42. Ulmer Gespräch 2021 thematisierte Beitrag der Galvano- und Oberflächentechnik zur industriellen Transformation

Das Ulmer Gespräch, das in diesem Jahr vom 3. bis 6. Mai als Webinarreihe veranstaltet wurde, beschäftigte sich mit dem Leitthema „Funktionselement Oberfläche“. Prof. Wolfgang Paatsch berichtet über das diesjährige Forum für Oberflächentechnik und ordnet die Vortragsbeiträge der Webinarreihe in den Zusammenhang der aktuellen Herausforderungen durch die industrielle Transformation ein.

Das Ulmer Gespräch, das in diesem Jahr vom 3. bis 6. Mai als Webinarreihe veranstaltet wurde, beschäftigte sich mit dem Leitthema „Funktionselement Oberfläche“. Prof. Wolfgang Paatsch berichtet über das diesjährige Forum für Oberflächentechnik und ordnet die Vortragsbeiträge der Webinarreihe in den Zusammenhang der aktuellen Herausforderungen durch die industrielle Transformation ein.

Das diesjährige Ulmer Gespräch – Forum für Oberflächentechnik wurde erfolgreich im Netz durchgeführt, wenngleich die Teilnehmer sicher den persönlichen Kontakt im hervorragenden Tagungsort Neu-Ulm und auch das obligatorische Treffen im „Barfüßer“ vorgezogen hätten. Die Veranstaltung mit dem Motto „Funktionselement Oberfläche“ befasste sich mit Beiträgen der Galvano- und Oberflächentechnik zu den Herausforderungen der industriellen Transformation. Ganz entscheidend für die geforderte Effizienz aller industriellen Güter ist die auf die Anforderungen im Einsatz abgestimmte Funktion der Oberfläche, die zentrales Ziel und Aufgabe der Oberflächentechnik ist.

Leichtbau/Mischbau

Im Leichtbau besteht die wesentliche Herausforderung in Lösungskonzepten für die Mischbauweise mit metallischen Strukturwerkstoffen. Grundsätzlich gilt dies für alle beweglichen Güter, besonders natürlich für den Automobilbau (B. Reinhold). Zum Einsatz kommen vor allem Aluminiumlegierungen, hochfeste Stähle und in Nischen Magnesium, CFK. Eine besondere Herausforderung stellt die Fügetechnik für Aluminium und Stahl dar, welche derzeit thermisch nicht möglich ist. Hier haben sich besonders das Hohlrohrstanznieten und in besonderen Fällen das Reibschweißen bewährt. Zur Vermeidung von Kontaktkorrosion der unterschiedlichen Werkstoffe hat sich die Beschichtung mit Zink/Nickel mit einer abschließenden KTL-Beschichtung als optimale Lösung herausgestellt. Ein Entwicklungsziel bildet eine einheitliche Konversionsbehandlung für den Materialmix.

In der Paradedisziplin des Leichtbaus, der Luftfahrtindustrie, sind für besonders beanspruchte Bauteile wie etwa Landegestelle hochfeste Stähle mit einer Festigkeit bis zu 2100 MPa im Einsatz. Als Ersatz der gegenwärtig noch oft eingesetzten offenporigen Kadmiumbeschichtung wurden umfangreiche Rahmenbedingungen entwickelt, um offenporige Zink/Nickelschichten (LHE) auf den hochfesten Stählen ohne Wasserstoffversprödung abzuscheiden (K. Schöttler). Entsprechend den hohen Sicherheitsanforderungen der Luftfahrt war hierzu ein umfangreiches Testprozedere erforderlich, zusätzlich die Erfüllung weiterer Anforderungen wie zum Beispiel Korrosionsbeständigkeit, Entschichtbarkeit, Reparaturfähigkeit vor Ort durch Brush Plating.

Besonders in der Luftfahrt eingesetzte CFK-Bauteile müssen im Anströmungsbereich (Flügel, Rotorblätter, Windkraft) gegen Erosion geschützt werden (O. Rohr). Regentropfen und Sandpartikel erreichen hier Geschwindigkeiten bis zur Schallgeschwindigkeit. Geeignet sind etwa metallische Strukturen oder elastomere Schutzfolien. Bei der Verchromung von CFK stellt die Vorbehandlung das zentrale Problem dar. Untersuchungen zur Anwendung des chemischen Ätzens, des Einflusses von UV-Bestrahlung und Plasma-Laser-Behandlung hat auch unter wirtschaftlichen Aspekten nicht zum gewünschten Ziel geführt. Als letztlich akzeptabel hat sich die Verwendung leitfähiger Lacke mit einer anschließenden galvanischen Beschichtung herausgestellt.

