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Neue Trends der Automobilindustrie für die Oberflächentechnik als Resümee einer Tagung der Akademie Fresenius GmbH, Dortmund

Die Automobilindustrie war in der Vergangenheit stets ein Motor für Innovationen und wird diese Vorreiterrolle vermutlich auf lange Sicht für sich beanspruchen können. Eine wichtige Ursache für ihre besondere Stellung innerhalb der Vielzahl technischer Anwendungsbereiche sind die hohen Qualitätsanforderungen, die an das Produkt Automobil gestellt werden. Neben der selbstverständlichen Forderung nach einer Erfüllung der technischen Funktionalität standen dabei seit Beginn der motorisierten Fortbewegung auch ästhetische Aspekte im Fokus menschlicher Aufmerksamkeit. Das äußere Erscheinungsbild, geprägt durch das Design und die Gestaltung von Fahrzeugoberflächen, ist daher ein Feld steter Neu- und Weiterentwicklungen, wobei gerade im Bereich der Beschichtungen in den letzten Jahren beeindruckende Fortschritte erzielt wurden.

Eine historische Betrachtung und Würdigung wichtiger Persönlichkeiten bis in die Neuzeit

-Fortsetzung aus Heft 11/2004-

Prof. Dr.-Ing. Robert Bilfinger

Lehrauftrag (1952) und Professur für Galvano-technik von 1954 bis 1963 an der Technischen Hochschule Dresden (heute Technische Universität)

Since many years, aluminum and its alloys have been chosen instead of steel in numerous applications where the structure weight is an important economic factor. These applications related to structure, pipelines, railings in aerospace and automotive industries, electronic industries and machine and ground structures [1-3]. The obtainable mechanical and electrochemical properties of plating aluminum are changed such as wear resistance, friction coefficient, strength and ductility as well as corrosion resistance. Thermal stability, solderability and electrical resistance are main properties in many electronics. The commercially most common reason for surface treatment is decorative or corrosion resistance related. Electroless nickel-phosphorus thin films are often considered engineering coatings because of their exceptionally high hardness, remarkable wear and corrosion resistance properties [4-6]. The properties of these coatings are usually dependent on the crystal microstructure, which in turn is influenced to a large extent by the codeposited phosphorus content [7-10]. Therefore, electroless nickel-phosphorus alloy coatings have been widely used in many industrial sectors [11-15].

Einer der außergewöhnlichsten metallischen Werkstoffe, die wir heute kennen und nutzen, ist Titan. Dabei beruht seine chemische Beständigkeit im eigentlichen Sinne auf seiner äußerst hohen Unbeständigkeit – d. h. seiner extrem hohen Neigung zur Oxidation. Glücklicherweise sind diese Oxide allerdings sehr dicht und schützen das darunter liegende Metall. Daneben besitzt Titan aber auch sehr gute mechanische Eigenschaften – hohe Festigkeit und ein ausgezeichnetes elastisches Verhalten. Diese Summe an guten Eigenschaften verschaffen dem Metall Titan u. a. in der Galvanotechnik als Elektrodenmaterial, in der Luft- und Raumfahrt als Konstruktionswerkstoff oder in der Medizin als Implantat einen begehrten Einsatz. Im vorliegenden Heft berichtet Dr. Puippe (Seite 2908 bis 2915) über Entwicklungsarbeiten zur Oberflächenbehandlung von Titan für den Einsatz in der Medizin. Denn trotz der guten Grundeigenschaften von Titan muss die Oberfläche des Metalles noch verbessert bzw. einheitlich gestaltet und damit auch die hohe Biokompatibilität gewährleistet werden. Dies bedeutet in diesem Fall die Entfernung des bei der Herstellung durch Umformung oder spanende Bearbeitung entstandenen Oberflächenfilmes, der nicht nur aus dem natürlichen Oxid, sondern auch aus den obersten Schichten des Metalles mit eingebrachten Verunreinigungen besteht. Auf Grund der guten chemischen Beständigkeit von Titan bedeutet dies natürlich eine besondere Herausforderung. Und abschließend wird wiederum durch elektrochemische Methoden eine definierte Oxidschicht aufgebracht.

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Als vor fünf Jahren, nach langer Anlaufzeit und zähen Verhandlungen mit der Treuhand über den Kauf des Objekts, die World Resources Company (WRC) endlich den Betrieb in Wurzen/Sachsen zur Aufbereitung von Metall-, insbesondere Galvanikschlämmen aufnehmen konnte, wurde ein Meilenstein für das Recycling in Europa gesetzt. Das eingesetzte Aufbereitungsverfahren zur Herstellung von Metallkonzentraten – künstlicher Erze – aus Metallschlämmen war bereits in den 70er Jahren in den USA etabliert1. Doch standen insbesondere deutsche Behörden dieser Recyclingmethode skeptisch gegenüber und zögerten anfangs bei der Erteilung von Genehmigungen für die Nutzung der Kapazitäten in den USA durch deutsche Firmen, aber auch hinsichtlich der Genehmigung eines gleichartigen Betriebs auf deutschem Boden.

