Wärmenachbehandlung zum Austreiben von diffusionsfähigem Wasserstoff bei bis zu 210 Grad Celsius werden in den Normen zum Teil sehr unterschiedliche und wenig präzise Zeitdauern angegeben. Eine gezielte Präzisierung birgt ein großes Energieeinsparungspotenzial. In einem Forschungsvorhaben wird daher der Versuch unternommen, durch Sammlung aller relevanten Daten (Art und Vergütung des Grundwerkstoffes, Konstruktionsdetails, Prozessparameter …) und zu entwickelnde Simulationsmodelle für den Wasserstoffeintrag, seine Wirkung im Bauteil und seine Effusion geeignete Hinweise für den Praxisfall zu erarbeiten. Damit kann es möglich werden, eine gezielte Empfehlung für die Wärmebehandlungsdauer abzugeben.

Additive Verfahren

Eine sich mit der Digitalisierung dynamisch entwickelnde Prozesstechnik zunächst für Einzelteile aber inzwischen auch Großserien stellen die additiven Verfahren dar. In einem Vortragsblock wurden die verschiedenen Verfahrensvarianten und der Einfluss von Material- und Fertigungsparametern sowie der Nachbehandlung auf die Oberflächenqualität und somit das Bauteilverhalten diskutiert. Am Beispiel von Gelbgoldschichten wurde deren Herstellung im Pulverbettverfahren mit Laseraufschmelzung bezüglich der Oberflächenrauheit und Porosität untersucht. Die Strahlbreite des Lasers, die Pulverpartikelgröße, der Scan Speed und die Scanführung (Hatchscan und Contourscan) sind entscheidend für die Art der Pulveraufschmelzungen und damit die Oberflächenqualität. Glasperlenstrahlen und Elektropolieren führten im vorliegenden Fall zu technisch einwandfreien Schichten/Oberflächen. Besonders geeignet für die Herstellung von Bauteilen im 3D-Druck sind Polymerteile, wobei fast immer Oberflächen mit einer erheblichen Rauheit entstehen. Während im allgemeinen raue Oberflächen von Bauteilen unerwünscht sind, erweisen sich diese bei der Pd-Bekeimung, anschließenden chemischen Vernickelung und Endabscheidung wegen des guten Schichtverbundes mit dem Grundwerkstoff als Vorteil. Beispiele aus der Raumfahrt, etwa Stützstrukturen für Satelliten aus PEEK, führen zu einer Gewichtsersparung von 20 Prozent und einer Kostenreduktion von 50 Prozent. Haftungstests mit Temperaturvariation zwischen -196 und +70 Grad Celsius zeigen ein positives Verhalten. Allgemein kann festgestellt werden, das für im 3D-Druck hergestellte Polymerteile entsprechend modifizierte Verfahren der Kunststoffgalvanisierung angewendet werden können.

Galvanoformung

Die Galvanoformung zur Herstellung von selbsttragenden Strukturen durch galvanische Abscheidung dicker Schichten ist ein historisch sehr altes Verfahren. Neuere Anwendungsgebiete finden sich zum Beispiel bei der Abdeckung von Airbag-Gehäusen in der Fahrzeugindustrie, bei Flügelprofilen in der Luftfahrt (z.B. A 380), in der Lichttechnik bei Reflektoren oder bei der Herstellung von Raketenantrieben. Im Wesentlichen kommt hierbei der Ni-Sulfamat-Elektrolyt ohne Zusätze zum Einsatz, da hieraus dicke Schichten ohne Eigenspannungen hergestellt werden können. Für härte und korrosionsbeständigere Schichten wird auf NiCo mit etwa 20 bis 30 Prozent Co oder NiFe mit 11 bis 23 Prozent Fe zurückgegriffen. Goldhaltige Schichten kommen in der Dental- und Schmuckindustrie zur Anwendung. Ebenfalls unter Einsatz der Galvanoformung ist es gelungen, innovative Mikrobrennstoffzellen mit entsprechenden Gehäusen in kleinen Dimensionen mit einer stark erhöhten Leistungsdichte zu fertigen. Zur Herstellung biomischer Oberflächen, wie etwa der Übertragung der multiskaligen Struktur der Blattoberfläche der Lotusblume mit ihrer selbstreinigenden Oberfläche auf technische Bauteile findet ebenfalls die Galvanoformung Anwendung. Für die Erzeugung der Ursprungsstruktur (im Master) in einen Kunststoff (Resist) mit Strukturdetails von wenigen mm bis zu nm kommen verschiedene Verfahren der Lithographie zum Einsatz. Die Übertragung der Strukturen auf ein metallisches Werkzeug erfolgt im Allgemeinen durch klassische Galvanoformung. Durch Heißprägen können die Strukturen dann auf Kunststoffoberflächen übertragen werden.

