ZVO-Oberflächentage 2022

KI und Digitalisierung in der Galvanotechnik

Nachwuchswissenschaftler im Fachaustausch am Rande der VeranstaltungZu Beginn seines Vortrages stellte Andreas Scholz von der Aucos AG die Frage, welchen praktischen Vorteil der Einsatz der KI-Technologie in der Oberflächentechnik bietet.

Anhand einer Formel-1-Rennstrecke stellte Scholz die Herausforderungen an die Galvanotechnik beim Einsatz künstlicher Intelligenz in der Steuerungstechnik anschaulich dar. Am Beispiel der Fahrprogrammsteuerung erläuterte er, wie auf Basis der Analyse der vorhandenen Werte die besten Entscheidungen und Vorhersagen getroffen werden können. Anwendungen für maschinelles Lernen verbessern sich mit ihrer Nutzung und werden umso genauer, je mehr Daten sie zur Verfügung haben. Das neuronale Netz lernt während des Einsatzes und optimiert andere Einsatzzwecke; beispielsweise für die Kapazitätsberechnung von Neuanlagen. Schwerpunktmäßig geht es hierbei um die Erkennung von Beschichtungsfehlern noch bevor die Bauteile in die Anlage eingefahren sind und dem dynamischen Errechnen von Transportbewegungen.

Sebastian Breuckmann von der DITEC sprach anschließend über Galvanik 4.0 in der Umsetzung mit besonderem Augenmerk auf Predictive Maintenance, Elektrolytmanagement, KI-Rückblick sowie Status und Ausblick. Für die Umsetzung des Industrie 4.0-Gedankens stellt die Galvanotechnik als prozessorientierte Industrie aufgrund der hohen Zahl an Einsatzstoffen und Wirkzusammenhängen ein besonders anspruchsvolles Anwendungsfeld dar.

Breuckmann zeigte auf, dass heute auch in der Galvanotechnik wesentliche Schritte zu einer praxisrelevanten Umsetzung der Galvanik 4.0 getan werden. Im Wartungsmanagement geht es darum, eine möglichst präzise Vorausplanung zu erstellen und unerwartete Anlagenausfälle zu vermeiden. Mit dem Wissen über die objektbezogene Wartungshistorie lassen sich Ressourcen für Wartungsarbeiten wie erforderliche Ersatzteile oder Personal besser planen. Die Anlagenverfügbarkeit kann erhöht werden, indem Produktionsstillstände durch Fehler vermieden und geplante Wartungs-Stopps eingeführt werden, deren Wartungsaufwand in der Regel geringer ist. Auch das Elektrolytmanagement liegt im Fokus der Entwicklungen mit vielfältigen Herausforderungen und Chancen. Zunächst geht es darum, den aktuellen Stand zu analysieren und danach die Zielstellungen zur Prozessoptimierung und zur Sicherung eines stabilen Prozesses festzulegen. Breuckmann zeigte auch hier einige mögliche Strategien des Elektrolytmanagements wie bspw. Korrekturen der Elektrolytparameter auf Sollwerte nach der Analyse oder durch regelmäßige Korrekturen auf. Der Einsatz der KI bietet große Optimierungspotenziale.

Neue Anforderungen an die Galvano- und Oberflächentechnik Neues Gestellisolierungssystem