Wasserführende Systeme etwa in der Sanitärtechnik aber auch aktive Kühlkörper in thermisch zu stabilisierenden Systemen werden in breiter Anwendung aus einem Grundkörper im Messing-Kokillenguss mit anschließender Beschichtung hergestellt. Einen wesentlichen Fortschritt auch bezüglich des Leichtbaus bietet die Herstellung des Grundkörpers durch geeignete Kunststoffe mit einer anschließenden Umgießung mit Druckguss (H. Herberhold). Bewährt hat sich hier das Umgießen mit Zink mit einer anschließenden dekorativen galvanischen Beschichtung. Das Verfahren ist nicht nur zur Medienführung, sondern auch für weitere Anwendungen in der E-Mobilität, der Elektronik und insgesamt im Leichtbau besonders geeignet.

Energiebereitstellung/ Neue Antriebe

Durch Anwendung galvanischer Verfahren sind in der Batterietechnik und -fertigung deutliche Steigerungen möglich. Bei der Lithium-Schwefel-Batterie werden Elektroden aus elementarem Lithium und Schwefel angestrebt, wobei der Entlade-und Ladevorgang unter Bildung und Zersetzung von Lithiumsulfid erfolgt. Die Lithium-Elektrode lässt sich durch elektrolytische Abscheidung auf dem Anodenmaterial realisieren. Während bisher die Schwefelelektrode durch Aufbringen einer Paste mit Schwefel und als leitfähiger Substanz Graphit erfolgt, wurde nun durch Komposit-Galvanoformung oberflächenmodifizierter Schwefel in eine Nickeldispersionsschicht eingebaut. Somit können größere Flächen in Bandbeschichtung stabil und energiesparend hergestellt werden. Dieses Verfahren stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Batterieherstellung dar (T. Sörgel).

Bei PEM-Brennstoffzellen ist eine stabile und katalytisch wirksame Aktivierung der Gasdiffusionslagen das Entwicklungsziel. Bei Verwendung eines Platin-Palladium-Komplexes konnte unter Zugabe von Phosphor und Pulse-Plating eine starke Verringerung des Edelmetalls bei einer gleichzeitig größeren aktiven Oberfläche sowie eines erhöhten Ladungstransfers erzielt werden. Die Abscheidung erfolgte auf plasmaaktiviertem Grundwerkstoff Vulcan-XC72R (M. Braun).

Die elektrolytische Erzeugung von Wasserstoff ist ein seit langem genutzter technischer Prozess, der in der energetischen Transformation von zentraler Bedeutung ist. Von den derzeitigen Kleinanlagen geht die Planung zum industriellen Serienbau mit Leistungen über 100 MW. Hier kann die Galvanotechnik bei kostengünstiger Serienfertigung hocheffizienter Anlagen durch Funktionsbeschichtungen für Elektroden, Gasreinigungs-Bauteile, Sicherheitselemente wie Gassensoren einen wichtigen Beitrag leisten. So können statt des Elektrodenmaterials Edelstahl normale Stähle mit einer hochaktiven Nickel-Beschichtung genutzt werden. Statt eines derzeit üblichen Wirkungsgrades von ca. 60–65 Prozent lässt sich dieser durch katalytische Oberflächen auf 75–80 Prozent steigern (A. Brinner).

Neue Funktionsschichten für erhöhte Anforderungen

Insbesondere im Automobilbau kommt den Steckverbindern bei der Elektrifizierung, dem zukünftig autonomen Fahren sowie Connected Cars eine große Bedeutung zu. Geforderte Eigenschaften betreffen die Leitfähigkeit, mechanische Kennwerte, tribologische und korrosionsbeständige Eigenschaften, Umweltverträglichkeit und Beherrschung von Verlustwärmen. In der Breite der Einsatzfelder sind HF, Datenübertragung sowie besonders im Ladebereich Hochstromanwendungen zu berücksichtigen. Bewährte Oberflächen sind auf Basisschichten etwa von Kupfer und Nickel Überzüge aus Gold, Palladium, sowie Zinn und besonders für hohe Ströme Silber. Geringe Reibwerte lassen sich etwa bei Silber durch Nachbehandlung mit Thiolen oder durch eine Dispersionsabscheidung zum Beispiel mit Einlagerungen von Graphiten, Sulfiden oder PTFE realisieren. Zur Vermeidung von Kaltverschweißungen kommen auch Silber-Zinn-Legierungen zum Einsatz (H. Schmidt).

