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Bericht vom 26. Ulmer Gespräch der DGO am 13. und 14. Mai 2004 in Neu-Ulm

Die Bedeutung von Oberflächen ist davon abzu- leiten, dass auf ihnen nahezu alle Funktionen stattfinden. Je mehr man zur Miniaturisierung tendiert, d.h. zur Verkleinerung des Materialkerns, umso wichtiger werden die Oberflächen. Dies betrifft nicht nur ihre Eigenschaften, sondern in gleichem Maße auch die Technologie der Oberflächenbehandlung, die alle Kriterien der modernen, immer anspruchsvoller werdenden Produktion erfüllen muss. Solche Überlegungen leiteten den Fachausschuss Forschung der DGO bei der Wahl der Themen für das 26. Ulmer Gespräch, das – wie traditionell – Entwicklungen auf dem Gebiet besonders aktueller Bereiche der Galvano- und Oberflächentechnik vorstellen und diskutieren sollte. Diese Überlegungen kommentierte der Vorsitzende des Fachauschusses Forschung, Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Paatsch (BAM Berlin) und stellte die sich daraus ergebenden drei Themenkreise vor. Der erste betraf die Problemstellung im Bereich der Qualität, der zweite funktionelle Eigenschaften galvanischer Schichten für innovative Anwendungen und der dritte die Integration galvanischer Verfahren in die Prozesskette.

Ein Galvi, am Feierabend dann

Beschloss die Bäder aufzufüllen

Schloss eilends Wasserschläuche an

Ging weg warf sich in schöne Hüllen

Das Wasser lief, es lief auch über

Im Bach die Fische war´n hinüber

Grenzflächen und Oberflächen sowie dünne Funktionsschichten definieren die Eigenschaften eines Werkstücks im Kontakt mit seiner Umgebung. Dazu gehören die chemischen, physikalischen, aber auch die biologischen Wechselwirkungen. Letztere werden vor allem dominierend, wenn z. B. Produkte aus der Pharma-, Medizin- oder Lebensmittelbranche betrachtet werden. Oberflächeneigenschaften und Funktionsschichten bestimmen somit unter anderem, ob das Produkt „sauber" ist, benetzt werden kann, beständig gegen Umwelteinflüsse ist, verklebt werden kann, biokompatibel ist und so weiter und so fort. Das Maßschneidern dieser Materialoberflächen für den gewünschten Anwendungsfall erfordert eine umfassende analytische Charakterisierung, die meist begleitet wird durch praxisnahe Testverfahren. Diese Charakterisierung beginnt bei der Reinheitskontrolle von Ausgangsmaterialoberflächen, ist aus der Prozessoptimierung nicht mehr wegzudenken und endet bei der Qualitätskontrolle des fertigen Werkstücks. Weiterhin zeichnet sich modernes Werkstück- und Schichtdesign durch eine zunehmende Miniaturisierung (Nanotechnologie) gekoppelt mit hohen Ansprüchen an die analytischen Verfahren bezüglich der Nachweisgrenzen aber auch des lateralen Auflösungsvermögens aus. Aufgrund der Vielzahl an Parameter und Eigenschaften, die eine Funktionsoberfläche auszeichnen können und der nahezu unüberschaubaren Anzahl an analytischen Verfahren, ist der Anspruch an eine umfassende Beschreibung nur durch ein mehrbändiges lexikalisches Werk zu leisten. Dennoch wird in diesem Beitrag versucht, einen Einblick in typische oberflächenanalytische Fragestellungen zu geben und anhand von Beispielen die Möglichkeiten und Grenzen heutiger Analyseverfahren aufzuzeigen.

Electrolytic polishing can be defined as the smoothing or brightening of the metal surface by anodic dissolution of the metal in an electrolytic cell [1]. It is used for several decorative and technological applications. The electropolishing of the surface takes place at the transpassive region of the current density – potential curve. Oxygen bubbles are released near the anodic surface leading to pattern formation on the surface [2]. The electropolishing processes take place by the anodic oxidation of the outer surface of the metal.