Frauenpower aus Schwäbisch Gmünd: Heidi Willing (l.) und Gloria Lanzinger vom femEin innovatives Gestellisolierungssystem für die chromfreie Anwendung bei der Kunststoffgalvanisierung stellte Salvatore Bongiorno von Galvatore Plating & Equipment vor (lesen Sie hierzu unseren Fachaufsatz auf S. 1563). Dieses Gestellisolierungssystem wurde entwickelt, um die neuesten Anforderungen der EU zu erfüllen und zu ermöglichen, Kunststoffe (ABS, ABS/PC und PA) ohne Cr(VI) zu beschichten. Das Gestell besteht aus einem Standard PVC auf dem eine Absorptionsbarriere (speziell entwickelte Fluorpolymer-Mischung) aufgebracht ist. Die Schichtdicke der Absorptionsbarriere beträgt üblicherweise 250–400 µm, die Härte 29–39 Shore D (Härte Shore D – Prüfung von zähen Elastomeren und Thermoplasten) und der Kontaktwinkel 95–114°. In den bisherigen Tests konnte eine hohe thermische und chemische Beständigkeit des Gestellisolierungssystems in sauren Medien festgestellt werden. Durch den Einsatz dieses Gestellsystems konnte der Oxidationsmittelverbrauch drastisch reduziert und somit eine höhere Stabilität der Beize erzielt werden. Chemische Reaktionen können in der Vorbehandlung verhindert werden. Weitere Kostenreduzierungen ergeben sich durch die Einsparung von Verschleppungen im gesamten Beschichtungsprozess und von Abwasserchemie, so fallen weniger Metallschlämme an. Die verbesserte Spülwirkung bewirkt einen geringeren Verbrauch an Prozesschemie. Nur die tatsächliche Kontaktfläche wird beschichtet. Somit ist auch ein geringerer Metallverbrauch (Cu/Ni) zu verzeichnen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gestellisolierungen kann die Porenbildung an den Kontakten und damit die Gefahr der Metallknospenbildung verhindert werden. Wie Bongiorno informierte, wird Ende 2022 die Patenterteilung erwartet. Und dann soll ab 2023 mit der Herstellung dieser Gestellvariante begonnen werden. Hersteller für diese Gestelle werden noch gesucht.

SAQ 4.0 Automotive-Nachhaltigkeits-Leitlinie

SAQ 4.0 ist eine Selbstbewertung zum Thema Nachhaltigkeit in einer von den OEMs gemeinsam entwickelten Internetplattform für alle weltweiten Zulieferer, über die Andreas Redaoui von der TopQM-System AG referierte. Von den Automobilzulieferern wird erwartet, dass sie Leitlinien zur Verbesserung der Nachhaltigkeit einhalten und bestätigen.

Der Vortrag über KI in der Galvanotechnik zog viele Branchenexperten in ihren Bann

Die Hauptkapitel der SAQ 4.0 sind:

• Geschäftsführung
• Arbeitsbedingungen und Menschenrechte
• Gesundheit und Arbeitssicherheit
• Unternehmensethik (was ist zulässig)
• Umwelt (Umweltrichtlinien, Managementsysteme)
• Lieferantenmanagement (Nachhaltigkeitsanforderungen für Lieferanten)
• Verantwortungsbewusste Beschaffung von Rohstoffen

Dann erläuterte Redaoui die sieben Hauptkapitel und gab praktische Hinweise zum Hochladen und Ausfüllen der SAQ 4.0 Assessment Checkliste am Beispiel der VW- und BMW-Anforderungstiefe. Ganz wesentlich ist die Anzahl der Mitarbeiter für die Nachweisdokumente und die ISO Zertifizierungsvorgaben. Redaoui verwies hinsichtlich des Datenschutzes und der Geheimhaltung von sensiblen Unternehmensdaten und persönlichen Daten von Teilnehmern darauf, dass nur die Daten veröffentlicht werden, die frei gegeben werden. Mit seinen Ausführungen gab er wesentliche Antworten auf die Frage zu Nachhaltigkeitskonzept im Unternehmen. Solche Dokumentationen sind für Automotive-Zulieferer künftig unbedingt erforderlich.

