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Aus reaktionstechnischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist eine kontinuierliche Produktion vorteilhaft. Seit Jahrzehnten zeigt sich dies bei der Herstellung von Grundchemikalien. Die bekannten Methoden bilden die Basis für die Entwicklung kontinuierlicher Labor- und Produktionsverfahren für die Synthese von Fein- und Spezialchemikalien. Wesentliche Entwicklungstreiber sind: hohe Anlagenauslastung, einfacheres Scale-up und höhere Sicherheit. Zur Anwendung kommen neue verfahrenstechnische Konzepte, mit denen erst experimentiert und später produziert wird. Dies erhöht die Wirtschaftlichkeit und verkürzt die Zeit zum Markt mit neuen Produkten deutlich.


<h2>Moleküle und Synthesewege</h2>
Die Integration von chemischen und biochemischen Prozessen und Analysemethoden in kleinen kontinuierlich durchströmten Bauteilen führt zu einer neuen Art der Molekülsynthese und Materialerzeugung.1 Die Entwicklungen dazu firmieren unter dem Begriff Mikrofluidik. In mikrofluidischen Komponenten finden Misch-, Stoff- und Wärmetransport- sowie Stoffumwandlungs- und chemische Analyseprozesse statt. Die Prozesse lassen sich in den Mikrovolumina sehr genau steuern und automatisieren. Für mikrofluidische Bauteile in einer chemischen Umgebung ist die Auswahl geeigneter Bauteil-Materialien besonders wichtig und häufig nicht trivial.
Die aktuelle Forschung zeigt, dass sich die Systeme für die Herstellung von organischen und anorganischen sowie von mehrschichtigen Nanopartikeln besonders eignen.2 Mit mikrofluidischen Methoden lassen sich neue Materialien durch kontrollierte Aggregation und Verkapselung von Nanopartikeln herstellen.3 Die Transportprozesse in solchen Systemen werden maßgeblich von den Strömungsverhältnissen in dem Bauteil beeinflusst. Für zweiphasig durchströmte Systeme bilden sich in Abhängigkeit der Durchsätze verschiedene Strömungsregime aus, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Für technische Anwendungen ist das Regime der Kolbenströmung, der segmentierte Fluss, besonders interessant: Die gezielte Tropfenbildung innerhalb einer Trägerflüssigkeit eröffnet neue experimentelle Möglichkeiten für die chemische und biologische Forschung.4 Jeder Tropfen kann als ein separater Reaktionskolben betrachtet werden. Bei der Auslegung der Systeme und Interpretation von Ergebnissen ist eine mögliche Diffusion von Reaktanden in die Trägerflüssigkeit zu beachten. Für die kontrollierte Temperaturführung in kleinen Reaktionsvolumina werden Mikrowellen-Heizungen und induktive Heizungen diskutiert.5
Mit mikrofluidischen Komponenten entwickeln sich parallel neue Analyseverfahren. Stellvertretend sei die Magnetresonanztomographie genannt.6 Diese Technik erlaubt erstmals die Aufklärung der Phasenverteilung und -geschwindigkeiten sowie deren Veränderung infolge von Stofftransport- und Stoffumwandlungsprozessen in blickdichten mikrofluidischen Bauteilen.
Die Synthesechemie etabliert zunehmend mikrofluidische Systeme, die mehrere Prozessschritte wie Vorbereitung, Stoffumwandlung und -trennung hintereinander geschaltet und voll automatisiert durchführen.7 In Abbildung 2 ist exemplarisch ein Synthesesystem von Syrris dargestellt.
Der Umgang mit ein- und mehrstufigen Synthesesystemen muss intensiv trainiert werden, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten und um die Anwendungsgrenzen herauszuarbeiten.8 Eine umfangreiche Übersicht über die Strömungschemie zur Herstellung organischer Moleküle in mikrofluidischen Systemen bieten Wegner et al.9 Komplettsysteme bestehen beispielsweise aus Fluiddosierung und Beheizung, Stoffumwandlung, Phasenseparation und Stofftrennung sowie Inline-Analysewerkzeugen. Zu Anbietern dafür zählen Thalesnano, Syrris, Uniqsis, Chemtrix und Ehrfeld Mikrotechnik BTS. Fernsteuerungstechnik (via Mobiltelefon, Webcams und Remote-Desktop) wird die Auslastung mikrofluidischer Laborausrüstung und von Versuchsständen zukünftig deutlich erhöhen.10


