ZVO-Oberflächentage 2021: Das Vortragsprogramm – Teil 1 – Klimaschutz, Digitalisierung, Energieeffizienz

Klimaneutralität

Klimaneutralität – das Thema kam auch auf den ZVO-Oberflächentagen gleich im ersten Block auf die Tagesordnung. Jan Mehlberg, MVV Enamic GmbH, stellte den Aufbruch in eine dekarbonisierte Zukunft vor. Durch den Klimawandel hat in den letzten Jahren ein gesellschaftliches Umdenken stattgefunden, damit der Anstieg der glo- balen Durchschnittstemperatur gestoppt wird. Über die Erfassung der individuellen Verbrauchsstrukturen im Unternehmen, die Erstellung einer Klimabilanz, die Definition eigener Klimaschutzziele, aus denen die Maßnahmen festgelegt und letztendlich umgesetzt werden, gelangen Unternehmen Schritt für Schritt zur Klimaneutralität. In die Bilanzierung der Klimaziele gehören auch die vorgelagerten und nachgelagerten Aktivitäten des Unternehmens, eine besondere Rolle kommt der Logistik zu. Der Redner schlug vor, die Klimabilanz produktbezogen zu erstellen.

Auch Lars Baumgürtel, ZINQ Technologie GmbH, sprach sich für einen Produktpass aus. Wirtschaftswachstum sollte sich über Qualität und nicht Quantität definieren. Das Design eines Produktes sollte sich auch den Anforderungen der Wiederverwertung anpassen. Kritisch sieht er beispielsweise das bei den Windkraftanlagen eingesetzte Material für die Rotorblätter, das nicht recyclingfähig ist. Zirkuläre Geschäftsmodelle müssen auf Dekarbonisierung, abfall- freie und emissionsfreie Produktionsweise ausgerichtet sein.

Über die Energieeffizienz galvanotechnischer Systeme berichtete Michael Zöllinger, Dr.-Ing. Max Schlötter GmbH & Co. KG. Bei den Hauptenergieverbrauchern, wie Gleichrichter, Heizung bzw. Kühlung für die Prozesslösungen und die Raumluft, elektrische Antriebe, Druckluft, Trockner und Beleuchtung ist auf eine möglichst gute Energieeffizienz zu achten. Als Beispiel führte er die optimale Abstimmung der Anodenfläche und des Anodenmaterials auf den Elektrolyten an. Je geringer die anodische Stromdichte ist, desto weniger Badspannung ist notwendig, woraus ein höherer Wirkungsgrad resultiert. Deshalb muss stets das Gesamtsystem, Elektrolytzusammensetzung und Anodenmaterial betrachtet werden, um sowohl qualitativ einwandfreie Schichten abzuscheiden und energie- effizient zu arbeiten.

Digitalisierung in der Galvanotechnik

Dieser Vortragsblock begann mit einem Vortrag von Peter Schwanzer, Fraunhofer IPA. In einem Kleingalvanikautomaten mit 50 bis 60 Liter Badvolumen, 6 Aktivstationen inkl. Spülen, Fahrwagen und peripherer Ausrüstung werden zur Prozessoptimierung Daten erhoben, wie beispielsweise die Elektrolytzusammensetzung zur vorausschauenden Elektrolytwartung. Die Lerngalvanik kann aber auch zur Information und Schulung von Mitarbeitern eingesetzt werden. Außerdem lassen sich in der Lerngalvanik neue Produkte von Anwendungen testen und validieren. Der Redner betonte, dass die Lerngalvanik über das Forschungsprojekt „Intelligente, Augmented Reality gestützte Produktionsprozesse in der Galvanotechnik (SmARtPlaS)“ hinaus auch als Demonstrator ausgelegt wurde und offen sei für neue Ideen und Ansätze.

Christine Maier, Dr.-Ing. Max Schlötter GmbH & Co. KG, stellte digitale Lösungen für die Galvanotechnik vor. Als Anregung für eigene Lösungen empfiehlt sie, sich über digitale Lösungen anderer Industriezweige zu informieren und diese zu adaptieren. Als Beispiele führte sie die Holzbearbeitung mit der Werkzeugverwaltung, Möbelkonfiguration, Zuschnittoptimierung sowie die Stahlindustrie, die für registrierte Kunden Eingriffe in die Produktionsplanung ermöglicht und so die Liefertreue erhöht, an. Für die Galvanotechnik lassen sich daraus Ansätze ableiten. Über eine gezielte Online-Datenerfassung werden einzelne Prozesse optimiert. Beispielsweise können der Service unterstützt, Aufträge geplant oder Maschinen und Prozesse überwacht werden.

