Anodisieren von Aluminium

Seminar des galvanicus – Förderverein für die Fachschulen der Galvano- und Leiterplattentechnik
Schwäbisch Gmünd e. V. – gibt umfassenden Einblick in die Prozesskette für die Verarbeitung von Aluminium – Teil 2

Die durch Anodisieren hergestellte Oxidschicht auf Aluminium besitzt Poren, die in einem nachfolgenden Prozessschritt geschlossen werden und damit die Widerstandsfähigkeit der Oxidschicht erhöhen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, Stoffe in die Poren einzulagern und somit der Aluminiumoberfläche eine Farbe zu verleihen. Zudem eignet sich die Porenstruktur als Haftgrund für aufgebrachte Lackierungen. Um eine hochqualitative Oxidschicht herstellen zu können, dürfen bestimmte Bestandteile des Aluminiumgrundmaterials gewisse Grenzwerte nicht übersteigen. Die Arbeitsparameter für das Anodisieren müssen auf die Zusammensetzung des Grundwerkstoffs und die gewünschten Eigenschaften des Oxids abgestimmt werden.

Fortsetzung aus WOMag 9/2018

Verdichten von Oxidschichten

Je nach Art des verwendeten Elektrolyt­systems besitzen elektrolytisch ­hergestellte Schichten keine oder eine unterschiedlich stark ausgeprägte Porenstruktur. Die porösen Schichten müssen mit einem abschließenden Arbeitsprozess, dem sogenannten Verdichten, geschlossen werden. Dr. Benjamin Papendorf gab einen Einblick in die Grundlagen zur Porenbildung und die Verdichtungsverfahren.

Für das Anodisieren müssen elektrisch gut leitende Elektrolyte eingesetzt werden, um den Prozess der anodischen Oxidation auf der gesamten (Mikro- und ­Makrogeometrie!) Aluminiumoberfläche in ausreichendem Maß aufrechterhalten zu können. Beste Leitfähig­keiten besitzen Säuren, so dass zum Beispiel Lösungen mit Schwefel- oder Phosphorsäure beste Eignungen aufweisen. Allerdings führen starke Säurelösungen (also solche mit niedrigem pH-Wert und guter Löslichkeit für Aluminium) während des Anodisierens auch sofort wieder zu einer Auflösung der gebil­deten Aluminiumoxidschicht. Aus diesem Grund sind Aluminiumoxidschichten aus Zitronen- oder Borsäure porenfrei und solche aus Phosphor- oder Schwefelsäure porös. Zudem ist zu berücksichtigen, dass die porenfreien Schichten dünn sind (wenige Mikrometer) und die porösen Dicken bis in den Bereich von 100 µm erreichen können.

Schematische Darstellung der Entstehung einer porösen Oxidschicht beim Aluminiumanodisieren mit fortschreitender Prozessdauer (I = Beginn; V = Ende des Prozesses) (Bild: B. Papendorf)

 

Dabei bestehen poröse Schichten aus zwei Bereichen:

• poröse Oxidschicht mit einer Dicke von wenigen Mikrometern bis zu etwa 100 µm
• dichte Sperrschicht mit einer Dicke im Mikrometerbereich an der Basis des porösen Teils der Schicht

Der Durchmesser der Poren und deren Dichte variieren mit der Art des eingesetzten Elek­trolyten sowie mit Prozessgrößen wie Stromdichte oder Elektrolyttemperatur. Im Verlaufe der Anodisation stellt sich ein Gleichgewicht aus Schichtaufbau und Schichtauflösung ein, weshalb nur das Schichtdickenwachstum begrenzt ist - auch dies hängt vom verwendeten Elektrolyten, den Arbeitsparametern und der Zusammensetzung des zu bearbeitenden Aluminiumwerkstoffs ab.

Durch die Einwirkung von Wasser bildet sich in den Poren Aluminium über mehrere Schritte, ausgehend von einer ersten Gelbildung über Pseudo-Böhmit bis zur Kristallisation von Böhmit. Im Endergebnis liegt eine geschlossene Aluminiumoxidschicht vor, die ­geringe Anteile von Wasser beziehungsweise von Hydroxid enthält. Die Geschwindigkeit der Oxidschichtbildung hängt stark von der Prozesstemperatur ab. Üblicherweise wird das Verdichten bei Wassertemperaturen von annähernd 100 °C über einen Zeitraum von etwa 1 Stunde durchgeführt. Das verwendete Wasser sollte möglichst rein sein; ­Zusätze von Sulfat, Chlorid, Silkikat, Phosphat und Fluorid können die Verdichtung stark behindern. Um die Störung des Verdichtungsprozesses (auch als Sealing bezeichnet) zu umgehen, kann auch mit Sattdampf (Wasserdampf im Temperaturbereich zwischen 100 °C und etwa 200 °C) genutzt werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass nur Wasser als Wirksubstanz vorliegt, allerdings mit dem Nachteil eines hohen Energiebedarfs.