<h2>Neue Prozessfenster</h2>
Entwicklungen der Materialwissenschaften und des Apparatebaus führen zu mikrofluidischen Komponenten, die sich für eine Reaktionsführung in neuen Prozessfenstern eignen: d. h. bei extremeren Betriebsparametern wie hohen Temperaturen, Drücken, Reaktandenkonzentrationen und der Anwendung neuer Synthesewege.11 Dazu zählen zudem Reaktionen in überkritischen Reaktionsmedien. Möglich werden neue Prozessfenster durch apparatetechnische Innovationen und neue Methoden zur Wärmeein- oder -auskopplung. Die relativ kleinen Reaktionsvolumina von Mikrostrukturbauteilen senken dabei das Gefahrenpotenzial. Neue Prozessfenster sollen den Umsatz und die Selektivität verbessern, umweltproblematische Hilfsstoffe vermeiden und die Prozesssicherheit erhöhen.12


<h2>Neue Prozessgestaltung</h2>
Ein weiterer Trend liegt in der Umstellung von Batch-Prozessen auf kontinuierliche Prozesse. Daraus ergeben sich folgende Vorteile: geringeres Flüssigkeitsholdup, geringeres Gefährdungspotenzial, kürzere Entwicklungszeiten, einfacheres Scale-up und höhere Raumzeitausbeuten. Bei der Umstellung sind allerdings die vor- und nachgeschalteten verfahrenstechnischen Komponenten und Anlagenteile möglicherweise anzupassen. Ob eine Umstellung aus reaktionstechnischer und wirtschaftlicher Sicht sinnvoll ist, ist von Fall zu Fall zu entscheiden.13
Für den technischen Einsatz sind Mikro- und Millireaktoren interessant. Aktuelle Forschungsarbeiten zeigen Vorteile von kontinuierlichen gegenüber Batch-Prozessen.14 Besonders herausfordernd ist die Integration von Feststoffkatalysatoren in Mikroreaktoren. Bekannte Lösungen sind Wandbeschichtungen und Mikrofestbetten. Eine Forschungsarbeit demonstriert die Anwendung eines Suspensionskatalysators für eine Flüssig-flüssig-Reaktion in einem kanalförmigen Millireaktor.15 Die Pharmaindustrie treibt die Entwicklung von Konti-Prozessen parallel voran. Beispielsweise kooperiert Novartis mit dem Massachusetts Institute of Technology im “Novartis-MIT-Center for Continuous Manufacturing”.16


<h2>Konventionelle Mehrphasen-Festbettreaktoren</h2>
In den letzten Jahren entstanden neue Verfahren zur Aufklärung von ein- und mehrphasigen Strömungen in verfahrenstechnischen Apparaten.17 Die Techniken helfen bei der Optimierung der Fluidverteilung in den Apparaten unter industrierelevanten Bedingungen. Eine jüngste Entwicklung ist die ultraschnelle Röntgentomographie von durchströmten Apparaten. Sie erlaubt eine Zeitauflösung von bis zu 10 000 Bildern pro Sekunde für 2D-Bilder und bis zu 1000 Bilder pro Sekunde für 3D-Bilder.18
Zahlreiche Forschergruppen befassen sich mit der fluiddynamischen Modellierung und Simulation von Gasphasen- und Flüssigphasenprozessen in Festbettreaktoren. Ziel ist die exakte Beschreibung der Hydrodynamik und Kopplung mit Stofftransport und Reaktionskinetik.
Eine relativ neue Technik ist Imaging Based Meshing. Dabei werden beispielsweise Formkörperschüttungen mit tomographischen Verfahren (Magnetresonanztomographie) dreidimensional vermessen. Die Messergebnisse werden in Programme für numerische Strömungssimulation integriert. So lässt sich die Gasströmung um die Partikel simulieren.19 Die Technik ist vielseitig einsetzbar und wird folglich für Gas/Flüssig-Reaktionsprozesse mit anderen Katalysatorformen eingesetzt werden. Interessant ist diese Technik für die Entwicklung von kommerziellen Durchflussreaktoren mit strukturierten Katalysatoren wie Schaumkatalysatoren (Abbildung 3).
Die neuen Messverfahren in Verbindung mit numerischer Strömungssimulation werden zukünftig für eine verbesserte Auslegung und Optimierung von technischen Reaktoren eine wichtige Rolle spielen.


