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Bericht über das 28. Ulmer Gespräch des ZVO am 18. und 19. Mai 2006

Begrüßung

Mehr als 120 Teilnehmer konnte Prof. Paatsch zu dem inzwischen zum 28. Mal stattfindenden Ulmer Gespräch begrüßen. Mit 24 Fachbeiträgen war die renommierte Tagung in diesem Jahr besonders umfangreich; sie behandelte neben Grundlagen An- wendungen der Bereiche Automobil, Maschinenbau, Luft- und Raumfahrt sowie Medizintechnik. Bei dem Thema Verschleißbeständigkeit handelt es sich um eine Systemeigenschaft, die im Allgemeinen bei den meisten Oberflächenbeschichtungen in mehr oder weniger hohem Umfang als Selbstverständlichkeit mit erwartet wird. Ein Hauptpunkt in diesem Zusammenhang ist die Messtechnik dieser Eigenschaft, die einige zusätzliche Diskussionen in Bezug auf die Anforderungen notwendig macht. Vorgestellt wurden die Anforderungen an die Verschleißbeständigkeit für unterschiedliche Bereiche.

-Fortsetzung aus Heft 5/2006-

Neuer Ansatz für den Abscheidungsmechanismus

Ein Mechanismus der Verchromung muss die von Hoare gestellten Fragen (Teil 1) sowie einige weitere beantworten. Darüber hinaus muss er heute das Handwerkszeug für eine präzisere Prozesssteuerung liefern. Der Mechanismus der Verchromung beginnt schon beim Elektrolytansatz und dem Eintauchen des Werkstücks in den Elektrolyten.

Produktinnovationen

Die Herausforderungen des Advanced Industrial Engineering liegen im Spannungsfeld zwischen Beschäftigung, Innovation und Wandlungsfähigkeit. Innovationen in wertschöpfenden Unternehmen werden nur in geringem Maße durch die Forderungen nach Senkung des eingesetzten Materials und Energie je produzierter Einheit aufgrund gesetzlicher Auflagen oder Normen hervorgerufen. Als Innovationstreiber werden vielmehr zum einen produktbezogene Faktoren, wie die Verbesserung der Produktqualität und Erweiterung der Produktpalette, zum anderen prozessbezogene Faktoren, wie die Steigerung der Produktionskapazitäten und die Flexibilisierung der Produktion wahrgenommen (Abb. 1) [1]. Vor dem Hintergrund dieser Faktoren ist es nicht verwunderlich, dass die industrielle Fertigung unter einem ständigen Optimierungsdruck ihrer Produktionsprozesse steht.

Die verschiedenen Verbindungstechniken im Bereich der Elektronik beinhalten teilweise sehr unterschiedliche Anforderungsprofile an die in Frage kommenden Oberflächenbeschichtungen. Gerade bei den hierbei im Vordergrund stehenden Edelmetallschichten spielt neben einer sehr genauen Kenntnis und Definition der funktionellen Eigenschaften der Systeme und einer qualitätskonstanten und abgestimmten Prozesstechnik vor allem auch der Wirtschaftlichkeitsfaktor eine besondere Rolle, um den gestellten Anforderungen gerecht werden zu können.

Precleaning

Before stainless steel can be passivated it must first be precleaned, as earlier detailed. Typical contaminants include fingerprints, oil, machining lubricants, grease, paint, marking crayon residues or other adherent organic contamination, all of which will prevent intimate contact between the metal and passivation solution. Organic contamination left on the surface from marking pens and pencils, adhesive tape residues, greases and oils can, under conditions of high humidity, promote crevice corrosion as many of these contain corrosive materials. It is always good practice to remove all such materials from the surface even if the steel is not to be passivated before use.

