Die Oberflächenveredelungsindustrie befindet sich inmitten eines tiefgreifenden Wandels, ausgelöst durch zunehmend striktere regulatorische Vorgaben im Umgang mit gefährlichen Stoffen, insbesondere sechswertigem Chrom [Cr(VI)]. Das bei der Verchromung eingesetzte Chromtrioxid gerät wegen seiner krebserregenden Wirkung und erheblicher Umweltbelastung immer stärker unter Beobachtung. Inzwischen wurden umfassende Beschränkungen für die Nutzung von Cr(VI) erlassen und die Industrie dazu verpflichtet, auf sicherere Alternativen wie dreiwertige Chromelektrolyte [Cr(III)] umzusteigen. Herausforderung und Komplexität in der Umstellung werden durch zusätzliche Vorschriften verschärft, z. B. für die Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS).
Mit diesen neuen regulatorischen Vorgaben gewinnt die Entwicklung Cr(VI)-freier Technologien, die zugleich keine PFAS enthalten, zunehmend an Bedeutung. Von MKS' Atotech entwickelte Lösungen erfüllen die gesetzlichen Anforderungen und entsprechen den hohen Leistungsstandards der Oberflächenveredelung. Die Fähigkeit der gesamten Branche, sich kontinuierlich anzupassen und die ökologische Bilanz zu verbessern, wird zunehmend wichtiger, um die Zukunftsfähigkeit abzusichern.
Strengere EU-Vorschriften zu Cr(VI) treiben Wandel zu Alternativen voran
Cr(VI), das als Quelle für Chrom traditionell eingesetzt wird, gilt als bekanntes Karzinogen und stellt ein erhebliches Risiko für Umwelt und Gesundheit dar. Um diese Gefahren zu minimieren, setzt die EU auf verschärfte Regelungen, die die Nutzung dieses Stoffes stark einschränken und langfristig seine vollständige Substitution fordern könnten. Dies zwingt die Branche, Alternativen wie das dreiwertige Chrom [Cr(III)] zu erforschen und zu implementieren. Ein bedeutender Meilenstein war die Beauftragung der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA) durch die Europäische Kommission, einen Vorschlag zur weiteren Beschränkung von Cr(VI)-Stoffen zu erarbeiten. Die Regulierung von Chromtrioxid [Cr(VI)] durch die europäische REACH-Verordnung, insbesondere durch die Aufnahme in den Anhang XIV im Jahre 2013, hat die Galvanikindustrie bereits erheblich beeinflusst. Seit dem 21. September 2017 ist die Verwendung von Cr(VI) zu autorisieren, und nicht genehmigte Verwendungen sind seither untersagt. Die fortlaufende CTAC-Sub-Zulassung erlaubt somit unter strengen Auflagen weiterhin dekorative und galvanische Beschichtungen auf Kunststoffen (Verwendung 3). Auch wenn für 2024 kein vollständiges Verbot von Cr(VI) formuliert wird, macht die Abhängigkeit von dieser Substanz die Industrie unsicher, da der offizielle Beschränkungsprozess noch nicht abgeschlossen ist und weitere Verschärfungen im Raum stehen.
MKS' Atotech: Cr(VI)-freie und nicht-PFAS-basierte Galvanotechnik
MKS' Atotech hat Cr(VI)-freie Verfahren für die dekorative Galvanotechnik und die Kunststoffbeschichtung entwickelt. Ein Beispiel dafür ist das Covertron 600-System (Abb. 1), mit dem ABS- und ABS/PC-Substrate gebeizt werden. Dieses Verfahren verzichtet vollständig auf Chrom und liefert dennoch ein Beizbild, das den herkömmlichen Benchmarks entspricht und damit den optischen und kosmetischen Anforderungen der Branche gerecht wird. Covertron 600 wird bereits weltweit in verschiedenen Produktionsstätten eingesetzt und hat umfangreiche OEM-Thermozyklustests erfolgreich durchlaufen. Es bietet eine sehr gute Haftung und ist mit einer Vielzahl von Kunststoffen, darunter ABS und ABS/PC kompatibel. Seine hohe Selektivität bei der Beschichtung von 2K- und 3K-Komponenten macht es zu einer vielseitigen Lösung, die den anspruchsvollen Anforderungen moderner Fertigungsprozesse gerecht wird.