Bericht von Dipl.-Ing. P. Winkel über einen Kongress vom 5.-8.September 2004 in Berlin

Elektronik beherrscht heute nahezu sämtliche Bereiche unseres Lebens in der modernen Gesellschaft. Die mit raumfüllenden Rechnern begonnene Entwicklung ist heute soweit miniaturisiert, dass sie, z. B. appliziert auf Textilien, in spezielle Kleidungsstücke integriert werden kann. Der mit der Miniaturisierung verbundenen enormen Materialeinsparung für das Einzelstück wirkt jedoch die in kaum noch vorstellbare Größen gewachsene Stückzahl entgegen. Diese Entwicklung würde zu einem kaum noch zu deckenden Materialverbrauch führen, wenn nicht durch Recycling, Verfahrensänderungen und Substitution teurer durch preiswert zugängliche und möglichst schadstofffreie Materialien entgegengewirkt würde. Gleichzeitig ist die rasche Technisierung der bislang noch weniger entwickelten, aber meist bevölkerungsreichen Na- tionen wie China, Indien sowie der afrikanischen und südamerikanischen Staaten in Zusammenhang mit der fortschreitenden Globalisierung zu berücksichtigen, die den Einzugs- und Anwendungsbereich der Elektronik weiter stark anwachsen lassen. Aus diesem Blickwinkel sind regionale oder nationale Lösungsansätze nur noch sehr begrenzt wirksam, vielmehr müssen die sich abzeichnenden Probleme möglichst frühzeitig auf internationaler Ebene angegangen werden. Der Titel des Kongresses, der bereits im Jahr 2000 ins Leben gerufen wurde, soll verdeutlichen, dass sich die Elektronikbranche der Umwelt verpflichtet fühlt.

Diskussionen und Kommentare befassen sich in erheblichem Umfang mit Fragen der angeschlagenen Wirtschaft: Internationaler Wettbewerb, EU-Osterweiterung, Energiepreis-Steigerung, Schutz gegen Terrorismus, Umweltschutzlasten etc. Wer soll das bezahlen? Blickt man in die erste Hälfte des vergangenen Jahrhunderts zurück, so herrschte auch dort Mangel, besonders auf Grund unmittelbarer kriegerischer Ereignisse oder – in noch weiter zurückliegender Vergangenheit – aus tatsächlicher Armut. Man fand gerade in unserem Land immer wieder Wege, den Mangel zu besiegen und trotz widriger Umstände die Wirtschaft wieder zu beleben. Dennoch ist der Rückgang unseres gewohnten sehr hohen Lebensstandards schmerzlich. Was ist zu tun?

Gängige Verfahren der Mikrotechnik zur Herstellung von Metallstrukturen sind das Feingießen, das Metallpulverspritzgießen (MIM) und die Galvanoformung. Für letzteres ist es notwendig, ein leitfähiges mikrostrukturiertes Substrat herzustellen, auf dem die galvanische Abformung vorgenommen werden kann. Auf Basis der am Forschungszentrum Karlsruhe entwickelten Prozesskette sollen durch das Einlegespritzgießen partiell leitende verlorene Formen für die Galvanoformung bereitgestellt werden. Ein Ziel ist es, mikrostrukturierte Formeinsätze aus Metall, wie sie etwa mit dem LIGA-Verfahren herstellbar sind, beliebig häufig zu replizieren. Die gewonnenen Duplikate können dann in weiteren Abformprozessen Verwendung finden. Alternativ können die abgeschiedenen Mikrostrukturen anschließend vereinzelt werden, so dass eine Vielzahl von Mikrobauteilen pro Substrat gleichzeitig gewonnen werden. Im folgenden Beitrag werden die erforderlichen Prozessschritte detailliert vorgestellt.

Die Telekomindustrie in den USA kommt anscheinend wieder aus dem Abgrund, in dem sie einige Jahre gesteckt hat, so sehen es nach einem Bericht in Small Times die Analysten bei der amerikanischen Hochtechnologie-Marktforschungsfirma In-Stat/MDR und verbreiten vorsichtigen Optimismus in Bezug auf die Entwicklung des Marktes für Mikrosysteme in optischen Netzen (Titel der Studie: MEMS for Optical Networks Finally Seeing the Light). Die Anbieter solche Systeme scheinen gut vorbereitet für ein langsames, aber stetiges zukünftiges Wachstum, nachdem Ende des letzten Jahres schon ein relativ gutes Ergebnis zu erzielen war.