1 Introduction

 Copper is one of a handful of metals finding widespread use both in their massive forms (wires, foils, rods etc.) and in the form of electrodeposited (and electroless) coatings of the metal or/and its alloys [1-3]. Metal-matrix composites (MMC) are a particular form of electrodeposited coating. Their formation involves a process in which insoluble particles are dispersed in a conventional electroplating bath and co-deposited with the matrix metal so that a coherent composite coating of electrodeposited metal containing dispersed inert inclusions is obtained under strictly controlled conditions [4-17]. The attractiveness of copper composite coatings lies in their technological properties, although their use can also bring economic benefits since their deposition does not involve heating, hence the metallurgical properties of the substrate are unaffected and such coatings can be electroformed on almost all electrically conductive substrates. As with all electrodeposited coatings, the thickness of the deposit can be readily controlled and defect-free copper matrix composite coatings of any thickness (even exceeding 50 µm) can be obtained in the same way as with pure copper electrodeposits under industrial conditions. // 

1 Einleitung

Kupfer ist eines der Metalle mit einer weiten Verbreitung sowohl in der Metallurgie (Drähte, Folien, Barren, u.ä.) als auch in galvanisch abgeschiedenen, reinen oder/und legierten Schichten [1-3]. Metallmatrix-Komposite (MMC) nehmen unter den galvanischen Schichten eine Sonderstellung ein. Demgemäß erfordert die Herstellung von galvanischen Metallmatrix-Kompositen die genaue Einhaltung der Abscheidebedingungen mit der Prozessstufe zur Herstellung einer gleichmäßigen Verteilung der unlöslichen Partikel in einem galvanischen Elektrolyten, um eine kohärente Kompositschicht zu erhalten [4-17]. Die hauptsächliche Motivation zur Entwicklung der Kompositschichten ist technologisch bedingt, aber auch wirtschaftliche Beweggründe sprechen dafür, da z.B. keine Wärmebehandlung der galvanischen Schichten notwendig ist, und damit die Eigenschaften des Substrats erhalten bleiben und nahezu alle Substrate beschichtet werden können. Zudem lassen sich mittels galvanischer Abscheidung fehlerfreie Schichten mit unterschiedlichen Dicken herstellen (auch über 50 µm) mit industriell gängigen Verfahren zur Abscheidung von reinem Kupfer.

Beschrieben wird im vorliegenden Artikel ein neuartiges, patentrechtlich geschütztes Verfahren zur Entfernung von Nickelschichten. Handelt es sich hierbei um Nickelschichten auf hochwertigen und komplex aufgebauten Formteilen, die aus verschiedenen Gründen wieder zu entfernen sind, so geschieht dies konventionell unter Anwendung von wässrigen Lösungen mit Alkalicyaniden. Diesen cyanidischen Lösungen sind Depolarisatoren, wie zum Beispiel aromatische Nitroverbindungen, beigefügt. Umfangreiche Darstellungen sind hierzu in der Literatur [1, 2] beschrieben worden. Bei einer damit durchgeführten Entschichtung bildet sich unter anderem der kinetisch und thermodynamisch sehr stabile Nickel(II)-cyano-Komplex [Ni(CN)4]2-. Diese komplexe Verbindung und die Cyanide sind toxisch, und sie sind außerordentlich ökotoxisch. Der toxische Effekt besteht in der Verhinderung des Elektronentransfers in Mitochondrien-Membranen [12]. Die Cyanide reagieren mit dem Eisen(III)ion der Cytochrome-Oxidasen und sind deshalb ein starkes Nervengift. Eine kostenintensive Aufarbeitung erschöpfter Entschichtungslösungen mit Cyaniden ist deshalb zwingend notwendig. Der Cyanid-Grenzwert für Abwasser liegt unter 1 mg/L. Die Entsorgung von Cyaniden ist deshalb aufwändig, da dieser Grenzwert nur unter Anwendung starker Oxida- tionsmittel eingehalten werden kann. Die Oxida- tionsmittel wie Wasserstoffperoxid müssen bis zum Überschuss von 500 % angewendet werden [13]. Entschichtungen sind deshalb nur wirtschaftlich bei hochwertigen Teilen. Die Cyanidlaugerei zur Entschichtung von Nickelüberzügen ist deshalb aus abwasser-technischen Gründen als ökologisch bedenklich einzustufen. Die Auflösung von Nickelüberzügen mittels Cyaniden ist auf Eisenwerkstoffe begrenzt. Dieses Verfahren kann beispielsweise auf Aluminium-Basislegierungen nicht angewendet werden.

