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18. Herbsttagung des Institut für Werkstoffe und Oberflächen e. V. am 17. November 2017 in Aalen

Das Institut für Werkstoffe und Oberflächen e. V. (IWO), Aalen, besteht seit 1994 und wurde vom mittlerweile verstorbenen Professor Dr. Sigurd Lohmeyer gegründet. Das Institut ist ein Förderverein für den Studiengang Werkstoffkunde und Oberflächentechnik, dessen Ziele sich auf die Verbreitung von Fachwissen durch wissenschaftliche Tagungen, insbesondere aber die Kontaktbildung zwischen Studenten und Fachleuten in der Praxis richten. Mit den Tagungen des IWO wird den Studenten der Hochschule Aalen ein Einblick in die weitreichende Praxis des Studiengangs geboten und beispielsweise auch die Wichtigkeit von guter Darstellung und Weitervermittlung der geleisteten Arbeiten aufgezeigt. Der derzeitige Vorstand des IWO, Ulrich Bingel, konnte mit der 18. Tagung ein großes Publikum unter den Studenten der Hochschule begrüßen, nicht zuletzt dank der Vorstellung von interessanten Arbeitsgebieten.

Additive Fertigung

Tim Schubert vom Institut für Materialforschung der Hochschule Aalen befasst sich mit der additiven Fertigung aus dem Blickwinkel der Materialforschung. Dazu stellte er zunächst die Möglichkeiten der additiven Fertigung im Hinblick auf die Optimierungsmöglichkeiten von Bauteilen vor, die ­unter anderem helfen, die Material­effizienz zu steigern. Sehr vorteilhaft ist das ­Verfahren beispielsweise bei der Herstellung von Werkzeugen mit Kühlkanälen oder zur Material­einsparung bei Maschinenteilen, die einer hohen Beschleunigung unterliegen.

Weitreichende Anforderungen werden bei der Herstellung von Hartmetallwerkzeugen gestellt, da mit einem Mischwerkstoff gearbeitet wird, der sich zudem bei Laserbestrahlung - wie sie für die meisten Additivverfahren zur Verfestigung des Ausgangspulvers erforderlich ist – unvorhersehbar verhält. An der Hochschule werden vor allem Laserschmelzverfahren eingesetzt. Daneben stehen Anlagen zur Herstellung von Pulvern zur Verfügung. Vorgesehen ist die Anschaffung einer kleineren Anlage zur Herstellung von kleinen Musterteilen.

Neben dem Lasersintern wird mit einem litho­graphiebasierten Fertigungsverfahren gearbeitet, mit dem beispielsweise Kunststoffmuster hergestellt werden. An der Hochschule sind verschiedene Forschungsgruppen auf diesem Gebiet tätig, mit denen intensive Kooperationen betrieben werden. Für die Weiterentwicklung der Technologien werden unter anderem Untersuchungen unter Anwendung der materialtechnischen Verfahren wie Schliff- oder Festigkeitsuntersuchungen durchgeführt. Daraus lässt sich beispielweise erkennen, ob die eingebrachte Energie in einem günstigen Bereich liegt, das heißt, ob kristallographische Phasen vorliegen, die sich positiv oder negativ auf die mechanischen Eigenschaften auswirken. Mittels Röntgenmikroskop ist es möglich, das ­Innere eines Teils, auch innerhalb des Werkstoffs, zu untersuchen. Für sehr hohe Auflösungen kann zudem mit einem REM mit FIB gearbeitet werden.