Abb. 1: Mit dem Verfahren Covertron 600 beschichtete Bauteile der Firma Atotech
TriChrome-Verfahren: Fortschrittliche Cr(VI)-freie Lösungen
Die TriChrome-Prozesse von MKS' Atotech bieten eine Cr(VI)-freie Alternative in der traditionellen Glanzverchromung ohne Kompromisse bei Ästhetik oder Haltbarkeit. TriChrome Plus ist speziell für hohe Beschichtungsgeschwindigkeiten konzipiert und zeichnet sich durch hohe Korrosionsbeständigkeit aus, die sich in herausfordernden Tests, wie dem CaCl2/Russian Mud-Test, bewährt hat. Und TriChrome Ice bietet eine Chromoberfläche, die optisch vergleichbar mit Cr(VI)-Beschichtungen ist. IMO-Anoden sorgen für Streufähigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
Die TriChrome-Familie (Abb. 2) umfasst zudem eine Serie von dunklen, modernen Farbtönen, die Antworten auf die aktuellen Designtrends geben. TriChrome Smoke 2 präsentiert sich in einem warmen, hellgrauen Farbton, während TriChrome Shadow einen etwas dunkleren, kalten Grauton bietet. TriChrome Titan erlaubt ein tiefes, neutrales Grau, TriChrome Graphite ein noch dunkleres, warmes Grau und TriChrome Phantom liefert das dunkelste Grau der Serie. Diese Oberflächen sind von zahlreichen Erstausrüstern (OEMs) der Automobilindustrie freigegeben und in ihrer Serienproduktion im Einsatz.
Abb. 2: Die TriChrome-Prozesse bieten eine Cr(VI)-freie Alternative in der traditionellen Glanzverchromung
Strategien zur Verringerung der Umweltauswirkungen
Angesichts der globalen Bemühungen, gesetzte Nachhaltigkeitsziele zu erreichen, rückt die Entwicklung entsprechender Technologien zunehmend in den Fokus. OEMs, die sich ambitionierten Zielen zur Erreichung der Kohlenstoffneutralität verschrieben haben, suchen verstärkt nach Lösungen in der Oberflächenveredelung, die nicht nur den ökologischen Fußabdruck minimieren, sondern auch die technischen und ästhetischen Anforderungen der Industrie erfüllen.
Umweltauswirkungen von Oberflächenveredelungstechnologien
Die Bewertung der Umweltverträglichkeit von Oberflächenveredelungstechnologien spielt eine zentrale Rolle für die Gesamtumweltauswirkungen in Branchen mit hohem Materialverbrauch, wie Stahl, Aluminium, Polymere, Elektronik, Reifen und Glas. Insbesondere im Automobilsektor gewinnt die Forderung nach Transparenz in den Prozessen zunehmend an Bedeutung. Durch die Anzahl der Untersuchungen werden standardisierte Ansätze immer wichtiger. Zurzeit führen deren Fehlen und die uneinheitlichen Bewertungsmethoden innerhalb der Automobilindustrie zu erheblichen Unstimmigkeiten bei der Berichterstattung und Interpretation. Diese Diskrepanzen stellen Unternehmen vor große Herausforderungen, insbesondere wenn man sowohl gesetzlichen Vorgaben als auch den OEM-spezifischen Nachhaltigkeitszielen gerecht werden will.