Im Mai fand wieder das traditionelle Ulmer Gespräch statt, diesmal über den Themenkreis der produktspezifischen Oberflächentechnik mit den Schwerpunkten Funktionalität, Qualität und Kosten (Bericht auf den Seiten 1646 bis 1651). In diesen Rahmen gehört auch die schwebende Diskussion um den Ersatz von sechswertigem Chrom für die Beschichtung von Automobilteilen – zur Erinnerung: vom 1. Juli 2007 an ist die Verwendung von sechswertigem Chrom im Automobilbau vollständig untersagt. Und derzeit ist noch nicht entschieden, welcher Ersatz der optimale ist. Die Ergebnisse der hierzu durchgeführten Ringversuche wurden von einem Arbeitskreis des VDA unter Leitung von Dr. Hesse, DaimlerChrysler, und Dr. Lander, Robert Bosch GmbH, näher betrachtet und unter dem Titel Auf dem Weg zu prozessfähigem Korrosionsschutz durch galvanische Beschichtungen vorgestellt. Während einerseits mit den Untersuchungen gezeigt werden konnte, dass es durchaus Ersatzprodukte für die bisher übliche Chromatierung gibt, mit denen vergleichbare Ergebnis erzielt werden können, ist aber andererseits die starke Streuung der Ergebnisse auch beim zweiten Ringversuch nahezu unverändert geblieben.

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Am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart entwickeln Wissenschaftler Membranadsorber, mit denen sich Schad- und Wertstoffe aus Wasser selektiv abtrennen lassen. Diese Technologie kann einerseits zur Wasseraufbereitung eingesetzt werden. Ein großes Potenzial liegt aber auch speziell in der Rückgewinnung von wertvollen Metallen.

Für ein synthetisches und reales Trinkwassersystem wurden der Einfluss der Drehzahl (100 bis 500?U/min) einer rotierenden Diamantanode, der Temperatur (20 bis 50°C) und der Chloridkonzentration (20 bis 250mg/L) auf die Bildung von Chlorat und Perchlorat untersucht. Die Messungen erfolgten im turbulente Regime (Re-Zahlen zwischen 3300 und 9900) und bei einer Stromdichte von 50A/m2. Es zeigte sich, dass in engen Grenzen Möglichkeiten bestehen, die Perchloratkonzentrationen abzusenken. Das Ar- beiten bei 50°C und bei 250mg/L zeigte die deutlichsten Effekte der Absenkung, während sich höhere Reynolds-Zahlen nur geringfügig auswirkten. Die erreichten Absolutwerte sowie relativ hohe Chloratkonzentrationen lassen Anwendungen aber eher in trinkwasserfernen Bereichen sinnvoll erscheinen. // Research work has been carried out to study the influence of rotation rate (100 to 500?rpm), temperature (20 to 50°C) and chlorid ion concentration (20 to 250mg/l) on chlorate and perchlorate formation during electrolysis using rotating diamond anode. Reynolds numbers between 3300 and 9900 were realized in the experiments. All experiments were conducted at a current density of 50?A/m2. It could be shown that it is possible to reduce perchlorate for- mation within selected limits of operation. Especially experiments at 50°C and 250mg/l were characte- rized by significant lowering of perchlorate concentration while higher Reynolds numbers showed only low influence. However, assessing the absolute concentration values as well as the chlorate formation potential, it can be concluded that doped diamond electrodes should be used in non-drinking water areas.

