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Einführung

Auf Metalloberflächen lassen sich durch chemi- sche und elektrochemische Reaktionen zwischen den Oberflächenatomen des Metallsubstrates und potentiellen Reaktanten der Umgebungsmedien Konversionsschichten auf Basis der entsprechen- den Metallverbindungen bilden. Diese Reaktionen können, im Gegensatz zu unerwünschten, funk- tionsbeeinträchtigenden Korrosionserscheinungen des Substratmaterials, zur Ausbildung passivie- render, haftfester Konversionsschichten führen, so dass man in vielfältiger Weise zu hoch interessan- ten Oberflächenmodifizierungen und -funktionali- sierungen gelangt.

Durch die Wahl geeigneter Reaktanten und Ver- fahrensparameter (z.B. Brünieren, Phosphatieren, Nitridieren, Anodisieren) ist ein breites Spektrum technisch relevanter Oberflächensysteme zugäng- lich. Einen Sonderfall der anodischen Oberflächen- behandlung stellt die anodische Oxidation unter Funkenentladung dar.

Als Anodenmaterialien eignen sich dabei die so genannten Ventilmetalle (valve metals), deren Bezeichnung auf deren unterschiedliche, dioden- ähnliche kathodische Durchlässigkeit bzw. ano- dische Sperrwirkung für Ladungsträger bei der entsprechenden Polung eines äußeren elektrischen Feldes in wässrigen Elektrolytsystemen zurück- zuführen ist. Besonders ausgeprägte Ventilmetall- eigenschaften zeigen Aluminium, Tantal, Titan, Zirkonium, Niobium, Hafnium sowie Legierungen dieser Metalle.

Durch anodische Polung in geeigneten Elektrolyt- systemen wird die vorhandene, wenige Nanometer starke natürliche Oxidschicht dieser Metalle unter Ausbildung einer passivierenden, porenfreien Sperrschicht während einer Formierphase ver- stärkt. Das Wachstum dieser Sperrschicht ist durch das Erreichen der so genannten Funken- oder

Durchschlagsspannung, ein für das jeweilige Metall/Elektrolyt-System charakteristischer Wert, begrenzt. Bei diesen Anodenpotentialen treten erste dielektrische Durchschläge (dielectric breakdown) auf.

Die dabei ablaufenden elektrochemisch-plasma- chemischen Reaktionen sind makroskopisch durch sichtbare Funkenentladungen an der Phasengrenze Anode/Elektrolyt (Abb. 1), durch akustische Effekte sowie deutliche Potentialschwankungen gekennzeichnet.

Im Resultat der anodischen Oxidation unter Fun- kenentladung entsteht, im Vergleich zu konven- tionellen Anodisierverfahren, ein hinsichtlich der Oberflächenmorphologie (Abb. 2), Phasenstruktur und chemischer Zusammensetzung völlig neuar- tiger Typ glaskeramikartiger anodischer Konver- sionsschichten.

Die Ventilmetalle – die technisch wichtigsten sind Aluminium und Titan – zeichnen sich durch die Bil- dung einer natürlichen und äußerst stabilen Oxidschichtschicht aus. Durch diese Oxidschicht wird der Angriff auf das Metall in Form von Korrosion bereits deutlich reduziert. Durch anodische Oxidation – bei Aluminium auch als Eloxierung bezeichnet – in wässrigen Lösungen kann Dicke und Aufbau der Oxidschicht noch gezielt verändert und die Beständigkeit gegen Korrosion, aber auch Verschleiß noch weiter erhöht werden. Die anodische Oxidation von Aluminium zählt bereits seit vielen Jahren zu den eingeführten Verfahren der Oberflächentechnik.

Eine neue Beschichtungsvariante mit deutlich anderem Verfahrensablauf und anderer Schichtcha- rakterisik ist die plasmachemische Oxidation, wie auch bereits aus dem Titelbild dieses Heftes zu erkennen ist. Die Beschichtung ist zudem nicht nur für Aluminium oder Titan, sondern auch für das zunehmend interessanter werdende Magnesium einsetzbar. Allerdings waren detailliertere Veröffent- lichungen bisher sehr rar.