Vielfältige PVD-Beschichtungen der Firma Balzers

In der Luft- und Raumfahrt haben sich spezifische Werkstoffe und Fertigungsverfahren etabliert. Aufgrund dieser Besonderheiten kommt auch der Beschichtungstechnologie eine besondere Rolle zu. Zum einen müssen die Zerspanwerkzeuge besondere Bedingungen erfüllen und zum anderen verleihen die Beschichtungen Bauteilen die perfekte Oberfläche. Die Entwicklung in der Luft- und Raumfahrtindustrie ist geprägt von gekürzten Entwicklungs- und Fertigungszyklen, vom Einsatz von Leichtmetallen, Faserverbundwerkstoffen und anderen exotischen Materialien, von enormen Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen sowie von gesteigerten Anforderungen des Umweltschutzes. Um diese ehrgeizigen Ziele schnell und nachhaltig zu erreichen, steht die Branche vor der Ablösung herkömmlicher Material-, Verfahrens- und Prozessdefinitionen.

Für anspruchsvolle Oberflächenbehandlung wurden bei der Firma Medicoat AG, Mägenwil/Schweiz, zwei Technologien vereint

Die moderne Oberflächentechnik ist gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Beschichtungsverfahren. Sie fängt beim einfachen Farbanstrich an, um eine Oberfläche optisch zu verschönern und endet mit komplexen Schichtsystemen. Thermische Spritzverfahren werden durch die Energiequellen, welche der Aufschmelzung von Schichtwerkstoffen dienen, charakterisiert. Für hochwertige Schichten eignet sich besonders das Plasmaspritzen. Hierbei wird ein Gasgemisch, beispielsweise aus Argon, Wasserstoff und Helium, durch einen Hochenergie-Lichtbogen in der Plasmaspritzpistole erhitzt und ionisiert. Das bis zu 20.000 °C heiße Gas dehnt sich stark aus und kann beim Verlassen der Düse mehrfache Schallgeschwindigkeit erreichen. In diesem hochenergetischen Plasmastrahl wird pulverförmiger Beschichtungswerkstoff geschmolzen und auf der Werkstückoberfläche abgeschieden. Nach Art der Erzeugung wird zwischen Gleichstrom (kurz: DC-Direct Current)- und Induktions (kurz: IC-lnductively Coupled)-Plasmaspritzen unterschieden, wobei man IC auch als Hochfrequenz (HF) bezeichnet. Zusätzlich hängt die Namensgebung von den Umgebungsbedingungen ab, unter denen der Plasmafreistrahl betrieben wird. Für das Vakuum-Plasmaspritzen (VPS) steht seit Neuestem eine Beschichtungsanlage zur Verfügung, die beide der oben genannten Technologien in sich vereint. Durch die Kombination von DC- und HF-Plasma lassen sich vor allem für Lohnbeschichtungsunternehmen neue Märkte erschließen.

Im Jahre 1960 beschrieb T. B. Reed eine neue Plasmastrahlquelle, in der das Plasma durch induktive Energieeinkopplung in den Gasstrom erzeugt wird. Er sagte diesem Plasma Anwendungen in all jenen Einsatzgebieten voraus, die bis dahin exklusiv vom Gleichstrom-Plasma beherrscht wurden. Fast ein halbes Jahrhundert später haben sich die potenziellen Anwendungsfelder deutlich differenziert. Auf Grund einiger Nachteile kommt das Induktionsplasma für viele kommerzielle Anwender bislang nicht in Betracht. Die spezifischen Vorteile, z. B. die Abwesenheit von Elektroden und der großvolumige Plasmastrahl, haben dem Induktionsplasma jedoch auch Nischen erschlossen. So ist das ICP (inductively coupled plasma) aus der Elementanalytik nicht mehr wegzudenken. Im Bereich der Materialverarbeitung bietet sich das Induktionsplasma zur Sphäroidisierung von refraktären Materialien an, aber auch die Abscheidung von Schichten gewinnt an Bedeutung, insbesondere dort, wo das Schichtmaterial durch plasmachemische Prozesse in situ synthetisiert werden kann.