Werkstoffreinheit

Die Reinheit von Werkstoffen und Chemikalien und das Recycling am Gebrauchsende von Bauteilen stellen im globalen Handel ein zunehmendes Problem dar. So müssen die Galvanofachfirmen als Prozesslieferanten auch bei der Weitergabe von Rohstoffen und natürlich von eigenen Zusätzen die gängigen Verpflichtungen in ihrer Verantwortung erfüllen. Ein entsprechender Beitrag machte deutlich, welche Analytik und welches Qualitätsmanagement hierfür erforderlich sind. Reinheit und Beschaffenheit von Grundwerkstoffen sind entscheidend für die Qualität von galvanisierten Bauteilen. Ein Beitrag über entsprechende Schadensfälle wies insbesondere auf die meist unzureichend definierte und unangepasste Vorbehandlung hin: „Machen wir wie immer!“. Ein weitverbreitetes Schadensbild wird demzufolge auch durch die Kennzeichnung „Nicht angepasste Vorbehandlung“ charakterisiert. Recycling-Verfahren wurden schließlich am Beispiel von Cu diskutiert, bei dem die Recycling-Rate bei etwa 40 Prozent liegt. Für Zn beträgt diese etwa 25 und für Au über 80 Prozent.

Wasserfreie Galvanotechnik

Eine aussichtsreiche Entwicklung in der Galvanik stellt die Abscheidung aus wasserfreien Elektrolyten dar. Bei den ionischen Flüssigkeiten wird das Prozessfenster von 2 Volt bei wässrigen Elektrolyten auf annähernd 6 Volt erweitert und damit auch die Abscheidung unedlerer Metalle wie Al, Ti oder Mg möglich. Diese stabilen Salzschmelzen sind bei Raumtemperatur flüssig und weisen einen sehr kleinen Dampfdruck auf. Der Betrieb derartiger Elektrolyte erfordert allerdings eine Wasserfreiheit, was betrieblich auch eine entsprechende Vorbehandlung erfordert. Bezüglich der Kinetik ist festzustellen, dass im Gegensatz zu der bei wässrigen Lösungen vorhandenen Helmholtzschen Doppelschicht breitere Multilayer vor der Kathode existieren, die im Betrieb größere Überspannungen erfordern. Beispiele für inzwischen gut erforschte Abscheidungen sind Ta und Al. Im Weiteren wurde über Weiterentwicklungen der Al- und AlZn-Legierungsabscheidung aus Toluol (entsprechend dem bekannten SIGAL-Verfahren) berichtet.

Galvanotechnik im Weltraum?

Das Abschlussreferat der Veranstaltung ging auf die Möglichkeiten der Elektrochemie und galvanischer Verfahren bei der Erschließung des Weltraums ein. Wenn man den Mond besiedeln will und ihn als Startrampe für die Erkundung der Tiefe des Weltraums nutzen will, wird man die erforderlichen Ressourcen auf dem Mond selbst gewinnen müssen. Hier können galvanische Verfahren sehr hilfreich sein. Da der Mondstaub etwa wie auf der Erde vor allem aus Oxiden von Al, Fe und SI besteht, könnten durch deren elektrochemische Aufspaltung in ionischen Flüssigkeiten die Elemente gewonnen werden. Bauteile ließen sich dann durch 3D-Druck herstellen. Die erforderliche Energie steht durch Wegfall einer Atmosphäre in Form der Sonne ausreichend zur Verfügung.