<h2>Neue Fertigungsverfahren</h2>
3D-Rapid-Prototyping-Verfahren halten Einzug in die Herstellung von komplexen und miniaturisierten Apparaten und Apparateelementen. Derartige Verfahren erzeugen 3D-Strukturen mit hoher Strukturfeinheit. Mit einem pulvermetallurgischen Ansatz sind die Bauteile aus einer großen Bandbreite industriell relevanter Materialien herstellbar. So liefert das 3D-Siebdruckverfahren des Fraunhofer Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung Dresden Mikrowärmeübertrager und Fluidverteiler.20 Die Fertigung von Katalysatorträgern und Katalysatoren auf Metallbasis ist ebenfalls möglich. Es vermischen sich die Disziplinen Fertigungs-, Apparate- und Reaktionstechnik sowie Katalyse.


<h2>Ausblick</h2>
Strömungschemische Verfahren benötigen einen noch stärkeren interdisziplinären Charakter für die Entwicklungen an der Schnittstelle zwischen Chemie, Ingenieurwissenschaften, Informatik und Robotik. Bei Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sollte der Fokus parallel auf das Verstehen der Wertschöpfungskette gelegt werden. Eine solche Verständniserweiterung wird die Entwicklungen beschleunigen, die zu einer tatsächlichen Innovation werden und am Markt bestehen können.


— — — Mikrofluidiksysteme eignen sich für die Herstellung von organischen und anorganischen sowie von mehrschichtigen Nanopartikeln.
Im Trend liegt auch die Umstellung von Batch-Prozessen auf kontinuierliche Prozesse.
Neue Messverfahren in Verbindung mit numerischer Strömungssimulation werden zunehmend wichtiger für eine verbesserte Auslegung und Optimierung von technischen Reaktoren.


— — — Tobias Bauer leitet die Arbeitsgruppe Chemische Reaktionstechnik an der Professur für chemische Verfahrens- und Anlagentechnik (Leiter Rüdiger Lange) an der TU Dresden. Die Forschungsschwerpunkte des promovierten Verfahrenstechnikers sind: neuartige Strömungsreaktoren von Mikro bis Makro für energie- und rohstoffeffiziente Mehrphasenreaktionsprozesse. <a href="mailto:tobias.bauer@tu-dresden.de">tobias.bauer@tu-dresden.de</a>



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<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.ifam-dd.fraunhofer.de/de/Zellulare_metallische_Werkstoffe/Pulvermetallurgisches_Siebdruckverfahren.html" target="_blank">www.ifam-dd.fraunhofer.de/de/Zellulare_metallische_Werkstoffe/Pulvermetallurgisches_Siebdruckverfahren.html</a></ext-link>.
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Artikel

Kontinuierlich produzieren

Aus reaktionstechnischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist eine kontinuierliche Produktion vorteilhaft. Seit Jahrzehnten zeigt sich dies bei der Herstellung von Grundchemikalien. Die bekannten Methoden bilden die Basis für die Entwicklung kontinuierlicher Labor- und Produktionsverfahren fü...