Galvanische Prozesse und ihre Umweltrelevanz

Die galvanische Beschichtung von Metalloberflächen ist aus der modernen Technik nicht mehr wegzudenken. Durch galvanische Verfahren können kostengünstig langlebige Oberflächen hergestellt werden, welche die Lebensdauer von Bauteilen durch Korrosionsschutz und Verminderung von Verschleiß verlängern und dadurch Ressourcen schonen und die Umwelt entlasten. Ein Kilogramm Zink schützt eine Tonne Schrauben effektiv gegen Korrosion. In einem modernen Auto befinden sich etwa 2000 bis 3000 galvanisierte Teile, in einem Airbus bis zu zwei Millionen. Ohne galvanisch hergestellte Leiterplatten gäbe es keine moderne Elektronik. Über 10 000 Galvanikbetriebe und 8300 so genannte In-House-Galvaniken be- schäftigen europaweit 440 000 Mitarbeiter. Diese Zahlen beinhalten die Leiterplattenherstellung. Durch galvanische Verfahren entstehen in den Be- trieben Belastungen für die Umwelt. Galvanikbetriebe sind große Wasserverbraucher. Die eingesetzten Metallsalze, Säuren und Laugen gelangen teilweise ins Abwasser und müssen daraus oft aufwändig entfernt werden, um die Beeinträchtigung von Vorflutern zu vermeiden.

Japanese electronics manufacturers created a market differentiation based on green products starting in 2003. In Europe, EC has finalized the WEEE/RoHS directives to ban the use of lead and other hazardous substances by July 1, 2006 [1, 2]. China is preparing to enforce its own version of RoHS. Pure tin has become widely accepted as a simple drop-in replacement for the conventional tin-lead coating by manufacturers of IC/leadframes, passive components and connectors. For connector applications, by changing from the conventional tin-lead to a pure tin finish, the manufacturers often found issues with reflow and soldering performance. Raising the reflow temperature from 235 to 260 ºC increases the tendency for tin reflow discolouration. The discoloured tin plated parts after reflow have a poor cosmetic appearance which is not acceptable to the end users (Fig. 1). // 

Die japanische Elektronikindustrie rief 2003 einen besonderen Markt ins Leben, der auf umweltfreundlichen Produkten basiert. In Europa hat die EU mit den WEEE/RoHS-Vorschriften endgültig beschlossen, den Gebrauch von Blei und anderen gefähr- lichen Substanzen ab 1. Juli 2006 zu verbieten [1, 2]. China macht seine eigene Version der RoHS geltend. Reines Zinn wird weitgehend als einfacher Ersatz für die herkömmlichen Zinn/Blei-Überzüge in der Industrie für IC/Systemträger, passive Bau- elemente und Verbindungsteile anerkannt. Für Verbindungsteile wurden durch den Wechsel von der herkömmlichen Zinn/Blei- zur reinen Zinn- oberfläche oft die Aufschmelz- und Lötprozesse zum Arbeitsfeld. Mit der Erhöhung der Umschmelztemperatur von 235 auf 260 °C nimmt die Neigung des Zinns zur Verfärbung beim Aufschmelzprozess zu. Die schlechte Oberflächenoptik der verfärbten zinnbeschichteten Teile ist für den Endverbraucher nicht akzeptabel (Abb. 1).

In Anbetracht des diesjährigen heißen und schwülen Sommers ist es nicht besonders schwierig, sich über die Einwirkungen der Temperatur auf Dinge zu befassen. Für uns Menschen ist eine der angenehmen Aktivitäten in einem solchen Fall, sich mit einem kühlen Getränk in eine schattige Ecke zu begeben. Suchen wir keinen Schattenplatz, müssen wir mit den Verfärbungen der Haut durch die Sonnenstrahlung rechnen – bei bestimmten Farben entspricht dies unserem Schönheitsideal. Mit nicht zu akzeptierenden Verfärbungen bei Zinnschichten durch Einfluss einer Wärmebehandlung haben sich Wissenschaftler der Firma Rohm and Haas befasst (Beitrag auf den Seiten 1628 bis 1641 in diesem Heft). Der erforderliche Wechsel von den bisher üblichen Zinn-Blei- auf die Reinzinnschichten ist mit einer Erhöhung der Umschmelztemperatur von 235 auf 260 °C verbunden. Dadurch steigt die Neigung des Zinns zur Verfärbung beim Umschmelzen. Des Weiteren tritt dieser Effekt auch beim Lagern auf, wobei eine zusätzliche Wirkung durch vorhandenes Wasser festzustellen ist.