Auswirkungen auf die Lieferkette und rechtliche Rahmenbedingungen
Die Nachfrage nach nachhaltigen Lieferketten hat sich durch schärfere Vorschriften und Gesetze weiter intensiviert. Diese Regelwerke erstrecken sich zunehmend über den gesamten Produktlebenszyklus, von der Rohstoffgewinnung bis hin zur Endnutzung durch den Kunden. Die mangelnde Harmonisierung der Methoden zur Bewertung von Umweltbilanzen stellt Unternehmen vor erhebliche Herausforderungen, insbesondere wenn sie in verschiedenen Regionen tätig sind und unterschiedlichen regulatorischen Anforderungen gerecht werden müssen. Damit verlangen OEMs und Tier-1-Zulieferer immer spezifischere Kenngrößen zur Ermittlung der Treibhausemissionskennzahlen, wie beispielsweise Kilogramm CO2-Äquivalent pro Quadratmeter (kg CO2e/m2) der gefertigten Teile. Dieser Paradigmenwechsel betrifft nicht nur die Tier-1-Zulieferer, sondern hat auch weitreichende Auswirkungen auf die gesamte Lieferkette. Auch Lieferanten von Spezialchemikalien und anderen Materialien, die in der Oberflächenbearbeitung zum Einsatz kommen, sind davon betroffen.
Nachhaltigkeit in der Galvanikindustrie
MKS' Atotech stellt bereits Daten seines gesamten Produktportfolios bereit. Die Methodik zur Berechnung basiert auf einer umfassenden Analyse, die die gesamte Wertschöpfungskette umfasst. Sie berücksichtigt die Zusammensetzung der Produkte, die Produktionsprozesse sowie die verwendeten Rohstoffe. MKS' Atotech nutzt dabei eine Vielzahl von Datenquellen, darunter unternehmenseigene Datenbanken und nutzt bei Bedarf auch Modellierungstechniken für Spezialchemikalien, die in gängigen Datenbanken nicht verfügbar sind. Final werden noch der Energieverbrauch und die Verpackung in die Berechnungen des Lebenszyklus einbezogen.
Cradle-to-Gate- und Gate-to-Gate-Methoden
Es werden umfassende Bewertungen verwendet, um die Umweltauswirkungen der Produkte präzise zu quantifizieren. Der Cradle-to-Gate-Ansatz umfasst den gesamten Lebenszyklus eines Produkts von der Rohstoffgewinnung über die Material- und Energieversorgung bis hin zur Chemieproduktion, Verpackung und Lieferung an den Kunden.
Methodik – Berechnungsablauf
Für die Methodik hat MKS' Atotech mit einem unabhängigen Projektpartner zusammengearbeitet. Die Methodik umfasst die Bewertung aller Produktionsstufen, einschließlich der Grundstoffe und Spezialchemikalien, wobei die gesamte Lieferkette von entscheidender Bedeutung ist. Zu den bewerteten Aspekten gehören die Rohstoffe. Trotz vorhandener Daten aus Literatur und Datenbanken liefert die chemische Industrie gegenwärtig nicht alle erforderlichen Informationen über jede Substanz in der Lieferkette. Daher ist es notwendig, bestimmte spezifische Rohstoffe zu modellieren. Dabei werden wesentliche Faktoren wie Transport, Vorprodukte, Energieversorgung sowie die detaillierten chemischen Prozesse bei der Herstellung der Rohstoffe und ihrer Zwischenprodukte berücksichtigt. Neben den Primärprodukten werden auch Nebenprodukte und das interne Recycling verfolgt. Während der Einfluss von Anlagenerstellung und Infrastruktur oft als vernachlässigbar gilt, werden andere Faktoren wie Abwärme, Abwasser, Abfall und Abluft sorgfältig berechnet. Diese Energieströme werden entweder hinsichtlich ihrer Wiederverwertungsmöglichkeiten oder ihrer Umweltauswirkungen bewertet.
Dieses komplexe Verfahren ist derzeit unverzichtbar, wird jedoch künftig durch erweiterte Datenbanken und umfassendere Kenntnisse der Chemikalienanbieter erleichtert werden, wodurch eine noch präzisere und vollständigere Analyse möglich wird.