Kennzahlen werden immer wichtiger und bilden eine Grundlage für Innovationen, um Planungs-, Steuerungs- und Kontrollaufgaben im Unternehmen zu unterstützen, so Michael Hellmuth, Softec AG. Komplexe Zusammenhänge lassen sich mit Kennzahlen darstellen und auf Kunden sowie Lieferzeiten beziehen. Gedruckte Lieferscheine haben viele Nachteile, insbesondere einen viel höheren Zeitaufwand bei der Bearbeitung. Über Apps auf den Smartphones der Mitarbeiter werden wichtige Informationen, wie Wareneingang, Maschinenbelegung oder geplante Aufträge, schnell übertragen. Mit RFID-gekennzeichneter Ware werden Bewegungsprofile erstellt und der Bearbeitungsstand ist jederzeit ersichtlich. Damit kann besser geplant und auch spontan auf ungeplante Aufträge reagiert werden. Zur Qualitätssicherung werden relevante Informationen und Fotos gespeichert.

Kathodischer Korrosionsschutz

Andreas Tolz, NOF Metal Coatings Europe S. A., gab einen Erfahrungsbericht zur wasserbasierenden Zinklamellentechnologie im Serieneinsatz auf Pkw-Fahrwerkskomponenten. Die Zinklamellenbeschichtung (Schichtdicke: nur 5 bis 15 µm) bietet einen hervorragenden Korrosionsschutz. Die Beschichtung von Hohlräumen ist möglich, wobei keine chromat- oder schwermetallhaltigen Lösungen eingesetzt werden. Wegen der stromlosen Beschichtung kann es auch nicht zur Wasserstoffversprödung kommen. Die Zink- und Aluminiumlamellen werden in einer Sol-Gel- Bindemittelmatrix eingebunden. Es kann ein zusätzlicher Topcoat eingesetzt werden. Der Prozess beginnt mit der alkalischen Entfettung und dem Kugelstrahlen, dann wird die Zinklamellenbeschichtung im Gestell-Tauchschleuderverfahren aufgebracht und anschließend bei ca. 300 °Celsius eingebrannt und ausgehärtet. Die Prozessschritte Zinklammellenbeschichtung und das Einbrennen müssen zweimal durchgeführt werden, um den Langzeit-Korrosionsschutz zu gewährleisten.

Sebastian Hahn, Atotech Deutschland GmbH, stellte ressourcenschonende Passivierungslösungen vor. Auf Zink- beziehungsweise Zinklegierungsschichten werden chrom(III)-wertige Passivierungs- schichten zum Korrosionsschutz aufgebracht. Die Standzeit der Passivierungen wird durch eingetragene Eisen- und Zinkionen verkürzt. Die Fremdmetalle können durch Ionenaustauscher entfernt werden. Durch den Einsatz eines Inhibitors wird der pH-Wert auf 2,5 eingestellt und die Eisenauflösung wesentlich gehemmt. Der Inhibitor hat keinen Einfluss auf den Passivierungsprozess, es werden gleichbleibend gute Korrosionseigenschaften erhalten. Längere Standzeiten der Passivierung helfen den Chemikalieneinsatz zu senken und damit ressourcenschonend zu produzieren.

Zink-Chrom-Legierungsschichten bieten einen besseren Korrosionsschutz als einfache Zinkschichten.

Andreas Bán, VDEh-Betriebsforschungsinstitut, berichtete von kinetischen Untersuchungen zur Zink-Chrom-Abscheidung unter Gleich- und Pulsstrombedingungen. Es wurden die Elektrolytzusammensetzung, die Stromdichte und die Drehzahl einer Zylinderelektrode verändert sowie Versuche unter Gleich- und Pulsstrombedingungen durchgeführt. Die kinetische Hemmung der Zink-Abscheidung während der Zink- Chrom-Legierungsabscheidung lässt sich durch organische Additive einstellen. Ein gewünschter Chrom-Anteil in der Zink-Chrom-Schicht ist auch durch Einstellen der relativen Stromdichte grundsätzlich möglich. Aufgrund der Abhängigkeit des Chrom-Anteils von der relativen Stromdichte ist eine flexible Produktionsweise mit unterschiedlichen Durchlaufgeschwindigkeiten und Stromdichten schwierig. Für eine flexible Produktionsweise ist entweder eine Regelung der Strömungsgeschwindigkeit in der Zelle oder die Modulation der Stromdichte erforderlich, um die relative Stromdichte konstant zu halten.