Bei den galvanotechnischen Betrieben handelt es sich mit wenigen Ausnahmen um klein- und mittelständische Betriebe mit einem Gesamtumsatz von etwa sechs Milliarden Euro.1 Eingeschlossen sind hier die Fachfirmen, die Spezialchemikalien für galvanische Verfahren entwickeln und Anlagen zur galvanischen Metallabscheidung planen und bauen sowie Betriebe, die als Dienstleister galvanisch beschichten. Nicht eingerechnet sind Betriebsgalvaniken innerhalb der Fertigung eines Produkts in einem Betrieb. Dazu zählen Verzinnung oder Verzinkung von Stahlblech (Weißblechherstellung, Bandverzinkung) oder auch Drahtveredlungsverfahren. Diesen Umsatz rechnen die Statistiken den jeweiligen Endprodukten zu. Aber auch unter Berücksichtigung dieser Beschichtungen bleibt der Gesamtumsatz mit galvanischen Beschichtungen gemessen am Bruttoinlandsprodukt Deutschlands (2011: 2,6 Billionen Euro) deutlich unter ein Prozent. Mit diesem relativ geringen Umsatz wird aber bereits ein Wertverlust durch Korrosionsschäden in der Größenordnung von jährlich 150 Milliarden Euro vermieden.2
Die galvanische Metallabscheidung umfasst im engeren Sinne zunächst nur die elektrolytische Metallabscheidung. Betriebe der Galvanotechnik behandeln Oberflächen aber auch mit weiteren Verfahren, die von den geforderten Eigenschaften des Endproduktes abhängen. Dazu gehören:
Schichtabtragende Verfahren, wie Beizen, chemisches oder elektrochemisches Polieren.
Schichtauftragende Verfahren, wie die galvanische und chemische Abscheidung von Metallen und Metalllegierungen.
Schichtumwandelnde Verfahren, wie das Anodisieren, Chromatieren, Passivieren oder Phosphatieren.


<h2>Galvanische Metallabscheidung</h2>
Die galvanische Metallabscheidung ist auf den ersten Blick eine klassische Anwendung der Elektrochemie. Um die geforderten Schichteigenschaften zu erreichen, ist aber zusätzlich Wissen aus zahlreichen anderen Disziplinen erforderlich, es handelt sich daher um eine stark interdisziplinär ausgerichtete Aufgabe.
Die Möglichkeit, ein Metall aus wässriger Lösung abzuscheiden, ergibt sich zunächst aus dessen Stellung in der elektrochemischen Spannungsreihe, wobei die Wasserstoffüberspannung zu berücksichtigen ist. Zink — ein in großem Umfang galvanisch abgeschiedenes Metall — hat mit — 0,76 Volt (NHE) ein unedles Potenzial, so dass eine Abscheidung aus wässriger Lösung nicht möglich sein sollte. Die Wasserstoffüberspannung an Zink ist aber ausreichend hoch für die galvanische Abscheidung. Der Anteil der galvanischen Zinkabscheidung am Gesamtumsatz aller galvanisch abgeschiedenen Metalle beträgt etwa 40 Prozent.1 Wirtschaftliche Bedeutung haben die Abscheidung von Zink und Zinklegierungen, Chrom, Nickel, Zinn, Kupfer sowie der Edelmetalle Silber, Gold, Palladium (besonders als Legierung mit Nickel), Platin, Rhodium und Ruthenium. Gesetzliche Vorgaben schränken die Abscheidung von Cadmium und Blei stark ein.
Die Kunden galvanisch beschichteter Bauteile kommen insbesondere aus der Automobilindustrie, aus Maschinenbau, der Baubeschlagsindustrie (z. B. Fensterbeschläge), der Sanitärindustrie sowie aus Elektrotechnik, Elektronik und Telekommunikation. Mit zirka 40 Prozent ist die Automobilindustrie der größte Abnehmer galvanisch beschichteter Bauteile.1
Von Interesse sind auch galvanisch abgeschiedene Aluminiumschichten, die bisher jedoch nur aus aprotischen Elektrolyten auf Basis von organischen Lösungsmitteln oder aus Salzschmelzen abgeschieden werden konnten. Wegen des aufwendigen Verfahrens hat diese Abscheidung trotz der hervorragenden technischen Eigenschaften noch keinen Massenmarkt gefunden.3 Seit einigen Jahren wird auch die elektrolytische Aluminiumabscheidung aus ionischen Flüssigkeiten untersucht.4