Am 01.06. dieses Jahres ist die neue Betriebssicherheitsverordnung ohne Übergangsfrist in Kraft getreten. Die Ziele der Neufassung, nämlich Verbesserungen und Erleichterungen im Arbeitsschutz, finden unsere Akzeptanz. Allerdings sollte man so eine neue Verordung auch ganz genau lesen, Textstelle für Textstelle, und dann ist schon die Aufregung da: Nonsens-Verordnung, Bürokratiewahn, Praxisferne. Besonders wenn es um Vertrautes und Gewohntes geht, reagiert die Bevölkerung empfindlich. Keinen Gefallen fand z. B. das Benutzerverbot sogenannter Personen-Umlaufaufzüge für den Publikumsverkehr. Etwa 250 solcher Aufzüge, als Paternoster in aller Munde, gibt es noch in öffentlichen Gebäuden und Einrichtungen sowie auch in Unternehmen unseres Landes. Nur unterwiesenen Mitarbeitern dieser Häuser sollte das Paternoster-Fahren vorbehalten sein. Heftige Protestwellen riefen Arbeitsministerin Andrea Nahles auf den Plan, die die noch von ihrer Vorgängerin Ursula von der Leyen stammende Festlegung rückgängig machte und gleichzeitig Betreiber verpflichtet, „durch zusätzliche Maßnahmen Gefährdungen bei der Benutzung zu vermeiden".

Atmosphärendruckplasmen erschließen als neue innovative Methode zur gezielten Behandlung von technischen und humanen Oberflächen ständig neue Anwendungsmöglichkeiten auf technischem, medizintechnischem und medizinischem Gebiet. Die Anwendung von physikalischen Plasmen im medizinischen Bereich verspricht eine Optimierung von Sterilisationsmethoden, die gezielte Modifizierung von Implantatoberflächen, die Minimierung von Blutverlusten bei operativen Eingriffen und eine neue Methode zur Bekämpfung hartnäckiger Krankenhaus-Erreger ohne den Einsatz von Antibiotika und damit verbundene Immunitätsbildungen. Bei vielen potenziellen Anwendungen wie der Behandlung von chronischen Wunden können Behandlungszeiten nach aktuellen Erfahrungen stark verkürzt werden bei sinkenden Behandlungskosten und Steigerung der Akzeptanz der Behandlung durch die Patienten.

Forschergruppe um HAWK-Vizepräsident Viöl erhält Fraunhofer-Preis „Technik für den Menschen“ Für die Entwicklung von PlasmaDerm haben Prof. Wolfgang Viöl, Dr. Andreas Helmke, Prof. Steffen Emmert und Dr. Dirk Wandke Anfang Juni in Wiesbaden den Fraunhofer-Preis „Technik für den Menschen“ erhalten. Wolfgang Viöl ist Vizepräsident der HAWK für Forschung und Transfer sowie Leiter des Fraunhofer Anwendungszentrums für Plasma und Photonik (APP) auf den Göttinger Zietenterrassen. Das APP ist eine Kooperation des Braunschweiger Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST und der HAWK-Fakultät Naturwissenschaften und Technik am Standort Göttingen.