Mit staatlicher Förderung in klimaschonende Trocknung investieren

Unternehmer Ramisch hielt sich mit Kritik auch in Leipzig nicht zurückModerner Anlagenbau verlangt nach leistungsstarken und zugleich energieeffizienten Prozessen, auch im Bereich der Trocknung von Bauteilen, so Reinhold Specht von der Harter GmbH. Komplett trockene Bauteile, fleckenfreie Oberflächen, Taktzeitreduzierung und Energieeinsparung, gleich ob an Gestellen, in Trommeln, Körben oder auf Förderbändern – das sind Themen, die heute realisiert werden. Zur Erreichung dieser Zielstellungen stellte Specht die Kondensationstrocknung auf Wärmepumpenbasis vor. Herz der Kondensationstrocknung ist die hoch effiziente Entfeuchtungstechnologie. Durch die Entfeuchtung mit extrem trockener Luft im energetisch geschlossenen System werden Bauteile schnell, sicher und energiesparend getrocknet. Die Trocknung findet, je nach Erfordernis, im variablen Temperaturbereich von 20 bis 90 °C statt. Specht führte aus, dass eine 75%ige Energieeinsparung durch Nutzung des vorgestellten Trocknungssystems gegenüber herkömmlichen Trocknungssystemen möglich ist. Als Ergänzung oder Option kann ein druckluftfreies Abblassystem starr oder beweglich im Gestelltrocker oder als separate Station angeboten werden. Durch den Einsatz eines leistungsstarken Ventilators mit hohem Wirkungsgrad können große Luftmengen erzeugt werden, die nicht punktuell, sondern über die gesamte Länge der Abblasleiste verteilt werden. Vom Staat wurde diese Trocknungstechnologie als förderfähig eingestuft (Bundesförderung für Effizienz in der Wirtschaft). Die staatliche Förderung erfolgt durch das BafA (Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle) und kann bei KMU bis zu 40 % und bei großen Unternehmen bis zu 30 % betragen. Wie Specht informierte, erfolgt die Beantragung über die Energieberatung beim BafA. Die Kosten hierfür betragen ca. 3.000 Euro. Die Kosten für die Energieberatung/Antragstellung sind jedoch bei Modul 4 ebenfalls förderfähig.

Wertstoffrückgewinnung von Säuren, Laugen und Metallen

Rainer Klein von der Spiraltec GmbH stellte das von seinem Unternehmen entwickelte gewickelte Membranmodul für die Diffusionsanalyse zur Rückgewinnung von Säuren, Laugen und Metallen vor. Das Membrantrennverfahren basiert auf der Durchströmung zweier Kanäle mit zwei verschiedenen Fluiden, die durch eine semipermeable selektive Membran getrennt sind. Die Verfahrensweise ist im Gleich- oder Gegenstrom möglich.

Das Membranspiralwickelmodul ist kompakt gebaut (Höhe des Moduls 600 mm, Durchmesser 210 mm) und durch die modulare Bauweise (1–10 Module) flexibel konfigurierbar. Jedes Modul kann ca. 15 l/h Badlösung regenerieren.

Wie Klein weiter ausführte, ist mit diesem Modul eine bis zu 90–95%ige Säurerückgewinnung, bis zu 75%ige Laugenrückgewinnung und eine bis zu 98%ige Metallrückgewinnung in Abhängigkeit vom gewählten Volumenstromverhältnis und der Metallkonzentration möglich. Nachfolgende Anwendungsbeispiele präsentierte er:

• Schwefelsäure-Stahlbeizrecycling (Rückgewinnung der Säure durch Vorfiltration, Mikrofiltration, Diffusionsdialyse)
• Aluminium-Glänzbadrecycling (Verdünnungsstation, Diffusionsdialyse, Kationenaustauscher, Verdampfer)
• Schwefelsaure Kupfersulfatlösung( Rückgewinnung der Säure, Elektrolyse Kupfersulfat durch Vorfiltration, Mikrofiltration, Diffusionsdialyse, Elektrolyse)
• Rückgewinnung der HCl-Beize beim Feuerverzinken (Vorfiltration, Ultrafiltration zur Abtrennung des Öls, Diffusionsdialyse)

Durch den gezielten Einsatz der Diffusionsdialyse als Zwischenstufe ist eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit eines Gesamt-Recycling-Verfahrens möglich. Durch die Steigerung der Chemikalienpreise könnten sich für das Membranmodul interessante weitere Anwendungsfelder ergeben, da im Gegensatz zur Verwendung von Ionenaustauschern keine großen Mengen an Chemikalien für die Regeneration der Harze verwendet werden.