Ein Leserbrief in der Galvanotechnik 93 (2002) 11, S. 3004 wies auf die nötige differenzierte Betrachtung der von der Bundesregierung so hoch gelobten Windenergie hin, da deren installierte Kapazität nur begrenzt zur Wirkung kommt. Es wird vielmehr die Frage gestellt, warum man nicht mehr für die gezielt planbare Förderung der insbesondere für die Klimaentwicklung vorteilhaften Kernkraft eintritt.

In Norddeutschland gibt es kaum noch Regionen, in denen der Horizont nicht das Bild einer mehr oder weniger großen Vielzahl von Windgeneratoren zeigt. Die Dichte dieser regenerativen Energiespender hat inzwischen ein Maß erreicht, dass man nun in Richtung Off-shore-Anlagen im küstennahen Meeresbereich plant. Dennoch ist der zu erwartende Energieertrag begrenzt und vom Wind abhängig.

Über andere alternative, so genannte regenerative Ener- gien wurde und wird laufend berichtet. Doch sind auch diese Energiequellen regional durch die natürlichen Bedingungen begrenzt – die teure Solarenergie durch die erforderliche Licht-/Sonneneinstrahlung, Wasserkraft durch das Vorhandensein entsprechender Gewässer- gefälle. Die Geothermie steckt noch in den Anfängen praktischer Anwendung.

Der rasante Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien (EE) erfordert eine zeitnahe Erhebung und laufende Aktualisierung der Daten und Fakten zur Entwicklung im Bereich Umwelt und erneuerbare Energien. Das Bundesumweltministerium hat daher im Zuge der Zusammenarbeit mit mehreren wissenschaftlichen Insti- tuten aktuellste Daten und Informationen zum Thema Umwelt und erneuerbare Energien zusammengestellt. Im Folgenden wird eine kurze Übersicht gegeben. Ausführlichere Informationen enthalten die aktuellen Publikationen des Bundesumweltministeriums sowie weitere Veröffentlichungen, die am Ende des Artikels angegeben sind.

Mit einem Bürogebäude nach dem Passivhauskonzept in Stuttgart zeigt die Firma Lamparter die Möglichkeite zur Energieeinsparung im Dienstleistungsbereich auf, gefördert vom BMWi, in Zusammenarbiet mit der FH für Technik, Stuttgart, und dem FhG Institut für Solare Energiesysteme

Bei der Büroarbeit werden besondere Anforderun- gen an die Belichtungsverhältnisse und das Raum- klima gestellt. Sollen diese erfüllt werden, wird dies bei bestehenden Gebäuden im Allgemeinen mit viel technischem Aufwand realisiert. Bei einem Bürogebäude mit einem Dämmstandard nach der Wärmeschutzverordnung 1995, ohne besondere Maßnahmen zum rationellen Energieeinsatz, liegt der Primärenergieverbrauch für die Gebäude- technik bei ca. 200 kWh/m2a, davon benötigt die Beheizung mehr als ein Drittel (Studie IWU). Der hohe Verbrauch führt dazu, dass die Energiekosten in den Gebäudenebenkosten dominieren. Durch einen geeigneten Entwurf in Einklang mit einem intelligenten Energiekonzept lässt sich dieser Auf- wand minimieren.