Fachzeitschriften aus aller Welt... für Sie gesichtet!

Ein Rückblick auf die Leistungen der Oberflächentechnik für den Umweltschutz

Neue Wege

Nachdem auf vielfältigen Wegen mit durchaus an- sehnlichen Erfolgen versucht wurde, die oberflächentechnischen Verfahren zu optimieren, sowohl hinsichtlich der Effizienzsteigerung als auch der Anwendungsmöglichkeiten, wurden auch mittels der verbesserten Mess-, Regel- und Steuermöglichkeiten neue Verfahren entwickelt, mit denen der Schichtaufbau modifiziert und verbessert werden konnte, zum Beispiel auch durch Legierungen. Die Abscheidung von Legierungen beinhaltet Probleme bezüglich der Gleichmäßigkeit der Zusammensetzung aufgrund der unterschiedlichen Stromdichten durch die Teilegeometrie. Durch neue Verfahren, wie beispielsweise Umpolung oder Pulse-Plating konnten Verbesserungen erzielt werden, die auch zunehmend zur verstärkten Abscheidung von Legierungsoberflächen führten. So wurden insbesondere in der Automobilindustrie Zink-Nickel- sowie Zink-Eisen-Legierungen eingesetzt, meist in Verbindung mit anschließender Passivierung, deren Abscheidung mit moderner apparativer Ausrüstung in den Galvaniken serienmäßig beherrschbar ist (Abb. 49). Diese Schichten kommen der Konzeption moderner Fahrzeugtechnik entgegen, indem sie höher temperaturbeständig sind und dadurch eine kleinere und Gewicht sparende, kompaktere Bauweise zulassen. Gewichteinsparung bedeutet aber auch Energieeinsparung und Ressourceneinsparung hinsichtlich des Treibstoffkonsums.

Wenn über den Standort Deutschland diskutiert wird, gelten die hohen Nebenkosten als ein besonderes Problem, das den Wettbewerb international erschwert. Dabei stehen die Lohn-Nebenkosten in der Regel im Vordergrund. Sozial-Versicherung, Urlaubsgeld, soziale Einrichtungen innerhalb des Unternehmens, Kosten aus der Arbeitsstättenverordnung, Unfallschutz, Ausfallzeiten durch Krankheit etc. Die Liste ließe sich noch weiter fortsetzen. Nicht gesprochen wird jedoch von den versteckten Nebenkosten, die sich aus dem enormen Verwaltungsaufwand und der Bürokratie durch die unterschiedlichsten Behörden und Ämter ergeben: Die Umstellung einer Badreihe in der Galvanik wird als wesentliche Änderung gesehen, die der Genehmigung bedarf, obwohl sie in der gleichen Werkhalle erfolgt und die Abwässer der gleichen Abwasseranlage zugeführt werden. Es entsteht für den Betreiber ein meist nicht unerheblicher Aufwand zur Erstellung der vorschriftsmäßigen Genehmigungsunterlagen, es erfordert Zeitaufwand, meist gerade für die kompetenten Mitarbeiter, deren Kapazität für Innovationen benötigt wird. Es erfordert behördliche Mitarbeiter, die die Unterlagen lesen und verstehen müssen. Es erfordert fachliche Personalkapazität auf beiden Seiten, die sowohl den Betrieb als auch den Steuerzahler belastet.