Korrosionsschutzanforderungen für dekorative Verchromung im Automobil: Cr(III) vs. Cr(VI)

Rolf Pofalla, MacDermid Enthone GmbH, machte zu Beginn deutlich: Die Cr(III)-Beschichtung ist aus dem Automobilbereich nicht mehr wegzudenken und hat sich etabliert. Gesetzliche Auflagen (wie REACh) und das Interesse an umweltfreundlichen Verfahren, Trends zur Individualisierung (Farbe) und spezielle Anforderungen an den Korrosionsschutz haben in den letzten Jahren zu einer wachsenden Anwendung von Cr(III)-Verfahren geführt.

Unterschiedliche Anforderungen in OEM-Spezifikationen sind wichtige Kriterien bei der Implementierung eines geeigneten Cr(III)-Verfahrens. Dabei gibt es folgende wesentliche Aspekte zu betrachten, wie Pofalla weiter ausführte:

• Elektrolytzusammensetzung und erzielbare Schichteigenschaften (Farbwerte)
• Einfluss der Schichtzusammensetzung auf die Schichtdickenmessung (helle Schichten Messung mit Standardmethoden, bei dunklen Schichten ist ein Korrekturfaktor erforderlich)
• Anodenmaterial (es laufen Untersuchungen zur Eliminierung von Iridium-Anoden, eventuell Einsatz von Mischoxidanoden)
• Anodenstandzeit
• Nachbehandlung (sehr häufiger Einsatz, Prüfung, ob zwingend erforderlich, REACh-Konformität)
• Einfluss der der Nachbehandlungsverfahren auf die Abwasserbelastung und -behandlung
• Einfluss der Komplexbildner auf Abwasserbehandlung

Die Aspekte sind Kriterien bei der Verfahrensoptimierung.

Chrom(VI)-freie chemisch-galvanische Beschichtung additiv gefertigter Kunsttoffteile

Die additive Fertigung von Bauteilen aus Kunststoffen hat in den letzten Jahren wesentlich an Bedeutung gewonnen, so Dr. Jürgen Hofinger von der Biconex GmbH. Der 3D-Druck von Metallen ist mittlerweile ebenfalls etabliert, hat im Vergleich zum Kunststoff jedoch technisch höhere Hürden zu überwinden. Umso mehr sind Kombinationsverfahren interessant, die auf der Fertigung von Kunststoffbauteilen mit anschließender galvanischer Beschichtung basieren. Die Biconex GmbH beschäftigt sich mit Verfahren zur Vorbehandlung von Kunststoffen aus dem 3D-Druck für die anschließende chemische oder galvanische Beschichtung. Der Fokus liegt dabei auf der Entwicklung neuer chrom(VI)-freier Verfahren. Hofinger stellte in seinem Überblicksvortrag die aktuellen 3D-Druck-Technologien und mögliche Vorbehandlungs- Beschichtungstechnologien vor:

• FDM (Fused Deposition Modeling): am weitesten verbreitete 3D-Drucktechnologie, preisgünstige Geräte vorhanden
• SLS (Selektives Lasersintern): thermisch belastbar, leicht raue Oberfläche, dadurch gute Haftfestigkeit, keine aggressive Beize erforderlich, Struktur nicht ganz dicht
• MJK (Multi Jet Fusion): Diese Kunststoffe bieten die beste Möglichkeit, um danach zu beschichten, Haftung nicht so gut wie bei SLS, keine aggressive Beize, schneller Druck möglich
• SLA (Stereolithografie): ältestes Verfahren, liefert hochgenaue, isotrope Bauteile mit glatter Oberfläche, Beize erforderlich, der Beschichtungserfolg ist sehr materialabhängig

Weiter führte Hofinger aus, dass eine PVD-Beschichtung als Startschicht gut geeignet, jedoch stark geometrieabhängig ist. Bei komplexen Geometrien kommt die Beschichtung an Grenzen. Und die Gestellbefestigung der Bauteile ist auch wesentliche Voraussetzung zur Auftragsbearbeitung.