CFK-Werkstoffe – ­Bearbeitung und Fügen

Andreas Häger, ebenfalls aus dem Institut für Materialforschung Aalen, richtete den Blick auf die Zerspanung und das Fügen von CFK-Teilen. Insbesondere im Bereich Luftfahrt werden CFK-Teile in breiterem Umfang eingesetzt. In der Regel sind diese Teile konturnah gefertigt. Trotzdem müssen von Fall zu Fall zusätzliche mechanische Bearbeitungen durchgeführt werden, die stets sehr kritisch gesehen werden. Es entstehen in ungünstigen Fällen zum Beispiel Delaminationen oder Ausbrüche von Fasern. Hierzu wurden Untersuchungen mit unterschiedlichen Werkzeuggeometrien durchgeführt und neben der Schädigung des CFKs auch die Standzeit der Werkzeuge als wichtige Kenngröße betrachtet. Hierbei wurde die Verrundung der Werkzeugschneiden ermittelt, die eine direkte Rückwirkung auf die Vorschubgeschwindigkeit besitzen und somit wichtige Anhaltspunkte für die Fertigung liefern.

Ein weiterer Faktor für die erzielbare Qualität der Zerspanung geht von der Porosität des CFKs aus, die beispielsweise durch das Laminierverfahren bestimmt wird. Die Qualität einer Bohrung erfordert in der Regel eine Prüfung der mechanischen Belastbarkeit, die sich unter anderem durch Biegeversuche ermitteln lässt. Diese verändern sich durch auftretende Delaminationen oder Ausbrüche. Schwingversuche informieren schließlich über die Dauerbelastbarkeit, die wiederum oftmals durch vorhandene Bohrungen stark verändert werden.

Fügen ist erforderlich, um aus den Einzel­teilen ein Gesamtprodukt herzustellen. Dazu werden umfangreiche Untersuchungen an Fahrzeugkarossen durchgeführt. Hierbei ist es wichtig, die Deckschichten der CFK-Teile zu entfernen oder zu bearbeiten, um die erforderliche gute Anbindung des Klebstoffs an das CFK zu erhalten. Zum Einsatz kommen für die Oberflächenbearbeitung Laser. Bei IR-Lasern besteht die Gefahr einer Wechselwirkung mit den Fasern; bei UV-Lasern findet eine langsamere Abtragung der Matrix statt, ohne die Fasern zu schädigen. Durch die Optmierung der Laseranwendung war es möglich, die Festigkeit gegenüber einer Referenz zu verdoppeln.

Langzeitstabile ­Verkapselung von Implantaten

Einen Einblick in die medizintechnische Werkstoff- und Oberflächentechnik gab Michael Bangard mit einem Vortrag über die Verkapselung von Implantaten. Als erstes Beispiel nannte er ein Retinaimplantat, das gegen den Angriff der Körperflüssigkeit, beispielsweise unter Einwirkung von Chloriden, beständig sein muss. Verkapselungen müssen einen Angriff des Grundmaterials verhindern, zugleich aber auch biokompatibel sein. Dafür kommen beispielsweise Kunststoffe in Betracht.

Metallfilme sind nur dann geeignet, wenn sie die notwendige Flexibilität aufweisen. Entsprechende Möglichkeiten zur Herstellung von solchen Filmen bietet das ALD-Verfahren, das sich durch eine extrem gute Streuung der Schicht auszeichnet. Die Verwendung von Aluminium als Schichtwerkstoff erlaubt zudem die Möglichkeit, sehr beständige Oxidschichten herzustellen. Darüber hinaus ist Titan als Werkstoff sehr günstig. Während Einzelschichten relativ schnell unter den Einsatzbedingungen aufgelöst werden, zeigen Multilagen aus Aluminium- und Titanoxid eine hohe Schutzwirkung durch sehr geringe Auflösungsgeschwindigkeiten. Neben der Korrosionsbeständigkeit sind eine gute elektrische Isolation (Durchschlagsfestigkeit) sowie ein gute Haftung der Schutzschichten gefordert. Mit den daraus ermittelten Systemen wurden Implantate beschichtet und mit realen Medien geprüft. Hier zeigen die beschichteten Implantate eine deutlich verbesserte Beständigkeit.