Bundesregierung legt Erfahrungsbericht vor

Das Bundeskabinett hat am 10. Juli 2002 den ersten Erfahrungsbericht1 zum Erneuerbare-Energien- Gesetz (EEG) vorgelegt, das von der federführend vom Bundesumweltministerium erarbeiteten Bio- masseverordnung (BiomasseV) flankiert wird2. Der Bericht, der vom Bundeswirtschaftsministerium im Einvernehmen mit dem Bundesumweltministerium und dem Bundesministerium für Verbraucher- schutz, Ernährung und Landwirtschaft erarbeitet wurde, bestätigt den Erfolg von EEG und Biomas- severordnung: Der Anteil der erneuerbaren Ener- gien am Stromverbrauch ist von 5,2 % im Jahr 1998 bis zum Ende des Jahres 2001 auf knapp 7,5 % gestiegen und dürfte im August 2002 die acht Prozent überschritten haben. Abbildung 1 zeigt die Entwicklung der eingespeisten Strommengen nach Stromeinspeisungsgesetz (1991 bis 31. März 2000) und EEG (ab 1. August 2000) in absoluten Zahlen. Mit dem EEG und zusätzlichen Maßnahmen kann das Ziel der Bundesregierung, den Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung bis zum Jahr 2010 zu verdoppeln, aus heutiger Sicht erreicht werden. Nach 2010 soll dieser Ausbau weiter deutlich vorangebracht werden. Bis Mitte des Jahrhunderts sollen erneuerbare Energien rund die Hälfte des Energieverbrauchs decken. Daraus ergeben sich zwischen 2010 und 2050 liegende Orientierungswerte.

Die Klima- und Energieprognosen der Umwelt-Organe unterstreichen durch Horror-Szenarien die Bedeu- tung von Klima- und Umweltschutz. Die Finanzierung wird mit Schaffung neuer Arbeitsplätze im Umwelt- bereich motiviert; unerwähnt bleiben die Arbeitsplätze, die durch nicht mehr bezahlbare Forderungen verloren gehen oder ins kostengünstigere Ausland abwandern; denn dort werden auch Umweltschutzgüter – aber oft preiswerter – produziert.

Doch unsere grün eingefärbte Politik lässt einen anderen – zugegebenerweise makabren – Schluss zur Erfüllung der hochgesteckten deutschen Klimaziele zu: Die Zeitschrift Umwelt 10/2002 (siehe Beitrag in diesem Heft) weist aus, dass im Jahr 2001 rd. 44 Mio. t CO2 eingespart wurden, das entspricht nach dieser Betrachtung einem Äquivalent von 4,4 Mio. Deutschen; denn man hat errechnet, dass auf jeden Bundesbürger der gesamtdurchschnittliche Ausstoß von 10 t CO2/Jahr entfällt. Bis zum Jahr 2010 soll der CO2-Ausstoß um insgesamt 70 bis 75 Mio. t gesenkt werden – äquivalent zu 7 bis 7,5 Mio. Bürgern, z. B. der Einwohnerzahl Niedersachsens. Und wenn die erwünschte weitere Verdoppelung bis 2020 erreicht wird, dann entspräche das rd. 15 Mio. Bürgern, die – theoretisch – dann nicht mehr atmen.

Der Karlsruher MicroCar ist ein Schlüsselprojekt für die Mikrofabrik von morgen

 Der in den 1990er Jahren angekündigte Vormarsch der Mikrosystemtechnik lässt noch auf sich warten. Ausnahmen gibt es durchaus, etwa Crash-Sensoren für Automobile oder Druckköpfe von Tintenstrahl- druckern. Sie vereinen auf einem Silizium-Chip sowohl eine mechanische Komponente als auch die zu ihrer Steuerung erforderliche Elektronik. Vieles mehr sollte längst auf dem Markt sein, das das Label Mikromechatronik verdient, doch leider passen die Welten der Mechanik und der Elektronik nicht immer gut zusammen, zumal nicht jede mechanische Komponente in Silizium herzustellen ist. Wer es – zumindest für ein spezielles Produkt – geschafft hat, beide wirtschaftlich zu vereinen, behält dieses Wissen gern als Betriebsgeheimnis für sich. Das betrifft auch die erforderlichen Fer- tigungsmethoden und -maschinen. Von der Stange gibt es sie nicht zu kaufen. Unternehmen, die nicht die Mittel haben, eine produktspezifische Fabrika- tionstechnik aufzubauen, haben das Nachsehen. Ergebnis: Die Nachfrage stagniert, der Markt kann sich nicht entwickeln.

Das Ziel des virtuellen Unternehmens MikroWebFab ist der Aufbau eines Kompetenznetzwerkes, in dem kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) ihr spezifisches Know-how und einen Teil ihrer Produk- tionskapazität zur Verfügung stellen. Damit wollen sie gemeinsam in einem Markt Fuß fassen, der ihnen bislang aufgrund seiner Anforderungen vor allem an komplizierte Fertigungstechnologien und interdiszi- plinäres Know-how verschlossen war. Erste Ergebnisse und Referenzprodukte wurden auf einem Status- seminar vorgestellt.