<h2>Verfahrensentwicklung</h2>
Die galvanische Abscheidung von Metallen aus zusatzfreien Elektrolyten führt bei den meisten Metallen lediglich zu grobkristallinen, dendritischen Schichten, die so nicht technisch einsetzbar sind. Um die geforderten Schichteigenschaften einzustellen, beispielsweise eine möglichst gleichmäßige Schichtdickenverteilung auf dem Bauteil, Glanz, Duktilität, Härte, Korrosionsbeständigkeit, Lötbarkeit usw., entwickeln die Fachfirmen für Galvanotechnik Additive.
Bei der Legierungsabscheidung müssen die elektrochemischen Potenziale der Legierungspartner durch Komplexbildner angepasst werden, um eine homogene Legierungsabscheidung in einem großen Stromdichtebereich zu ermöglichen. Als Inhibitoren dienen überwiegend organische Verbindungen. Es handelt sich zum einen um oberflächenaktive Verbindungen, zum anderen um niedermolekulare organische Verbindungen als Glanzbildner oder Einebner. Zur Glanzbildung tragen in einigen Fällen auch geringe Mengen von Fremdmetallen bei. Oberflächenaktive Substanzen werden in der Regel im Konzentrationsbereich von 0,1 bis 10 g·L—1 eingesetzt. Typische Glanzbildner wirken oft in deutlich niedrigeren Konzentrationen, oftmals bereits im ppm-Bereich. Um die Prozesssicherheit eines galvanischen Verfahrens sicher zu stellen, müssen daher Analysenverfahren von klassischen Titrationen bis hin zu instrumenteller Analytik vorhanden sein.
Zur Charakterisierung der abgeschiedenen Schichten sind Eigenschaften wie Schichtdicke, Legierungszusammensetzung, Glanz, Härte, Duktilität, tribologische Eigenschaften oder Korrosionsbeständigkeit zu bestimmen. Hierfür dienen bevorzugt physikalische und materialwissenschaftliche Methoden.
Galvanische Verfahren produzieren Abwässer, die Schwermetalle und weitere toxische Bestandteile enthalten. Dementsprechend sind Verfahren zur Abwasserbehandlung erforderlich, damit die gesetzlich festgelegten Grenzwerte eingehalten werden. Schon bei der Elektrolytentwicklung spielen Fragen der Abwasserbehandlung eine Rolle, und es ist erforderlich, mit Verfahrensingenieuren der Abwassertechnik zusammenzuarbeiten.


<h2>Anwendungen galvanisch abgeschiedener Metallschichten</h2>
Die Einsatzgebiete metallischer Schichten sind im wesentlichen: dekorative Veredelung, Korrosionsschutz, Kunststoffgalvanisierung, Galvanoformung, Verschleißschutz sowie Elektrotechnik und Elektronik.
Den häufigsten und augenscheinlichsten Kontakt mit galvanisch veredelten Bauteilen hat der Verbraucher mit dekorativ vernickelten und verchromten Sanitärarmaturen wie Wasserhähnen und Duschköpfen. Grundmaterial ist hier Messing oder Kunststoff. Hochkonjunktur hatte die dekorative Nickel-Chromabscheidung bei Autostoßstangen aus Stahl. Diese spielen heute zwar keine Rolle mehr, es werden aber weiterhin viele vernickelte und verchromte Bauteile im Automobilbau verwendet, hauptsächlich in Form von metallisierten Kunststoffen.
Die Verchromung erfolgt größtenteils noch in Chromelektrolyten auf Basis von Chromsäure. Dieser toxische Stoff wird in Zukunft stärkeren Beschränkungen unterliegen. Als Alternativen werden Elektrolyte auf Basis der nicht toxischen dreiwertigen Chromverbindungen entwickelt.
Der hohe Glanzgrad der veredelten Teile entsteht dadurch, dass die Abscheidung hocheingeebneter Überzüge (Glanznickel oder eine Kombination von Glanzkupfer und Glanznickel) die Rauigkeiten des Grundmaterials ausgleicht. Neben diesem rein dekorativen Aspekt sollen Nickel-Chromschichten das Grundmaterial auch vor Korrosion schützen.
Bei Stahl als Grundmaterial kann Nickel wegen seines edleren Potenzials nur dann einen Korrosionsschutz liefern, wenn die Schicht absolut porenfrei ist. An Poren findet selektiv eine Grundmetallkorrosion mit Lochfraß statt.
Das Korrosionsverhalten von Nickelschichten lässt sich durch die Auswahl von Additiven für die Nickelelektrolyte steuern. Die Verwendung schwefelhaltiger organischer Verbindungen führt dazu, dass Schwefel in die Nickelschicht eingebaut wird. Das Korrosionspotenzial dieser Schicht liegt dadurch gegenüber einer schwefelfrei abgeschiedenen Schicht um bis zu 150 mV niedriger. In der Praxis nutzt man diesen Effekt bei der Abscheidung von Doppelnickel aus. Dafür wird auf dem Grundmaterial zunächst eine schwefelfreie Nickelschicht mit edlerem Potenzial abgeschieden. Anschließend erfolgt die Abscheidung einer schwefelhaltigen Nickelschicht mit negativerem Potenzial. In der Anwendung beschränkt sich der Korrosionsangriff dann zunächst auf die unedlere, schwefelhaltige Nickelschicht. Die darunter liegende, schwefelfreie Nickelschicht (und das Grundmaterial) bleiben geschützt.
Auch bei der dekorativen Veredelung mit Silber oder Gold beginnt der Schichtaufbau mit einer einebnenden Glanznickelschicht, als dekorative Oberfläche folgt dann eine Silber- oder Goldschicht.