Galvanisch ­abgeschiedene Zinn-Zink-Legierungen

Eine interessante Metallschicht ist die von Patrick Rio vorgestellte Legierung aus Zinn und Zink, die allerdings aufgrund der deutlich unterschiedlichen Standardpotenziale eine große Herausforderung an die Chemie der Elektrolyte stellt. Gebräuchlich sind Legierungen aus 70 % Zinn und 30 % Zink. Die Elek­trolyte werden bei einem pH-Wert zwischen 6,0 und 7,0 betrieben, wodurch die Belastung für die Anlagen gering ist. Die hergestellten Schichten sind mit 13 HV bis 15 HV sehr weich und liegen damit im Bereich der Werte von Kadmium. Vorteilhaft ist Zinn-Zink damit bei Reibbelastungen. Die Reibzahlen liegen ohne Schmiermittel bei 0,1 und mit Schmiermittel geringfügig höher. Der elektrische Widerstand der Beschichtung bleibt auch nach einer Korrosionsbelastung nahezu unverändert. Gute Ergebnisse werden unter Korrosionsbelastung erzielt, soweit eine Passivierung zum Einsatz kommt.

Angewandt werden die Schichten vor allem für Teile zur Masseanbindungen in Fahrzeugen, darüber hinaus auf Werkstoffen zur Umformung. Die Schicht lässt sich sowohl für die Gestell- als auch die Trommelabscheidung einsetzen. Im Bereich zwischen etwa 2 A/dm2 und 4 A/dm2 werden nur geringe Abweichungen der Zusammensetzung festgestellt, für niedrigere Stromdichten steigt dagegen der Zinnanteil. Etwas deutlicher sind der Einfluss der Temperatur und des pH-Werts auf die Zusammensetzung der ­abgeschiedenen Legierungen; beide Parameter werden als Stellschrauben zur Einstellung des Zinngehalts genutzt. Ein weiterer Einflusswert ist der Anteil an Glanzzusatz. Die Abscheidegeschwindigkeit verändert sich mit der Stromdichte deutlich von etwa 0,2 µm/min bei 0,5 A/dm2 auf bis zu 1 µm/min bei etwa 4 A/dm2. Der Elektrolyt enthält Komplexbildner zur Stabilisierung der aktiven Metallkonzentrationen, die eine sorgfältige Abwasserbehandlung zur Zerstörung des Komplexes erfordern, aber als durchaus beherrschbar gilt.

Derzeit werden der Legierung große Chancen eingeräumt, Kadmium in der Luft- und Raumfahrt abzulösen. Hier tragen die elektrischen Kontakteigenschaften sowie die gute Lötbarkeit deutlich dazu bei, während die begrenzte Maximaltemperatur von etwa 200 °C ein Nachteil ist.

Mikro- und ­nanostrukturierte Abformwerkzeug

Dr. Markus Guttmann befasst sich mit der Fertigung von mikro- und nanostrukturiertem Abformwerkzeug durch Kombination von Lithographie und Galvanoformung. Diese Arbeiten werden am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) in Karlsruhe durchgeführt und haben beispielsweise die Polymerrepli­kation unter Einsatz von Galvanoformung zum Ziel. Als wichtigste Technologie ist die LIGA-Technik seit etwa 25 Jahren im Einsatz. Hiermit werden beispielsweise Uhrenteile oder Röntgenoptiken hergestellt. Für die Replikation werden durch galvanische Verfahren Formeinsätze oder Masken erzeugt, für die in erster Linie Nickelelektrolyte sowie die Kupfer- und Goldabscheidung verwendet werden.

Ein Anwendungsbeispiel für die Nickelabscheidung ist die Erzeugung von Shim-Formen. Hierzu wird mittels Lithographie eine Resiststruktur auf einem Substrat (z. B. Silizium, Glas, Kunststoff) erzeugt und in diese Nickel abgeschieden. Die Dicken der abgeschiedenen Schichten liegen zwischen 300 µm und 2000 µm. Je nach Anwendungsfall wird das Resist entfernt oder kann verbleiben. Die Schichten aus den eingesetzten Sulfamatelektrolyten in Verbindung mit niedrigen Stromdichten besitzen geringste Eigenspannungen und eine hohe Schichthomogenität.