Erste gesamteuropäische Tagung zum Thema Pulsabscheidung und deren industrielle Anwendung Am 10. März fand in Wien die erste gesamteuropäische Tagung zum Thema Pulsabscheidung und deren industrielle Anwendung statt. Mit mehr als 80 Teilnehmern aus 13 europäischen Ländern war diese Veranstaltung ein großer Erfolg und wird im nächsten Jahr in einer erweiterten Form wieder stattfinden. Die Idee zu dieser Veranstaltung entstand durch das große Interesse an der Methode und das Fehlen einer europäischen Diskussionsplattform. In der Vergangenheit gab es mehrere Versuche eine breite Diskussion und Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Pulsabscheidung in Europa zu initiieren. Dennoch fanden die wichtigsten Treffen stets in den USA während den Oberflächentagen der AESF (SurFin) statt. Die prominentesten Vortragenden kamen aber jeweils aus Europa. Besonders anzumerken sind hier auch die von der EAST organisierten Vortragsblöcke auf der SurFin. Als auf der DGO-Tagung in Innsbruck im September letzten Jahres von verschiedenen Seiten großes Interesse an der Methode und ihren Anwendungsmöglichkeiten bekundet wurde, entschloss sich Dr. Wolfgang Hansal, Geschäftsführer der Happy Plating GmbH und selbst bereits seit vielen Jahren auf dem Gebiet der Pulsabscheidung tätig, kurzerhand eine Fachtagung, die ausschließlich dem Thema Pulsabscheidung gewidmet ist, zu organisieren. Zehn internationale Vorträge von führenden Experten auf dem Gebiet der Pulsabscheidung bildeten den Rahmen der Veranstaltung:

-Continuation from issue 5/2006-

Three-dimensional products The production of 3-D products was reviewed some years ago by Allen [23]. When it is impossible to contact print a film photo tool onto the photo resist (as in the case of a sphere), special 3-D hard (photo)- tooling is preferred. The usual way of producing a third dimension in PCM is to use the origami approach of folding a half-etched flat metal sheet along the fold lines so produced. This technique has been used successfully in many technical applications (such as in the production of EMI screening cans) as well as in decorative applications (Fig. 13). Another technique comprises diffusion bonding a series of etched laminations to form channels utilized in fluidic and pneumatic control systems. A recent micro engineering development has been the fabrication of micro channel chemical reactors, approximately 10 cm in diameter (Fig. 14), from hundreds of thin AISI 316 etched stainless steel laminations [24]. Anodic bonding of silicon and glass can also be carried out to construct micro channels for bio-chip and micro fluidic applications.

Daten der jüngsten Prognose des International Panel on Climate Change (IPCC), die eigentlich erst im Februar 2007 veröffentlicht werden sollten, wurden von der US-Regierung vorab allgemein zugänglich gemacht, wobei über die Gründe für die überraschende Bekanntgabe durchaus spekuliert wird. Aus diesen Daten ergibt sich ein noch bedrohlicheres Szenario als bisher angenommen, das klar zu Lasten der Menschheit bzw. der Industriestaaten geht: Die Temperatur auf dem Globus soll demnach noch schneller steigen als bisher angenommen, in den nächsten hundert Jahren um bis zu 5,8 Grad. Noch vor etwa einem Jahr hatten zwei der profiliertesten amerikanischen Klimaforscher realistische Prognosen mit einer moderateren Klimaerwärmung zwischen 1,9 und 3,5 Grad geliefert. Dass jetzt das Pendel wieder in die Richtung Eskalation ausschlägt, liegt an neuen Auswertungen von Eisbohrkernen und geologischen Archiven, aus denen auf die Möglichkeit einer starken Beschleunigung der globalen Erwärmung geschlossen wird.

Neue Werkzeugbeschichtung macht Bondern überflüssig

In Deutschland produzieren­de Unternehmen sind heutzu­tage gezwungen, stetig Kos­ten einzusparen. Gleichzeitig werden sie dazu angehalten, die ökologischen Randbedingungen kontinuierlich zu verbessern. In diesem Zu­sammenhang ist die Werkstückvorbehandlung in der Kaltmassivumformung ein zentrales Thema. Die Kaltmassivumformung ist seit langem ein ausgereiftes Verfahren zur umformtech- ni­schen Herstellung endkonturnaher Bauteile aus Stahl. Bis­her sind die kaltumformenden Verfahren jedoch hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit und ihrer Ökologie stark eingeschränkt. Problematisch ist die konventi­onell erforderliche Phosphatierung und Beseifung der Werk­stückrohlinge, die im Allgemei­nen als Bonderbehandlung bezeichnet wird.

