Aktuelle Einblicke in die Forschung

Veredelte Oberflächen für die Spitzenforschung

Nachhaltigkeit gewinnt in der Oberflächentechnik, zur Schonung natürlicher Ressourcen und Steigerung der Wirtschaftlichkeit immer mehr an Bedeutung.

Die Oberflächenbearbeitung im Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik – Engineering und Technologie (ZEA-1) ist ein zentraler Schritt in der Entwicklung und Herstellung von wissenschaftlich-technischen Geräten und Anlagen. Oft ist die Oberflächenveredelung ein entscheidendes Merkmal für die Qualität und Einsetzbarkeit der Bauteile in Experimentier-, und Messeinrichtungen, und in den wissenschaftlichen Anlagen.

Durch Reinigung, Polieren und Beschichtung innerer und äußerer Oberflächen werden metallische, reine Oberflächen nach den technischen Anforderungen für die Wissenschaft hergestellt.

Das Team der Oberflächenbearbeitung im ZEA-1 behandelt vor allem Bauteile für Maschinen, Instrumente und Anlagen für die Spitzenforschung im Forschungszentrum sowie im Auftrag für externe Partner aus der Wissenschaft und Wirtschaft. Leitend, wasserabweisend, korrosionsbeständig, hitzestabil oder geeignet für Ultrahochvakuum – Oberflächen spielen in der Forschung eine Schlüsselrolle. Sie können entscheidend für einen erfolgreichen Experimentablauf sein oder diesen beeinträchtigen. Die Anforderungen an Reinheit sowie an chemisches und physikalisches Reaktionsverhalten der Oberfläche sind vielfältig und sehr unterschiedlich. Daher passen die Spezialisten des Instituts chemische, elektrochemische und Metallabscheidungsverfahren sowie Oberflächenumwandlungsverfahren entsprechend den Anforderungen der Wissenschaftler ständig an.

Bei vielen Anwendungen und Prozessen bedarf es zu Beginn einer chemischen Reinigung der Oberfläche, unter anderem durch das sogenannte Beizen. Ohne dies wäre zum Beispiel ein Betrieb von Hochvakuumapparaturen nicht möglich. Hier werden sehr saubere Geräte benötigt, Restmaterial im System würde zu einer Verfälschung der Messergebnisse führen.

Auch in der Fügetechnik sind chemisch saubere Oberflächen notwendig: zur Schweißvorbereitung und in Lötprozessen zur Herstellung der Benetzbarkeit der zu lötenden Flächen.

Fast alle Verfahren und Prozessschritte der Oberflächenveredelung sind sehr energieintensiv. Für wichtige Prozessparameter wie Temperatur, Strom und Spannung sowie Zusammensetzung der verwendeten Flüssigkeiten werden große Energiemengen eingesetzt und viel Wasser verbraucht. So muss jedes Teil nach jedem Prozessschritt mindestens drei Mal gespült werden. Durchschnittlich werden ungefähr 200.000 Liter Wasser pro Jahr benötigt, demensprechend fällt viel Abwasser im Labor für Oberflächenbearbeitung an. Derzeit werden alle sechs Wochen bis zu 20 Kubikmeter Abwasser durch eine externe Firma fachgerecht entsorgt. Das Institut ist also verantwortlich dafür, Wasser sparsam zu verwenden und eine Belastung der Umwelt durch das entstandene Spülwasser zu vermeiden.

Neben der Qualität der Arbeiten am ZEA-1 steht eine umweltfreundliche Produktion, die effiziente Verwendung der Betriebsmittel im Vordergrund. An den notwendigen Chemikalien im Einsatz ist wenig zu ändern, diese sind neben dem technischen Know-how der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Grundlagen einer qualitativ hochwertigen Behandlung.

Ein erster Schritt in Richtung nachhaltige Oberflächentechnik ist die Reaktivierung von anlagetechnischen Komponenten. Das heißt, dass im Betrieb verschmutze Geräte durch chemische Reinigung wieder einsatzfähig gemacht werden. Dadurch verlängert sich deren Lebensdauer und Rohstoffe werden eingespart. Mit der Anschaffung einer neuen Anlage für diverse Metallbeschichtungsprozesse geht das ZEA-1 seit Anfang 2018 nun neue Wege.

Die Direktmetallisierung ermöglicht eine einfache horizontale Prozessführung und reduziert die Anzahl der Behandlungsschritte. Dadurch werden die Prozesskosten und die Prozesszeit deutlich verringert. In fünf vergleichsweise kleinen Behandlungsbecken (210 x 300 mm²) lassen sich nahezu alle üblichen Basismaterialien problemlos metallisieren. Das Besondere hierbei ist, das die sogenannte Durchkontaktierungsanlage COMPACTA L30 durch die Mitarbeiter des ZEA-1 primär als Versuchsanlage genutzt wird. Neu ist, dass hier verschiedene Elektrolyte im kleinen Maßstab in galvanischen Prozessen getestet werden. Mittelfristig wird so das Umweltgefährdungspotential gesenkt und die einzelnen Prozesse fallen nicht mehr unter das deutsche Bundes-Immissionsschutzgesetz.

Eine Spülwasserreinigung ist direkt an die Anlage angeschlossen und arbeitet als Kreislaufanlage, in der das gesamte anfallende Spülwasser gereinigt und in den Prozess zurückgeführt wird. So entsteht eine fast abwasserfreie Oberflächenbehandlung.

Wir haben uns als Institut mittelfristig das Ziel gesetzt, den Maschinenpark so umzustellen, dass zum einen die Nachhaltigkeitsziele des Forschungszentrums erfüllt werden und zum anderen die einmalige Kompetenz des ZEA-1 im Bereich Oberflächentechnik ausgebaut wird. Die Oberflächentechnik des ZEA-1 ist nachhaltige Oberflächenbehandlung auf Spitzenniveau, die in Zusammenarbeit mit den weiteren Disziplinen des Instituts Technologie für die Spitzenforschung der Partnerinstitute zur Verfügung stellt.

Prof. Dr. Ghaleb Natour, Direktor des ZEA

Zwei Beispiele im Prozess der Oberflächenbearbeitung

1. Galvanisieren:

ist das elektrochemische Abscheiden von dünnen Metallschichten auf einem Substrat in einem elektrolytischen Bad. In diesem befindet sich an der Anode Metall, das aufgebracht werden soll (z.B. Kupfer, Chrom) und an der Kathode der zu beschichtende Gegenstand. Durch den elektrischen Strom werden die Metallionen aus dem Elektrolyt abgeschieden und durch Reduktion auf dem Werkstück gleichmäßig abgelagert. Je länger sich der Gegenstand im Bad befindet und je höher der elektrische Strom, desto dicker wird die Metallschicht. Jedes leitfähige Material, wie Metalle, kann direkt galvanisiert werden. Bei anderen Substraten, wie Kunststoffe oder Glas, muss zuerst eine leitfähige Beschichtung hinzugefügt werden. Die Einsatzmöglichkeiten und Trägermaterialien, die verwendet werden, sind somit sehr vielfältig.

2. Eloxieren:

Aluminium wird dahingegen meistens eloxiert, wobei durch anodische Oxidation eine 5 bis 25µm Schutzschicht erzeugt wird. Im Gegensatz zum galvanischen Überzugsverfahren, wird die Schutzschicht nicht abgeschieden, sondern durch chemische Umwandlung der obersten Metallschicht erzeugt. Damit wird das Aluminium wirksam vor Korrosion geschützt.