Berechnung des Kohlenstoff-Fußabdrucks
Die Methode zur Quantifizierung der Umweltverträglichkeit vergleicht verschiedene Oberflächenveredelungstechnologien, darunter Cr(VI)-Beschichtungen, Cr(VI)-freie Alternativen, Lacke und physikalische Gasphasenabscheidung (PVD). Im Falle der Galvanotechnik umfasst die Berechnung detaillierte Daten über die eingesetzten Chemikalien, insbesondere die Rohstoffe, und ihren Verbrauch über die Zeit. Ein besonderer Fokus liegt auf Metallen wie Kupfer, Nickel, Palladium und Chrom. Da neben dem Kupfer die meisten der verwendeten Metalle als Primärmaterial angenommen werden, wird das Recycling von Nickel, Palladium und Chrom in zukünftige Bewertungen einbezogen.
Zur Schätzung des Energieverbrauchs wird eine virtuelle Beschichtungsanlage unter Annahme einer üblichen Zykluszeit herangezogen. Dabei werden explizit Komponenten wie Gleichrichter, Gestelle, Filter, Kühl- und Heizsysteme sowie das Abluftmanagement berücksichtigt. Auch die Entstehung von Abfall und Abwasser wird in die Berechnungen mit einbezogen, wobei der Abtransport außen vor bleibt. Weitere Variablen wie Ausschussraten, Gestellbelegung, Durchsatz und durchschnittliche Schichtdicke fließen ebenfalls in die Analyse ein, um eine präzise und umfassende Bewertung zu gewährleisten.
Technologien im Wettbewerb zu Chrom: Lacke und PVD
Wie angekündigt, umfasst die Methodik auch die Bewertung konkurrierender Technologien wie Lacke und physikalische Gasphasenabscheidung (PVD). Bei der Analyse von Lacksystemen wird ein dreischichtiger Aufbau angenommen, bestehend aus einer Grundierung, einem wasserbasierten Basislack und einem lösungsmittelbasierten Decklack. Die Bewertung erfolgt virtuell unter Simulation einer modernen Anlage, lokalisiert in Europa. Die Aushärtung wird in gasbetriebenen Öfen und weiteren energieintensiven Prozessen berücksichtigt. Wichtige Annahmen, wie Ausschussraten, Gestellbelegung und der Overspray stützen sich auf aktuelle Literatur und auf Expertenwissen, damit die Ökobilanz realistisch abgebildet wird. Für das PVD-Verfahren wird ebenfalls ein dreischichtiger Aufbau angenommen, der eine wasserbasierte Grundierung, die PVD-Beschichtung und einen lösungsmittelbasierten Decklack umfasst. Diese umfassende Analyse ermöglicht einen detaillierten Vergleich der Umweltauswirkungen von Lacken und PVD-Technologien im Vergleich zu traditionellen Chrombeschichtungen.
Cr(VI)-freie Lösungen für die Kunststoffbeschichtung
Die Entwicklung von Cr(VI)-freien Lösungen für die Kunststoffbeschichtung folgt einer präzisen Methodik. Zunächst erfolgt die Kunststoffvorbehandlung, die darauf abzielt, den Kunststoff für eine optimale Haftung der Metallschicht vorzubereiten und seine Leitfähigkeit zu gewährleisten. Dieser Schritt ist entscheidend für die Qualität der Beschichtung, obwohl er im Endprodukt oft nicht sichtbar ist. Im nächsten Schritt wird die dekorative Beschichtung aufgetragen, bei der mehrere Metallschichten für das gewünschte Aussehen und die erforderliche Korrosionsbeständigkeit sorgen. Typischerweise umfasst dieser Prozess die Beschichtung mit Kupfer, Nickel und Chrom. Hierbei wird dreiwertiges Chrom (TriChrome) als nachhaltige Alternative zu sechswertigem Chrom verwendet. Jeder dieser Schritte wird detailliert modelliert, um die gesamten Umweltauswirkungen zu erfassen. Dies schließt den Rohstoffverbrauch, den Energieaufwand und den Abfall ein. Durch diese umfassende Betrachtung wird ein präziser Vergleich zwischen traditionellen und innovativen Oberflächenveredelungstechnologien ermöglicht.