Kurz vor den Sommerferien nimmt die Anzahl an Tagungen, Workshops, Messen und Lehrgängen noch einmal kräftig zu. Da ist es schwierig, den Durchblick zu behalten und man hat große Not, die richtige Auswahl zu treffen. Gerade in einem Gebiet angewandter Forschung wie der Medizintechnik sind die Tagungen am wert- und sinnvollsten, bei denen man sowohl auf ein wissenschaftliches Fachpublikum, als auch auf Entscheidungs- und Wissensträger aus der Industrie treffen kann. Wenn die Chemie hier stimmt, kann man viel erreichen. Der Bund fördert bilaterale Projekte, die wissenschaftliche Institute und Firmen zusammenbringen. Wer größer denkt, findet hier die richtigen Leute, um Förderung für Verbundprojekte für ein Konsortium mehrerer Partner beantragen zu können.

Neue Wege zur Steigerung der Produktivität waren das wichtigste Thema beim diesjährigen UKP-Workshop: Ultrafast Laser Technology. Dafür wurden von den Strahlquellen und der Prozesstechnik bis hin zu den Anwendungen viele Details vorgestellt und intensiv diskutiert. Das Fazit: Ultrakurze Laserpulse sind in der Materialbearbeitung angekommen und dank einer stetigen Entwicklung vor allem auch bei der Prozesstechnik werden neue Applikationen möglich und der Markt für UKP-Systeme wächst überproportional. Am 22. und 23. April 2015 trafen sich über 160 Experten aus Wissenschaft und Industrie in Alsdorf bei Aachen zum 3. UKP-Workshop. Organisiert vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen befasste sich dieser Workshop mit dem Einsatz von Ultrakurzpulslasern (UKP) in der industriellen Anwendung. Über die Jahre hat sich dabei der Fokus von der Entwicklung zuverlässiger Strahlquellen hin zur Prozesstechnik und zu neuen Applikationen verschoben.

Der Workshop und seine Schwerpunkte

Zum dritten Mal organisierte das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT am 22. und 23. April 2015 den zweijährlich stattfindenden Ultrakurzpulslaser-Workshop in Aachen. Über 20 Referenten aus 8 verschiedenen Ländern boten neben den Grundlagen der UKP-Technologie eine Übersicht der aktuellen Strahlquellenentwicklungen und neuen Systemtechniken wie Multistrahloptiken und neuen Scannerkonzepte. Im Bereich Prozesstechnik diskutieren die Referenten die neuesten Anwendungen und Verfahrensansätze, durch die sich heutige Grenzen hinsichtlich Materialspektrum, Bearbeitungsgeschwindigkeit und -qualität erweitern lassen. Die jüngste Entwicklung von Ultrakurzpulslasern hat zu einer immer größeren Vielfalt neuer Anwendungsbereiche geführt. Stabile und industriell einsetzbare UKP-Lasersysteme mit Leistungen bis 100?W sind bereits heute auf dem Markt erhältlich. Dies eröffnet neue produktive Fertigungsmöglichkeiten, die mit bisherigen Verfahren nicht umsetzbar sind. Im Rahmen des Workshops erfuhren Anwender von Vertretern aus Wissenschaft und Forschung, wie sie für ihre lasergestützten Prozesse das neue Werkzeug Ultrakurzpulslaser auch bei hohen mittleren Leistungen materialschonend nutzen können.

Krösus war der letzte König des in Kleinasien gelegenen Lydiens. Er regierte von etwa 555 v.Chr. bis 541 v.Chr. und war für seinen Reichtum („Reich wie Krösus") bekannt. Ein Grund für diese Legende ist, dass in Lydien zu dieser Zeit gemünztes Geld eingeführt wurde. Die Kroiseiros (Münzen aus Elektron, einer natürlich vorkommenden Gold-Silberlegierung) mit dem Siegel des Königs, einem Stier und einem Löwen, suggerierten den Eindruck großen Reichtums. Bis in unsere Zeit hat sich Bargeld (Münzen und Banknoten) in den verschiedenen Währungen bewährt und dient weltweit als Zahlungsmittel. Parallel dazu werden Geldgeschäfte bargeldlos über Kreditkarten, Kontoüberweisungen u.?a. abgewickelt.