Neue Anforderungen an die Galvano- und Oberflächentechnik

Annika Bauer und David Zapf, Hansgrohe SE stellten ein Verfahren zur Palladiumrückgewinnung aus Spülwasser vor. Zinn-Palladiumkomplexe werden zur Aktivierung von Kunststoffoberflächen eingesetzt, damit sie galvanisiert werden können. Das im Spülwasser enthaltene Palladium kann sowohl partikulär als auch ionisch vorliegen. Deshalb wird die Eliminierung mittels Filtration und Ionenaustausch vorgenommen. Die Versuche zur Filtration zeigen eine pH-Abhängigkeit. Zunächst wird das Palladium durch Vorfiltration mit einem Kerzenfilter (1 µm) entfernt, dann wird der pH-Wert angehoben, über einen Faltenfilter (0,5 µm) Zinn-Agglomerate entfernt und im letzten Schritt das Palladium an amindotierten ionischen Oberflächen adsorbiert. Steigende Palladiumkosten machen das mehrstufige Verfahren wirtschaftlich.

Peter Böttcher, SurTec Deutschland GmbH, gab einen Überblick zum aktuellen Stand der REACH-konformen Substitution von Chrom(VI) in der Galvanotechnik und stellte dekorative Chrom(III)-Beschichtungen vor. Chrom(III)-Beschichtungen werden zu dekorativen Zwecken unter Beibehaltung der charakteristischen Eigenschaf- ten wie Farbe und Korrosionsbeständigkeit serienmäßig eingesetzt und erfüllen die steigenden OEM-Anforderungen. Die Chrom(III)-Elektrolyte können in bestehende Linien integriert werden und die Beschichtungskosten sind stabil, wobei der Wartungsaufwand berücksichtigt werden muss. Es wird an einer neuen Chrom(III)- Elektrolyt-Generation gearbeitet, um die Beschichtungszeiten auf unter 5 Minuten zu reduzieren, weniger Komplexbildner einzusetzen, die Borsäure zu eliminieren und ohne Kühlung arbeiten zu können. Chrom(VI)-freie Beizen für die Kunststoffgalvanisierung werden erst in 5 bis 6 Jahren auf dem Markt angeboten werden können.

Eine Nachhaltigkeitsbetrachtung am Beispiel eines alkalischen Zink-Nickel-Elektrolyten stellte Joachim Becker, Conventya GmbH, vor. Bei einem herkömmlichen Zink-Nickel-Elektrolyten, der mit Stahl- Anoden arbeitet, werden die organischen Zusätze oxidiert. Es wird Wärme frei und Cyanide sowie Natriumcarbonat werden gebildet. Nur 50 bis 60 % des angelegten Stromes werden zur Metallabscheidung verwendet. Diese Nachteile treten beim Einsatz der PERFORMA3S-Anode nicht mehr auf. Hierbei ist die Anode aus rostfreiem Stahl und mit einer Keramikmembran ummantelt, wodurch es nicht zur Oxidation der organischen Zusätze kommt. Die energieintensive Kühlung von Elektrolyt und Anolyt kann bei Verwendung des 3S-Membransystems reduziert werden, da konstant niedrige Spannungen anliegen. Mit der PERFORMA3S-Anode lassen sich bis zu 75 % des Gesamtenergiebedarfs und den daraus resultierenden CO₂-Emissionen im Vergleich zum herkömmlichen Zink-Nickel-Elektrolyten einsparen.

Chemisch abgeschiedene Nickel-Phosphor- Schichten werden auf Grund ihrer hohen Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit weitverbreitet angewendet. Der Phosphorgehalt bestimmt über die jeweilige Anwendung. Ob Hartchrom-Schichten durch Chemisch-Nickel-Schichten ersetzt werden können, untersuchte Lars Lehmann, Technische Universität Chemnitz. Er verglich industriell abgeschiedene Hartchrom- Schichten mit ebenfalls in der Praxis ab- geschiedenen Chemisch-Nickel-Schichten hinsichtlich Verschleißbeständigkeit, Abrasion, Adhäsion und plastischer Verformung als Kriterien für Richtwerte für die Anwendung. Die Dokumentation soll Anwendern helfen, den für sie optimalen Chemisch- Nickel-Elektrolyten einzusetzen, wenn sie Hartchrom gegen Chemisch-Nickel substituieren müssen.