Vergleich der Technologien
Bei der Analyse der Umweltkennzahlen verschiedener Oberflächenveredelungstechnologien wie Galvanotechnik, Lackierung (Dreischichtsystem) und physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) sind sowohl der Energieverbrauch als auch der Materialeinsatz entscheidende Faktoren. Die relativen Auswirkungen variieren jedoch erheblich zwischen den Technologien. In der Galvanotechnik macht der Energieverbrauch etwa 65 % der gesamten Treibhausgas-Emissionen aus. Dieser wird primär durch den Strom- und Gasverbrauch bestimmt, wobei insbesondere Gleichrichter als größte Energieverbraucher hervortreten. Die verbleibenden 35 % entfallen auf den Materialverbrauch, wobei die Beschichtung mit Metallen wie Kupfer, Nickel und Chrom den Hauptanteil ausmacht.
Im Gegensatz dazu entfallen bei einem dreischichtigen Lackiersystem rund 70 % der Emissionen auf den Energieverbrauch, insbesondere durch Gas und die entsprechenden Öfen. Der Materialaufwand beträgt etwa 25 %, vor allem verursacht durch die organischen Komponenten im Lack. Weitere 5 % resultieren aus flüchtigen organischen Verbindungen (VOC), die sich während des Aushärtungsprozesses in Kohlendioxid umwandeln.
Bei der PVD-Technologie zeigt sich ein ähnliches Muster: Hier entfallen etwa 75 % der Emissionen auf den Energieverbrauch, wobei Gas und Öfen die Hauptverursacher sind. Der Materialaufwand beläuft sich auf etwa 20 %, während flüchtige organische Verbindungen 5 % der THG-Emissionen ausmachen. Diese Vergleiche verdeutlichen die unterschiedlichen Schwerpunkte und Herausforderungen der einzelnen Technologien in Bezug auf Energie- und Materialeffizienz.
Recycelbarkeit beschichteter Bauteile
Verchromte Komponenten werden in puncto Nachhaltigkeit oft falsch eingeschätzt, obwohl sie dank ihres dauerhaften Materialwerts und ihrer vollständigen Recycelbarkeit erhebliche ökologische Vorteile bieten. Ein geschlossener Recyclingprozess ermöglicht es, verchromte Kunststoffbauteile am Ende ihres Lebenszyklus einem umfassenden Recycling zuzuführen. Alte verchromte Bauteile werden effizient in neue Komponenten umgewandelt, wodurch Abfälle reduziert und wertvolle Ressourcen geschont werden. Dieser Kreislaufansatz hilft Herstellern nicht nur, ihren ökologischen Fußabdruck zu verringern, sondern stärkt auch die langfristige Nachhaltigkeit verchromter Produkte.
Kunststoffkomponenten, die mit PVD (Physical Vapor Deposition) oder Lack beschichtet sind, stellen eine Herausforderung in Bezug auf die Recycelbarkeit dar. Im Gegensatz zu verchromten Bauteilen, die vollständig recycelt werden können, erschwert die Kombination von Kunststoff mit PVD-Beschichtungen oder Lackschichten den Recyclingprozess erheblich. Diese Beschichtungen haften fest am Kunststoff und lassen sich nur schwer trennen, was dazu führt, dass solche Bauteile meist nicht wiederverwertet werden können. Dadurch entsteht zusätzlicher Abfall, und wertvolle Ressourcen gehen verloren, was den ökologischen Fußabdruck dieser Produkte im Vergleich zu vollständig recycelbaren Alternativen deutlich erhöht.