Fe-Cr-Ni-Legierungen und die Betrachtung der Abscheidung aus Cr(III)-Elektrolyten

Dominik Höhlich arbeitet im Fachbereich Werkstoff- und Oberflächentechnik der TU Chemnitz. Hochlegierte Stähle werden standardmäßig für Anwendungen eingesetzt, die hohe Anforderungen an die Korrosions- und Verschleißbeständigkeit stellen, stellte er eingangs fest. In den Untersuchungen der TU Chemnitz geht es darum, einen Ersatz durch die Verwendung von niedriglegierten Stählen mit Fe-Cr-Ni-Überzügen, abgeschieden aus Cr(III)-Elektrolyten, zu prüfen. Eine galvanische Abscheidung dieser Legierung könnte von großem wirtschaftlichem Interesse sein, da sie auch eine Alternative zu Glanzchromsystemen (abgeschieden aus Cr(III)-Elektrolyten) sein könnte. Eine direkte Applikation von rissfreien und dicken (> 10µm) Fe-Cr-Ni-Legierungsschichten bietet den Vorteil, dass auf Kupfer- und/oder Nickel-Zwischenschichten verzichtet werden kann. Höhlich präsentierte die aktuellen Ergebnisse der Untersuchungen. Es wurden Untersuchungen mit unterschiedlichen Stromdichten, Pulsstrom und gestuftem Gleichstrom durchgeführt. Bei letzterem (10s an, 5s aus) konnten gute Schichten mit einem Cr-Gehalt von 26 % abgeschieden werden. Es kann eine rissfreie Schicht, deren Härte deutlich höher als Cr-Ni-Stahl ist, abgeschieden werden. Durch die gestufte Abscheidung konnte kein Härteverlust registriert werden. Die Schichtdicke beträgt 10 µm.

Die Härte der Schicht von Hartchrom konnte mit den durchgeführten Versuchen bisher nicht erreicht werden. Das Entwicklungsthema wird fortgeführt und ein Schwerpunkt wird dabei darauf liegen, die Härte der abgeschiedenen Schicht zu erhöhen.

Chrom(VI)-Verbot im Tiefdruck – Möglichkeiten und Alternativsysteme

Im Tiefdruck werden Stahlwalzen verkupfert, anschließend bebildert und abschließend verchromt, erläuterte Referent Dr. Julius Gröne von Matthews International. Aktuell erfolgt die Verchromung noch mittels Cr(VI)-haltigen Elektrolyten. Aber auch hier gilt die Erfordernis, diese Cr(VI)-haltigen Elektrolyte durch andere Schichtsysteme abzulösen. Diese Schichtsysteme müssen bei den relevanten Eigenschaften (hohe Härte, sehr gute Abriebbeständigkeit, sehr guter Anlaufschutz, guter Korrosionsschutz, Mikrorisse) vergleichbar sein und zugleich kostenkompatibel sein.

Folgende alternative Schichtsysteme wurden bisher untersucht:

• Zylindervernickelung: Probleme durch Abrieb
• Chemisch Nickel: zu teuer
• Zink-Nickel: Härte gut, Abdruckbild gut, sehr gut sind die Ergebnisse aber nicht, weitere Untersuchungen folgen
• Cr(III): Probleme ergaben sich durch die Härte der Schicht, den Korrosionsschutz, den Aufwand bei der Beschichtung und die Kosten.

Die Prüfung der Schichten erfolgte mit Farbprüfgeräten bzgl. des Siebdruckes sowie des Andruckverhaltens und der Beständigkeit der Schicht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle genannten Schichtsysteme nicht den erforderlichen Erfolg gebracht haben. Das Unternehmen hofft auf weitere Mittel und bat um Unterstützung bei der Lösung des Problems der Ablösung von Cr(VI)-Elektrolyten im Tiefdruck.