Einleitung

Die rasant wachsende Nachfrage nach Information und Kommunikation hat Licht als Datenüberträger einen enormen Vorschub gebracht. Schon heute werden über 90 % der Datenmengen in Deutsch- land über Photonen in Glasfasernetzen transportiert [1]. Die Vorteile von Licht liegen nicht nur in seiner Geschwindigkeit, sondern auch in seiner Störun- anfälligkeit, d.h. die Photonen lassen sich weder von externen Feldern wesentlich beeinflussen noch treten sie untereinander in Wechselwirkung [2]. Doch nicht nur im globalen Datenverkehr, auch in Privathaushalten oder im Auto werden optische Netze zum Einsatz kommen. Damit rückt die opti- sche Datenübertragung in den Consumer-Markt vor und wird zunehmend durch einen entsprechenden Preisdruck gekennzeichnet.

Ähnliches gilt für den Bereich der optischen Sen- sorik. Sie findet ebenfalls wegen ihrer Störunan- fälligkeit einen stets wachsenden Einsatzbereich, sei es in der industriellen Produktion zur Regelung und Überwachung von automatisierten Prozessen oder ebenfalls im Consumer-Bereich, insbesondere wiederum im Auto. Auch in der Medizintechnik ist die optische Sensorik von besonderem Interesse, da sie im Allgemeinen nichtinvasiv ist und unabhängig von starken Feldern, wie sie z.B. in einem Kern- Spin-Tomographen vorliegen, verwendet werden kann.

Im Zuge zunehmender Miniaturisierung mit dem Ziel der Kostendämpfung durch höhere Integration kommt der Mikrooptik für die optische Telekom- munikation und Sensorik eine Schlüsselrolle zu. Sie ist somit eine Querschnittstechnologie für die genannten Anwendungsfelder, was im Englischen auch mit enabling technology bezeichnet wird – wörtlich eine Möglichmacher-Technologie.

Die Konstruktion hochintegrierter mikrooptischer Bauteile hängt häufig von den zur Verfügung stehenden Fertigungsprozessen ab, d.h. deren Entwicklung ist in der Regel miteinander verknüpft und kann kaum gesondert betrachtet werden. Dies führt jedoch zu hochspezialisierten Prozessen, die der Forderung nach Effizienz und Kostensenkung entgegenstehen. Aus diesem Grunde geht der Entwicklungstrend dahin, mikrooptische Systeme modular aufzubauen auf Kosten einer vollständigen Integration.

Ein solch modularer Ansatz erlaubt den Herstellern von mikrooptischen Systemen, sich auf die Ferti- gung jeweils eines Moduls zu spezialisieren, eine entsprechende Technologie bei sich zu implemen- tieren, und diese für weitere ähnliche Module zu nutzen. Das verringert die notwendigen Investitio- nen, erhöht die Prozesssicherheit, und beschleunigt für die Unternehmen den Return of Investment. Im Folgenden werden ein modulares Fertigungs- konzept vorgestellt [3] und Beispiele für optische Bauteile und Systeme gegeben, die danach gefertigt werden können.

Bericht über die PSE 2002 vom 9. bis 13. September 2002 in Garmisch-Partenkirchen

Die International Conference on Plasma Surface Engineering, die regelmäßig im Zweijahres-Rhyth- mus und traditionell in Garmisch-Partenkirchen stattfindet, hat mittlerweile ihren angestammten Platz in den Kalendern von Wissenschaftlern und Technikern, die sich mit Forschung und Entwick- lung im Bereich der Oberflächentechnologien befassen. Sie hat sich als ein europäisches Pendant zu den großen Veranstaltungen in den USA wie beispielsweise der jährlich stattfindenden Inter- national Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films (ICMCTF) fest etabliert

 Introduction

The thermal spraying is a modern surface engineer- ing technique which has a great potential for the improvement of the materials’ performance in some traditional and many new applications. The possi- bility of coatings’ application within a relatively short time and with a great number of coating- substrate combinations makes the thermal-spraying technology superior to many other surface engi- neering techniques.