Potenziale zur Verringerung der Umweltauswirkungen
Bei allen drei Oberflächenveredelungstechnologien – Galvanotechnik, Lackierung und PVD – stellt der Energieverbrauch den entscheidenden Faktor für die Treibhausgasemissionen dar. Die Galvanotechnik bietet jedoch besonders vielversprechende Möglichkeiten zur Reduzierung der Treibhausgas-Emissionen durch den Einsatz erneuerbarer Energiequellen. Eine Umstellung auf einen saubereren Energiemix, bei dem erneuerbare Energien fossile Brennstoffe ersetzen, kann die Stromemissionen um bis zu 70 % senken. Bei einem Strommix, der mehr als 60 % erneuerbare Energien oder Kernenergie enthält, könnte diese Reduzierung bis zu 90 % betragen.
Zusätzlich bietet der Materialverbrauch in der Galvanotechnik erhebliches Potenzial zur Senkung der Treibhausgasemissionen. Der Einsatz von recycelten Metallen kann die Auswirkungen erheblich reduzieren, insbesondere bei Prozessen, die große Mengen an Metallen wie Kupfer, Nickel und Chrom verwenden.
Des Weiteren haben Cr(VI)-freie Lösungen in der Galvanotechnik gezeigt, dass deren Treibhausgasemissionen je nach spezifischem Verfahren und verwendeten Materialien gleichwertig oder sogar etwas geringer sind als die von traditionellen Cr(VI)-Methoden.
Energie- und Materialbeiträge in der Galvanotechnik
In der Galvanotechnik tragen verschiedene Prozessschritte unterschiedlich zum gesamten Energie- und Materialfußabdruck bei. Die Kunststoffvorbehandlung, die etwa 10 % der gesamten chemiebedingten Emissionen ausmacht, stellt einen frühen, aber wesentlichen Schritt im Prozess dar. Im Vergleich dazu entfällt der überwiegende Anteil von etwa 90 % der Emissionen auf die dekorative Beschichtung, bei der Metalle wie Kupfer, Nickelw und Chrom zum Einsatz kommen.
Der höchste Energieverbrauch entfällt auf die Gleichrichter. In Bezug auf den Materialverbrauch trägt die Kunststoffvorbehandlung etwa 20–25 % zum gesamten materialbezogenen Emissionsausstoß bei, hauptsächlich durch Beizprozesse und die Verwendung von Metallen und Salzen. Im Gegensatz dazu verursacht die dekorative Beschichtung etwa 75–80 % der stofflichen Emissionen. Mehr als 90 % dieses Beitrags entfallen auf die verwendeten Metalle und Salze, insbesondere Kupfer, Nickel und Chrom. Die Menge der Emissionen wird maßgeblich durch die Dicke der aufgebrachten Metallschichten beeinflusst.
Zusammenfassung
Die Oberflächenveredelungsindustrie steht an einem kritischen Wendepunkt, an dem sie sich sowohl an die zunehmend strengen Vorschriften für gefährliche Stoffe anpassen wird, als auch Nachhaltigkeitsziele erreichen muss. Der Trend hin zu innovativen, nachhaltigen Technologien, wie Cr(VI)-freien Lösungen, unterstreicht das Engagement der Branche für Umweltverantwortung bei gleichzeitiger Wahrung der Leistungsfähigkeit.
Mit ehrgeizigen Nachhaltigkeitszielen und einer wachsenden Nachfrage nach transparenten Nachhaltigkeitskennzahlen wird der Bedarf an harmonisierten Bewertungsmethoden immer dringlicher. Der erfolgreiche Übergang zu fortschrittlichen Technologien wird nicht nur die Gesundheits- und Umweltrisiken verringern, welche mit herkömmlichen Verfahren verbunden sind, sondern auch den Weg für eine nachhaltigere Zukunft der Oberflächenveredelung ebnen.
Durch die Integration dieser Veränderungen kann die Branche eine zentrale Rolle bei der Erreichung umfassender Nachhaltigkeitsziele in der Fertigungsindustrie spielen und so zu einem saubereren und sichereren Planeten beitragen.
Der Artikel geht auf den Vortrag „Carbon footprint and sustainability of plating on plastics“ auf den Oberflächentagen 2024 zurück.