Pecunia non olet - dieses vielbenutzte altrömische Zitat sagt eigentlich nur, auch wenn es im allgemeinen Sprachgebrauch eher negativ belegt ist, dass Geld an sich etwas Neutrales ist, nur ein Werkzeug oder Mittel. Man kann mit ihm Ziele erreichen, im Guten oder im Bösen. Die Diskussion um die Finanzierung der Kosten von Bund, Ländern und Kommunen ist auch am Ausbildungsbereich nicht spurlos vorbeigegangen. Zunehmend wird überlegt, Schüler, Eltern und Studenten an den hohen anfallenden Kosten maßvoll zu beteiligen. Dabei soll auch erreicht werden, Wildwuchs zu beschneiden und zum Beispiel ewige Studenten daran zu hindern, ihren Drang zu schrankenloser Selbstverwirklichung auf Kosten der Allgemeinheit dauerhaft zu befriedigen. Das Schulsystem in Deutschland ermöglicht heute praktisch jedem, der bereit ist, es zu nutzen, eine solide Ausbildung. Die Eigenleistungen des einzelnen sollen sich dabei im vertretbaren Rahmen halten. Eine kostenfreie Ausbildung auf internationalem Spitzenniveau für jeden kann aber kein Staat der Welt finanzieren, diese muss einfach ihren Preis haben. Trotz dieser Tatsache gilt es bei uns aber immer noch als unanständig, Bildung als Produktionsfaktor zu betrachten und Hochschulen als Geldmaschinen.

Eisen ist das technologisch wichtigste Metall, hat aber einen Nachteil: Ungeschütztes Eisen rostet. Hauptschuld daran trägt der Sauerstoff der Luft, der Eisen in nasser Umgebung angreift. In vollständig wassergefüllten Rohrleitungen und Behältern, wo nur Wasser, aber keine Luft vorhanden ist, wäre Eisen im Prinzip recht lange beständig. Doch statt von Sauerstoff wird Eisen unter diesen Bedingungen oft von Bakterien angegriffen, die speziell an ein Leben ohne Sauerstoff angepasst sind. Man spricht daher von anaerober Biokorrosion. Diese ist seit Jahrzehnten bekannt und höchst unerwünscht, beispielsweise in der Erdöltechnologie. Weniger bekannt war, welche Bakterienarten die Hauptübeltäter sind und welcher Mechanismus hinter der Biokorrosion steht. Jetzt haben Wissenschaftler der Max-Planck-Institute für marine Mikrobiologie (Bremen) und für Eisenforschung (Düsseldorf) in Zusammenarbeit mit der Amtlichen Materialprüfungsanstalt Bremen neuartige Bakterien entdeckt, die Eisen deutlich schneller als bisher bekannte Arten korrodieren, aber dennoch bislang offensichtlich übersehen worden sind. Experimente sprechen dafür, dass diese Bakterien dem Eisen auf eine noch ungeklärte Weise Elektronen entziehen, und Elektronenentzug bedeutet Korrosion [1].

Aluminiumoberflächen erfordern zur haftfesten und korrosionsbeständigen Lackbeschichtung eine entsprechende chemische Vorbehandlung. Herkömmlicherweise werden dafür bis heute noch verschiedene Arten der Chromatierungen eingesetzt, wegen ihrer guten Korrosionsbeständigkeit bevorzugt die Gelbchromatierung. Diese Vorbehandlungsart kann aber auf Dauer schweren korrosiven Belastungen in maritimer Atmosphäre nicht standhalten, so dass es mittelfristig zur Ausbildung von Schäden durch Filiformkorrosion (FFK) kommt. Als weiterer einschränkender Gesichtspunkt kommt hinzu, dass aus ökologischen Gründen eine Chrom(VI)anwendung in naher Zukunft nicht mehr in Frage kommen wird (EU-Altautoverordnung ab 2007). Deswegen wird schon seit längerer Zeit nach weniger toxischen, umweltfreundlichen und technisch ebenso guten bis besseren Alternativen gesucht. Zu der aufwändigeren Voranodisation als bislang erfolgreichsten Methode sollten in diesem Vorhaben kostengünstigere, ebenfalls die technischen Anforderungen erfüllende chemische Konversionsverfahren untersucht werden.

Die Zeit der einsamen Denker ist vorbei. In den Unternehmen von heute dominiert die Forderung nach gemeinsamen Wissenstools, nach Erfahrungsaustausch und abteilungsübergreifender Interaktivität. Erfolg und Zielerreichung erweisen sich immer abhängiger von der Qualität der internen und externen Kommunikationsstrategie. Denn, die Maxime Wissen ist Macht ist längst überholt. Die neue Prämisse heißt: Das Teilen von Wissen ist Macht. Zusammenarbeit ist eines der großen neuen alten Themen in der Unternehmenstheorie - wichtiger und vielfältiger denn je. Die Internationalisierung der Betriebe, die örtliche Trennung von Abteilungen, sprachliche und kulturelle Unterschiede innerhalb operierender Teams, schnelllebige Märkte und kurze Produktlebenszyklen machen die Qualität des Miteinander entscheidend.