Ein zweites Beispiel ist die Herstellung eines Werkzeugs zur Strukturierung von Kunststoffstrukturen durch Prägen. Hierfür werden großflächigere Abformwerkzeuge gefertigt.

In einem weiteren Beispiel stellte Dr. Guttmann eine Weiterentwicklung des LIGA-Verfahrens zur serienreifen Herstellung von freifallenden Mikrobauteilen durch Mikrospritzgießen vor. Derartige Teile besitzen Abmessungen im Bereich von unter 1 Millimeter. Kombinieren lassen sich die Mikrostrukturen mit Klebetechniken: hierzu werden Muster auf ein leitendes Substrat geklebt und um die Struktur herum Metall bis zur vollständigen Überdeckung abgeschieden. Abschließend wird durch Zerspanen das Werkzeug bearbeitet und die Formstruktur freigelegt.

Im letzten gezeigten Beispiel wird die Strukturierung zur Herstellung von Oberflächenstrukturen aus der Natur verwendet (z. B. Haifischhaut oder die Oberfläche eines Geckofußes). Auf diese Art lassen sich superhydrophobe selbstreinigende Oberflächen, zum Beispiel für Brillengläser, erzeugen.

Die Strukturierung kann auch auf gekrümmten Oberflächen in vergleichbarer ­Präzision vorgenommen werden. Angewendet wird die Technologie zum Beispiel bei einem Werkzeug zur Herstellung von Außenspiegeln oder bei Abdeckungen von Rücklichtern mit selbstreinigender Oberfläche.

Leiterplatten

Einen der innovativsten deutschen Hersteller von Leiterplatten ist die Schweizer Electronic, die Christian Rössle einführend mit einem Imagefilm vorstellte. Im Weiteren ging er auf die Herstellung von Leiterplatten und die darauf befindlichen elektrischen Schaltungsteile ein. Ein wichtiges Kriterium für Leiterplatten ist der Preis. Um diesen geringzuhalten müssen die eigentlichen Treiber für die Kosten bekannt sein. Hierzu zählen die Anzahl der Lagen der Leiterplatten, die Zahl der Bohrungen, die Art der gebohrten Löcher oder die Art der Schichten, aber auch die Größe der in der Fertigung zu verarbeitenden Leiterplattennutzen. Je weiter die Anforderungen hier von den als Standard geltenden Bedingungen abweichen, um so höher fallen die Herstellkosten für das Produkt aus.

Das Markvolumen liegt derzeit bei etwa 60 Milliarden $ für Computer, Telekommunikation und Consumerprodukte. Weltweit größter Standort ist China, wobei die Unternehmen in Taiwan ansässig sind und in China fertigen lassen. Bei der Herstellung wird darauf geachtet, eine Produktion auf den Absatzmarkt auszurichten, also beispielsweise für Automobilleiterplatten.

Ein wichtiges Zukunftsfeld ist die Herstellung von embedded Leiterplatten. Diese werden benötigt, um die stark wachsenden Ansprüche an Sensoren für Fahrzeuge zu bedienen. So werden bereits heute zahlreiche Leiterplatten für Kameras und Ultraschallsensoren hergestellt, vor allem ein steigender Anteil an flexiblen oder semiflexiblen Leiterplatten. Leiterplatten für Hochfrequenzeinsatz müssen zudem eine gutes Wärmemanagement aufweisen.

Eine weitere Herausforderungen ergibt sich durch die Hochstrom- und die Hochvolttechnik (48 V und höher), wie sie unter anderem für Hybridfahrzeuge in breiterem Umfang zum Einsatz kommen. Die geforderten hohen Ströme erfordern neue Leiterplattenmaterialien und Aufbauten. Für hohe Ströme müssen die Leiterquerschnitte steigen, für Hochspannungsanforderungen die Leiterabstände oder -isolierungen erhöht werden. Dabei muss beispielsweise das verwendete Kupfer sowohl die Leitfähigkeit des Stroms als auch die Abführung der entstehende Wärme gewährleisten. Heute werden bereits Leiterplatten mit Kupferdicken von bis zu 400 µm angeboten. Durch die Embedded-Technik ändern sich auch die Wertschöpfungen für den Leiterplattenhersteller, da von ihm weitaus mehr unterschiedliche Komponenten verarbeitet werden, als dies bei der klassischen Leiterplattenherstellung der Fall ist.