<h2>Korrosionsschutz</h2>
Als Korrosionsschutzschichten für Stahl dienen bevorzugt Zink- und Zinklegierungsschichten. Die wichtigsten Anwendungen liegen im Automobilbereich. Eingesetzt werden elektrolytisch verzinkte Stahlbleche für den Karosseriebau sowie als Stückgut veredelte Bauteile wie Verbindungselemente oder Rohrleitungen. Traditionell wurden hier Zinkoberflächen eingesetzt, die jedoch voluminöse Zinkkorrosionsprodukte bilden. Gestiegene Anforderungen an den Korrosionsschutz führten zu neu entwickelten Zinklegierungsschichten. Besonders bewährt haben sich dabei Zinknickelschichten mit einem Nickelanteil von 12 bis 16 Gewichtsprozent. Diese Legierungsschichten steigern den Korrosionsschutz gegenüber Reinzinkschichten gleicher Schichtdicke extrem. Die Schichten lassen sich als matte Überzüge ohne dekorativen Charakter abscheiden. Für viele Anwendungen sind aber neben den Korrosionsschutzeigenschaften auch dekorative Oberflächen gefordert. Dafür werden Glanzzinkschichten mit hochwertiger, silberhell glänzender Optik abgeschieden.
Zink- und Zinklegierungsschichten wirken als anodische Korrosionsschutzschichten. Bei einem Korrosionsangriff korrodiert die Zink- oder Zinklegierungsschicht. Bedingt durch den Potenzialunterschied zu Stahl haben die Schichten auch eine gewisse Fernschutzwirkung. Bei Poren oder mechanischen Verletzungen der Schicht kann diese Fernschutzwirkung eine Korrosion des Grundmaterials verzögern. Dieser anodische Korrosionsschutz bedingt, dass sich die Zink- oder Zinklegierungsschicht als Opferanode auflöst. Zur Steigerung des Korrosionsschutzes wird auf der Zink- oder Zinklegierungsschicht eine Konversionsschicht abgeschieden, die den Beginn der Korrosion der Zink- oder Zinklegierungsschicht verzögert. Solche Konversionsschichten entstehen durch Nachbehandlung der verzinkten Bauteile in chromsäurehaltigen Lösungen. Diese Schichten enthalten jedoch geringe Mengen wasserlöslicher Chromatverbindungen. Gesetzliche Vorgaben wie die Altautoverordnung oder die Elektroschrottverordnung schränkten den Einsatz solcher Verfahren stark ein. Die Fachfirmen entwickelten deshalb neue Verfahren auf der Basis dreiwertiger Chromverbindungen, die Konversionsschichten mit ähnlich guter Korrosionsbeständigkeit wie die konventionellen Chromatierungsschichten abscheiden.
Bei den Nachbehandlungsverfahren kommen auch Verfahren zum Einsatz, die farbige Konversionsschichten erzeugen. Die Farbpalette reicht hier von einem nahezu transparenten Edelstahl-Look über gelb-grün-rot irisierend bis zu tiefschwarz.