Plasma and flame spraying are two varieties of ther- mal spraying, both of which utilise high-energy heat sources to melt and project fine particles of the coating material on the coated surface. While during the flame spraying the initial powder par- ticles are heated by the flame of an oxy-acetylene gun, the plasma-spraying uses the heat of the plasma, obtained from the gas stream, injected between the poles of an electric arc. The tempera- tures which the initial particles reach in these two heat sources are correspondingly up to few thou- sand degrees for the flame – and up to about an order of magnitude higher than that value for the plasma-spraying technique.

On impact with the substrate, the molten particles, moving at very high velocities approaching about 600 m/s [1], cool down and solidify in strongly non-equilibrium conditions due to the fast cooling at a rates 106 to 107 K/s.

Besonders innovative Forschungsvorhaben werden seit Mitte 1999 über das Initiativprogramm Zukunftstechnologien für kleine und mittlere Unternehmen (ZUTECH) aus Mitteln des Bun- desministeriums für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) gefördert. Das Programm wurde als Erweiterung der industriellen Gemeinschaftsforschung entwickelt, um die branchenübergrei- fende Zusammenarbeit zu Gunsten der mittelständischen Wirtschaft zu verbessern. Geförderte Forschungsvorhaben müssen von herausragender Qualität, aber zusätzlich auch von wirtschaft- licher Bedeutung sein. Ihre Ergebnisse sollen die technisch-wissenschaftlichen Voraussetzungen für erfolgreiche Entwicklungen von innovativen Produkten, Verfahren und Dienstleistungen bilden. Ein wichtiges Ziel dieser Forschungsvorhaben ist auch der Transfer der Ergebnisse in kleine und mittlere Unternehmen (KMU), da es besonders bei der Umsetzung von Forschungs- ergebnissen in KMU noch Defizite gibt.

Die Beschichtung von Aluminiumoberflächen mit Lacksystemen erfordert grundsätzlich eine Vor- behandlung zur Erzielung einer hinreichenden Lackhaftung und ausreichenden Korrosionsbestän- digkeit. Das bisher gebräuchliche und auch korro- sionschemisch beständigste Vorbehandlungsver- fahren stellt die Gelbchromatierung dar. Aufgrund der toxischen Wirkung des sechswertigen Chroms werden bereits seit längerer Zeit Anstrengungen unternommen, vergleichbar beständige nichttoxi- sche Systeme zu finden, was zur Entwicklung ver- schiedener chromfreier Vorbehandlungslösungen geführt hat, z.B. auf Basis von [ZrFe6]2- in Kombi- nation mit verschiedenen Zusätzen. Auch eine Viel- zahl anderer Systeme wurden bereits untersucht. Gegenüber dem Filiformkorrosionsangriff in kom- biniertem See- / Industrieklima erfüllt jedoch selbst eine Gelbchromatierung nicht die Anforderungen an eine Langzeit-Korrosionsbeständigkeit. Das hierfür geeignetste Vorbehandlungsverfahren stellt die Voranodisation nach dem GS-Verfahren dar, doch ist das Verfahren aufwändig und teuer. Deshalb wurden im FEM bereits vor etwa sieben Jahren drei hierfür in Frage kommende Systeme auf Basis von Phosphormolybdänsäure, Cer- sowie Vanadium-Komplexen ausgewählt. Es wurden Vor- versuche mit Tauchverfahren auf Basis von Phos- phormolybdänsäure (PMo) unternommen und die Proben an verschiedenen Standorten ausgelagert.

Blumen verkupfern

Frage: Ich bin freier Kunstschaffender und möchte gerne Blumen galvanisch verkupfern oder vergolden. Es geht mir nicht nur um die Farbe, die man ja aufspritzen könnte, sondern auch um eine feste metallische Ober- fläche. Bei der – bisher leider vergeblichen – Suche nach einem geeigneten Verfahren wurde ich auf Ihre Zeit- schrift hingewiesen, in der solche Verfahren beschrieben würden.