Dafür müssen auch die Logikchips anders aufgebaut werden. Eine dafür einsetzbare Verfahrenstechnik wurde von Schweizer Electronic zusammen mit Infineon entwickelt; die Herstellung der Leiterplatten übernimmt die Schweizer Electronic. Neben der Verbesserung der Leistungsfähigkeit lässt sich mit den Embedded-Leiterplatten die Zuverlässigkeit drastisch erhöhen.

Ein weiterer Bereich für neue Leiterplatten ist die Bedienung der LED-Scheinwerfer, wobei die Leiterplatten für die Steuerung direkt im Scheinwerfer untergebracht werden. Dazu muss beispielsweise das Substratmaterial Keramik durch Kupfer ersetzt werden.

Qualitätsmanagement in der Oberflächentechnik

Abschließend stellte Jürgen Muth die Erfahrungen eines Auditors bei der Zertifizierung mittelständischer Betriebe der Oberflächentechnik nach DIN EN ISO 9001 vor. Die Normen selbst werden von einem Normenausschuss in der Regel in einem Abstand von fünf Jahren auf ihre Aktualisierung hin geprüft und damit auch kontinuierlich auf die Bedürfnisse des Marktes ausgerichtet. Ursprünglich waren die Vorgaben als Qualitätsnormen herausgegeben und später in ein Managementsystem umgewandelt worden, wobei davon ausgegangen wurde, dass sich Managementsystemnormen an einem Grundgerüst, beispielsweise auf Basis von Qualitätszielen, orientieren. Die Ziele solcher Managementsysteme müssen unter anderem mit den Zielen der Politik im Einklang stehen oder beispielsweise messbare Vorteile bringen.

Wichtige Punkte eines Managementsystems sind das Umfeld des Unternehmens, die Planung des Qualitätssystems, die Unterstützung der Zusammenarbeit mit den Kunden oder auch die Einbindung der Mitarbeiter. Im Model der ISO 9001 ist die Führung des Unternehmens eine zentrale Aufgabe. Unterstützt werden die Arbeiten durch Planung, Bewertung der Leistung oder Unterstützung aus dem Betrieb. Als Ziel sind die Kundenzufriedenheit und die Herstellung von guten Produkten zu sehen.

Änderungen in den letzten Jahren ­richten sich beispielsweise auf den Begriff des Qualitätsmanagementhandbuchs, der aus der ISO 9001 entfernt wurde, wobei sich die Nutzung des Begriffs immer noch empfiehlt, eventuell unter einer anderen Bezeichnung. Zudem gibt es keinen Beauftragten der obersten Leitung mehr. Neu aufgenommen wurde Wissen als Ressource. Die ­oberste Leitung hat jetzt die Pflicht, Rechenschaft für die Wirksamkeit des QM abzulegen, prozess­orientierte Ansätze sowie risikobasiertes Denken zu fördern und sicherzustellen, dass die Qualitätspolitik und die Qualitätsziele für das QMS festgelegt werden. Wichtige Punkte sind hierbei Risiken und Chancen der Unternehmensentwicklung. Interessierte Parteien müssen sich über die Qualitätspolitik informieren dürfen, was beispielsweise auf der Homepage des Unternehmens veröffentlicht wird. Zur Erreichung der Qualitätsziele ist das Unternehmen aufgefordert, Planungen zum Erreichen der Qualitätsziele durchzuführen. Neu hinzugekommen ist die Forderung nach einer Kommunikation nach der Erbringung der Leistung. Die geforderte Bewertung bezieht sich beispielsweise wiederum auf die Behandlung von Risiken und Chancen. Die ISO 9001:2015 muss mit einer Übergangsfrist bis 14. September 2018 erfüllt werden.

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