China profitiert bereits von neuer Beschichtungstechnologie

Shanghai, Zentrum der wirtschaftlichen Blüte Chinas, besitzt nicht nur das größte Luxushotel des Riesenreichs, sondern in dieser dynamischen Stadt wurde auch Ende 2005 eine neue Beschichtungstechnologie erfolgreich in die Praxis umgesetzt. Der erste Schritt erfolgte im Sommer desselben Jahres als zehn Vertreter des größten Stahlproduzenten in China die im bayerischen Ampfing angesiedelte CGT Cold Gas Technology GmbH besuchten. Sie lernten bei diesem Unternehmen alles über das Kaltgasspritzen kennen und überzeugten sich anhand weltweit durchgeführter Referenzprojekte diverser Institute von den Vorteilen dieses Verfahrens. Kaum sechs Monate später schlossen die Chinesen zusammen mit den Profis von CGT die Testphase ab und profitieren jetzt bereits von einem Verfahren, das in Deutschland bisher noch wenig Beachtung gefunden hat. Bereits im Jahre 2000 begannen die Kaltgasaktivitäten zwischen dem Technologieführer Linde AG, Geschäftsbereich Linde Gas und der CRP Automationstechnik AG, deren Gründer Peter Richter mehr als 30 Jahre Erfahrung mit Automatisationsanlagen mitbrachte. Dies führte zur Gründung des neuen Unternehmens CGT, das innerhalb kurzer Zeit das Kaltgasspritzen bis zur Industriereife entwickelte. Ende 2002 begann der erste industrielle Anwender die Vorzüge des zukunftsträchtigen Verfahrens zu nutzen für die Kupferbeschichtung von Aluminiumkühlkörpern.

Seit W. von Siemens 1857 mit einer besonderen elektrischen Anordnung, die aus zwei koaxialen Glasröhren bestand, die ihrerseits die beiden Elektroden trennten, die Erzeugung von Ozon demonstrierte [1], werden dielektrisch behinderte Entladungen für eine Vielzahl von Prozessen eingesetzt [2–5]. Die dielektrisch behinderte Entladung (DBE) zählt zu den nicht-thermischen Plasmen oder auch kalten Nichtgleichgewichtsplasmen. Rutscher und Deutsch haben die Eigenschaften dieser Plasmen wie folgt zusammengefasst [6]:

– Im anisothermen Plasma nimmt die Elektronenkomponente eine zentrale Stellung für plasmachemische Prozesse ein.

– Energiereiche Elektronen liefern die aktiven Spezies für plasmachemische Stoffwandlungen durch Anregung, Dissoziation und Ionisation.

– Hohe mittlere Energie der Elektronen ist die Voraussetzung für reaktive Prozesse.

– Niedrige Temperatur der schweren Teilchen verhindert thermischen Zerfall von komplizierten chemischen Verbindungen und ist von Vorteil für die Behandlung von thermisch sensitiven Materialien.

Die Europäische Union neigt, wie alle Bürokratien, zur Sammlung und Konzentration von Macht. Alles muss zentral festgelegt und geregelt werden, vom Feinstaub bis zur Bananenkrümmung. Bürokratien sind saugfähig wie Schwämme, wenn es darum geht, Kompetenzen an sich zu ziehen und diese mit einer Fülle von Gesetzen und Verordnungen zu garnieren. Erstaunlich, weil entgegen diesem Trend zur Zentralisierung, ist daher die Entscheidung der Staats- und Regierungschefs der EU auf ihrem Frühjahrsgipfel, dem von der Europäischen Kommission eingebrachten Vorschlag zur Gründung eines Europäischen Instituts für Technologie (EIT) eine deutliche Absage zu erteilen. Wenn auch bei dieser Entscheidung nationale Interessen mitgewirkt haben, so ist das Ergebnis doch bemerkenswert. Aufgabe der zentralen Institution sollte nach dem Willen ihrer Schöpfer sein, als Flaggschiffprojekt der EU die besten Wissenschaftler und Unternehmen der Welt in Europa konzentrieren, um wissenschaftliche europäische Exzellent stärker als bisher in marktgängige Produkte umzusetzen. An und für sich ein wichtiges und lobenswertes Vorhaben, aber muss es denn gleich ein neues Institut sein, das zur Lösung dieser Aufgabe aus dem Boden gestampft werden soll?