<h2>Kunststoffgalvanisierung</h2>
Die Anwendung galvanisierter Kunststoffe steigt stark, Hauptabnehmer sind die Automobil- und die Sanitärindustrie. Moderne Spritzverfahren stellen Spritzgussteile kostengünstig und in hoher Qualität her. Die galvanische Metallisierung erzeugt eine metallische Optik und Haptik, die ein hohes Wertgefühl der Teile vermittelt. Im Automobilbau helfen metallisierte Kunststoffe, Gewicht zu sparen.
Problematisch bei der Kunststoffmetallisierung ist die Schichthaftfestigkeit. Dazu müssen Vorbehandlungsverfahren entwickelt werden, die auf das jeweilige Polymer abgestimmt sind. Nach Bekeimung mit Edelmetallen, meistens Palladium, wird eine Leitschicht durch außenstromlose Nickel- oder Kupferabscheidung aufgebracht, anschließend folgt wie bei metallischen Substraten das Metall. Die Kombination verschiedener Verfahrensschritte aus der Kunststofftechnik und der Galvanotechnik führt zu neuen Designelementen, beispielsweise hinterleuchteten Bedienelementen im Innenbereich der Automobile (Abbildung 1, S. 636).


<h2>Galvanoformung</h2>
Mit Galvanoformung entstehen galvanische Erzeugnisse durch Abscheidung dicker Schichten auf einer Negativform. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts stellte die Galvanoplastische Kunstanstalt des Haushaltswarenunternehmens WMF in Geislingen an der Steige Großplastiken her. Ein spektakuläres Beispiel ist eine originalgetreue Kopie der 4 mal 6 Meter großen Paradiestür des Baptisteriums in Florenz von Lorenzo Ghiberti (Abbildung 2, S. 638). Die heutigen Anwendungen der Galvanoformung sind zwar weniger spektakulär, aber dennoch in vielen Anwendungen präsent. So werden beispielsweise Scherfolien für Rasierapparate durch Galvanoformung hergestellt.
Durch Galvanoformung lassen sich Mikrostrukturen mit hoher Genauigkeit abbilden. Im Automobilbau werden so Komponenten mit lederartig genarbter Oberfläche in Spritzgussprozessen hergestellt, deren Formen durch Galvanoformung von echten Lederoberflächen abgenommen wurden (Abbildung 3, S. 638). Die Galvanoformung von Mastern ergibt hochpräzise Werkzeuge, womit sich preiswert Bauteile in hoher Stückzahl, beispielsweise für die Mikrosystemtechnik, herstellen lassen.


<h2>Verschleißschutz, Tribologie</h2>
Galvanisch oder außenstromlos abgeschiedene Schichten verbessern auch die tribologischen Eigenschaften von Oberflächen und verlängern so die Lebensdauer von Produkten. Die Reibung zwischen beweglichen Bauteilen zu vermindern, verringert den Energieverbrauch und schont Ressourcen durch die verlängerte Lebensdauer der Komponenten. Galvanisch abgeschiedene Chromschichten werden beispielsweise als Oberflächen für Hydraulikzylinder oder Druckwalzen verwendet.
Auch in die galvanisch abgeschiedenen Schichten eingelagerte Feststoffpartikel verbessern die tribologischen Eigenschaften. Diese Möglichkeit wird besonders bei der elektrolytischen oder außenstromlosen Nickelabscheidung praktiziert. Um die Reibung zu vermindern, werden Trockenschmierstoffe wie Polytetrafluorethen (PTFE), Graphit, hexagonales Bornitrid oder Molybdändisulfid eingesetzt. Die Mitabscheidung von Hartstoffpartikeln wie Diamant, Carbiden, Nitriden und Oxiden von Chrom, Silicium oder Aluminium verbessert die Härte und Abriebbeständigkeit.