Auch beim Wandel vom Verbrennungsmotor zur E-Mobilität stellt die galvanotechnische Behandlung etwa des Antriebsstranges und der Vielzahl der notwendigen Lager ein Thema dar. Berichtet wurde über neue Entwicklungen bei der Brünierung durch Prozessoptimierung und durch Manganzusätze. Hierdurch wurden dichtere Schichten und somit bessere Oberflächenwerte wie etwa geringere Rauheiten erzielt. Bei Radlagern hat sich die Anwendung von Zinklamellenbeschichtung bewährt (Ch. Meier).

Durch Fortschritte in der Badentwicklung setzt sich die Abscheidung von funktionellen Chromschichten aus dreiwertigen Elektrolyten gegenüber sechswertigen weiter durch. Im dekorativen Bereich ist die leicht unterschiedliche Farbigkeit (gelblich/bläulich) weiterhin ein Problem. Untersuchungen zur Farbgebung haben ergeben (M. Leimbeach), dass weniger die leicht unterschiedliche Schichtzusammensetzung als vielmehr die Mikrostruktur entscheidend ist. Während aus sechswertigen Chrombädern abgeschiedene Schichten eine feine Struktur (bläulicher Farbeindruck) ausweisen, ist dies bei den dreiwertigen eine aus runden Körnern bestehende gröbere Struktur (gelblicher Farbeindruck), die mit zunehmender Schichtdicke ausgeprägter ist. Spektrale Reflexionsmessungen stehen hierzu mit Berechnungen der geometrischen Optik an gestreuten Partikeln in Übereinstimmung. Durch Abscheidung aus dreiwertigen Elektrolyten mit geeigneten Pulse-Plating-Parametern lassen sich feinere Schichtstrukturen mit einem vergleichsweise bläulichen Farbton erzeugen.

Simulation und Prozessfähigkeit

Simulation und Prozesskontrolle sind wichtige Elemente der Galvano- und Oberflächentechnik. Für den Bereich der Schichtdicke gibt es verschiedene Computerprogramme, die im Wesentlichen die primäre Stromdichteverteilung betreffen. In Bezug auf die Behälter, Eintauchtiefe, die Probenposition, Anoden und Blenden ist zu unterscheiden, ob Einzelteile oder Gestellware beschichtet werden sollen. In einem Projekt wurde ein Handbuch entwickelt, mit Hilfe dessen grundsätzliche Hinweise für unterschiedlich große Bauteile und deren Anordnung und Abstände im Gestell gegeben werden. (P. Schwanzer). Die Grenzen für solche Betrachtungen liegen im Aufwand der modellierten Aspekte. So sind in der Praxis kinetische (Nebenreaktionen, Teilströme bei Legierungsabscheidung usw.) und den Stofftransport beeinflussende Effekte von Bedeutung.

Im Rahmen der Qualitätssicherung galvanotechnischer Betriebsabläufe ist die Prozessfähigkeit cp bzw. für kritische Prozessmerkmale die kritische Prozessfähigkeit cpk von Bedeutung. Am Beispiel der chemischen Vernickelung wurden unter Berücksichtigung der Badzusammensetzung, der Komplexbildner, des Badalters sowie von Praxisbedingungen wie etwa des Teilemix und der Verschleppung Stoff- und Reaktionsbilanzen aufgestellt. Mit Hilfe der im Betrieb hierfür ermittelten Daten ist es möglich, den Badzustand für einen späteren Zeitpunkt zu bestimmen. Dies bietet Potenzial für Einsparungen sowie Instandhaltung bei einer im Beispiel gesteigerten Prozessfähigkeit von 0,5 auf 1,5 (Ch. Baumer).

Basis für die Digitalisierung galvanotechnischer Prozesse ist die Ermittlung von Stoffbilanzen und die Simulation der Prozessführung. Die Herausforderungen bestehen in der Komplexität der Elektrolyte, der Anlagentechnik, der Teileart und -form (Gestell, Trommel) und auch der hiermit verbundenen Ausschleppung. Die Badanalytik erfolgt im Allgemeinen online sowie extern, bei letzterem auch bezüglich der zugesetzten Organik. Üblich ist eine Steuerung des Prozesses über Amperestunden wobei dies einen Mittelwert über alle Teile darstellt und beim Stoffverbrauch auch das Schöpfvolumen der Teile eingeht. Im Rahmen eines Modellprojektes für unterschiedlich schöpfende Teile wurde ein Datensatz über alle relevanten Prozessgrößen aufgestellt. Ein auf der Datenbasis konzipierter Stoffbilanz-Algorithmus ergibt ein cyber-physisches Modul (Digitaler Zwilling), das eine engere Prozessführung erlaubt, durch eine geringere Abhängigkeit von der externen Analytik zu einem geringeren Chemikalienverlauf und zu einer vorausschauenden Wartung führt (St. Kölle).