Energie- und Materialeffizienz, Ressourcen- und Umweltschutz in der Galvano- und Oberflächentechnik

In der Automobilindustrie werden hochwertige Oberflächen gefordert, wobei verschiedene Beschichtungstechnologien zur Verfügung stehen. Der jeweilige Einsatz sollte sich nicht nur nach der geforderten Qualität oder dem Design richten, sondern auch die Ressourceneffizienz und das Recycling berücksichtigen, wie Felix Heinzler, BIA Kunststoff- und Galvanotechnik GmbH & Co. KG, betonte. Am Beispiel eines Kunststoff-Zierrahmens in der Mittelkonsole verglich er eine Lackierung mit einer Galvanisierung. Weil bei der Galvanisierung der Ausschuss niedriger war, sind der Energieaufwand und die CO₂-Emissionen geringer, wobei die lackierten Kunststoffteile aber nur knapp 55 % des Wertes darstellen. Derzeit rechnet sich also ein höherer Ausschuss. Der Redner plädiert für ein Recycling aller beschichteten Bauteile. Dazu müssen Metalle und Kunststoffe getrennt und die ABS-Polymergemische aufbereitet werden, um in Zukunft auch ABS-Recyklatanteile zu verarbeiten.

Die Diffusionsdialyse wird seit vielen Jahren zur Wertstoffrückgewinnung aus Ätzmedien eingesetzt. Rainer Klein, Spiraltec GmbH, berichtete von Membranspiralwickelmodulen, die zur Rückgewinnung freier Säuren und zur Rückgewinnung von gelösten Metallen aus sauren Prozesslösungen eingesetzt werden können. An den Anionenaustauschermembranen werden die Metallionen zurückgehalten, so dass die Säure im Diffusat wiederverwendet werden kann. Weitere Anwendungsbeispiele sind die Rückgewinnung von Salzsäure beim Feuerverzinken, von Schwefelsäure beim Eloxieren oder die Rückgewinnung von Chromsäure. Durch die kompakte Bauweise der Spiralwickelmodule lässt sich das System platzsparend in bestehende Produktionsanlagen implementieren.

Betreiber von Abwasserbehandlungsanlagen wissen, dass es durch zu lange Standzeiten im Absetzbecken oder im Schlammsammler zum Wachstum von Mikro- organismen kommen kann. Dabei dienen vor allen organische Stoffe im Abwasser als Nahrung. Durch Reaktionen der Zersetzungsprodukte gehen schon gefällte Schwermetalle wieder in Lösung und die Metallgrenzwerte werden überschritten. Alois Kinateder, GusChem G. & S. Philipp Chemische Produkte, gab Tipps, um diese Probleme zu vermeiden. Er schlägt vor, Fette und Öle extern zu entsorgen, an Stelle von polymeren Flockungshilfsmitteln Bentonitmischungen einzusetzen; mit Sauerstoff zu belüften, um anaerobe Bereiche zu vermeiden und den CSB sowie AOX mit aktivkohlehaltigen Fäll- und Flockungsmitteln zu reduzieren. Bei Stillständen sollen die Behälter geleert und Kalkverkrustungen regelmäßig entfernt werden. Durch die Zugabe von Bioziden in die Chargenbehandlung können zuvor gereinigte Behälter länger vor mikrobiellem Befall geschützt werden. Dann ist das behandelte Abwasser gut filtrierbar und trockene Filterkuchen werden erhalten.

Über die Nachhaltigkeit in der Oberflächentechnik sprachen Marc Longerich, SurTec Deutschland GmbH, und Marco Rösch, SurTec International GmbH. Nachhaltigkeit dient der wirtschaftlichen Nutzung begrenzter Ressourcen, damit diese niemals erschöpft werden. Einzelne Prozesse für sich genommen spielen häufig nur eine geringe Rolle im globalen Lebenszyklus von Produkten, Rohstoffen und Wasser. Recyclingmaßnahmen werden meistens erst eingesetzt, wenn sie ökonomische Vorteile bringen. Dabei ist eine längere Nutzungsdauer ökologisch sinnvoll. Am Beispiel von Heißentfettungen, die wesentlich länger im Einsatz sind als herkömmliche, weil Builder und Tenside getrennt nachdosiert sowie die Öle und Fette entfernt werden können, zeigten die Redner, dass Nachhaltigkeit auch gut für beste Reinigungsergebnisse ist.