<h2>Elektrotechnik und Elektronik</h2>
Für elektronische Baugruppen dient das Weichlöten als Verbindungstechnik. Voraussetzung dafür ist eine gute Weichlötbarkeit der zu verbindenden Bauteile. Kupfer als wesentlicher Werkstoff für elektronische Baugruppen oxidiert sehr leicht und ist in dieser Form nur noch mit aggressiven Flussmitteln zu löten. Da diese wegen ihres korrosiven Charakters nicht einsetzbar sind, müssen die Komponenten mit einem Überzug versehen werden, der sie auch nach einer Lagerzeit von mehreren Jahren weichlötbar macht. Früher wurden die Bauteile daher mit einem elektrolytisch abgeschiedenen Zinnbleiüberzug beschichtet. Der Gesetzgeber hat die Verwendung von Blei in Form von Bleizinnlot oder galvanischen Zinnbleiüberzügen stark eingeschränkt; heute werden deshalb hauptsächlich Reinzinnbeschichtungen eingesetzt.
Die Kupferabscheidung aus schwefelsauren Elektrolyten ist ein wesentlicher Prozessschritt bei der Produktion von Leiterplatten. Elektrolyte der neuesten Generation scheiden Kupfer dabei bevorzugt in sehr kleinen Sacklochbohrungen (Blind Microvias) ab. Vollständig mit Kupfer gefüllte Blind Microvias (Abbildung 4) steigern die Integrationsdichte und ermöglichen somit eine weitere Miniaturisierung der Leiterplatte. So sind in der Mobilelektronik immer kleinere, leichtere und trotzdem leistungsfähigere Geräte wie Smartphones möglich.


<h2>QUERGELESEN</h2>
Es gibt sehr viele Anwendungsbeispiele galvanotechnisch erzeugter Oberflächen. Hauptabnehmer ist die Automobilindustrie, weitere Kunden sind Maschinenbau, die Baubeschlags- sowie die Sanitärindustrie und Unternehmen aus Elektrotechnik, Elektronik und Telekommunikation.
Die galvanotechnischen Fachfirmen investieren Mittel in der Größenordnung von 10 bis 15 Prozent ihres Umsatzes in Forschung und Entwicklung. Dadurch gelingt es der Galvanotechnik, durch neue Verfahren zum technischen Fortschritt beizutragen und diese Verfahren für Mensch und Umwelt sicherer zu machen.


— — — Manfred Jordan, Jahrgang 1949, studierte Chemie an der Universität Mainz. Der promovierte Chemiker ist seit dem Jahr 1980 Mitarbeiter der Fachfirma für Galvanotechnik Dr.-Ing. Max Schlötter in Geislingen an der Steige, seit 2005 leitet er die Abteilung Forschung und Entwicklung. <a href="mailto:jordan@schloetter.de">jordan@schloetter.de</a> Michael Dietterle, Jahrgang 1966, studierte Chemie an der Universität Ulm. Der promovierte Chemiker ist seit dem Jahr 1997 Mitarbeiter der Forschung und Entwicklung bei Schlötter, seit 2005 als stellvertretender Forschungsleiter.



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1 

IKB Branchenreport Oberflächentechnik 2005.
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2 

Umweltbundesamt: “Galvanische Oberflächenbeschichtung”, Internet, Stand 2.3.2011 (<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.umweltbundesamt.de/nachhaltige-produktion-anlagensicherheit/nachhaltige-produktion/galvanik.htm" target="_blank">www.umweltbundesamt.de/nachhaltige-produktion-anlagensicherheit/nachhaltige-produktion/galvanik.htm</a></ext-link>.
</li>
<li>
3 

<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.aluminal.de/home.html" target="_blank">www.aluminal.de/home.html</a></ext-link>.
</li>
<li>
4 

Karl S. Ryder, “Aluminium Electroplating in Ionic Liquids”, IONMET DGO, München, März 2009.
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