Alternativ dazu kommen auch wässrige Lösungen zum Beispiel mit Nickelsalzen zum Einsatz. Zudem bietet die poröse Oxidschicht natürlich auch einen guten Haftgrund für ­Lackierungen. Diese können in die Poren eindringen und diese verschließen, zugleich aber auch eine gute mechanische Verankerung zwischen Lack und Aluminiumoxid bewirken. Deutlich weniger Energie erfordert ein Kalt­imprägnieren mit einer Nickelfluoridlösung (etwa 5 % Isopentylalkohol + 0,5 % Nickel­fluorid) bei einer Arbeitstemperatur von 30 °C. Üblich ist eine Heißwasserbehandlung als zusätzlicher Alterungsschritt.

Die Qualität einer Verdichtung wird häufig im Salzsprühtest gemäß DIN EN ISO 9227 oder dem Kesternichtest gemäß der DIN 50018 oder der DIN EN ISO 6988 durchgeführt. Weitere Prüf- und Qualifizierungsverfahren sind die Messung des Scheinleitwerts nach DIN EN ISO 2931 sowie der Farbtropfentest nach DIN EN ISO 2143.

Färben von Eloxalschichten

Eng verbunden mit dem Verdichten ist die Technologie des Färbens von Aluminium­oberflächen. Das Einfärben durch Einlagerung von farbgebenden Stoffen in die Oxidschicht benötigt die durch Anodisieren herstellbaren Poren; diese müssen in der Regel mit einem nachfolgenden Prozess in den Poren fixiert werden, was vor allem mittels Verdichten erfolgen kann. Dr. Benjamin Papendorf erläuterte in einem weiteren Teil des Fortbildungsseminars die Abläufe und Verfahren für das Färben von anodisch erzeugten Oxidschichten auf Aluminium.

Die für das Färben von Eloxalschichten einsetzbaren Farbpartikel müssen beim adsorptiven Verfahren in der Lage sein, in die Poren mit Querschnitten unter 1 µm in ausreichender Menge einzudringen und sie müssen dort fixierbar sein. Da die Menge an fixier­baren Farbstoffen begrenzt ist, variieren die Inten­sitäten der jeweiligen Farbvarianten. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Farbpartikel im Verlauf des Einsatzes in den Poren verbleiben, auch bei Einwirkung von außen durch unterschiedliche Medien. Unterstützt wird diese Forderung durch die Möglichkeit, die Poren nach außen hin durch transparente Verbindungen zu verschließen.

Vorgabe zur Bewertung des Farbflecks beim Farbtropfentest nach DIN EN ISO 2143 (Bild: B. Papendorf)

 

Durch die Färbung mittels metallischer Zusätze wird dagegen das vorhandene Oxid durch eingelagerte Metallverbindung farblich verändert. Dies kann beispielsweise auch durch die Verwendung von Elektrolyten auf Basis von Maleinsäure erreicht werden. Diese Farben besitzen häufig gegenüber den adsorptiven Verfahren eine bessere Dauerbeständigkeit. Die Farben auf Basis von Metallverbindungen oder unter Verwendung spezieller organischer Säuren zeichnen sich insbesondere durch eine bessere Beständigkeit gegen Veränderungen durch UV-Licht aus. Diese Farben unterliegen damit kaum Veränderungen im Laufe der Gebrauchs­dauer, während viele organische Farbpigmente durch UV-Licht zerstört werden und infolgedessen eine deutliche optische Veränderung erfolgen kann.

Einige Farben werden durch Legierungs­bestandteile des Aluminiumgrundmaterials erzeugt. So führt Mangan zur Brauntönen, Chrom zu Gelbfärbungen und Silizium zu Grautönen. Insbesondere im Falle von Sili­zium können praktisch alle Grautöne definiert erzeugt werden.

Eine weitere Methode für das Färben von Aluminiumoberflächen beruht auf der Verwendung von Elektrolyten mit Metallsalzen und dem Einsatz von Wechselspannung für das Anodisieren. Hierbei wird Metall am Porengrund abgeschieden. Herstellbar sind durch Elektrolyte mit Zinn, Nickel oder ­Kobalt Oberflächen in den Farben ­Hellbronze bis Schwarz und durch Kupfer lassen sich rote Oberflächen erzeugen. Da die Poren entweder durch ein abschließendes Verdichten oder auch durch die Einwirkung von Luftfeuchte verschlossen werden, besteht keine Gefahr der Metallabgabe im Einsatz.

Neben den genannten einstufigen Verfahren können auch zweistufige Technologien herangezogen werden. Hierbei werden im ersten Schritt die farbgebenden Stoffe im Porengrund eingelagert und anschließend in einem zweiten Schritt die Poren mit Hilfe von Konservierungsmitteln verschlossen. Diese Technologie bietet eine hohe Farbkonstanz mit sicher einstellbaren Farbnuancen und einer sehr breiten Farbpalette, ist allerdings aufgrund der höheren Zahl an Prozessschritten kostenintensiver.

Grundsätzliche erfordert der Einsatz von Färbeverfahren eine intensive Prüfung der Beständigkeit der Farben. Hierfür wird die Lichtechtheitsprüfung nach DIN EN ISO 658 und nach ISO 2135 angewandt. Die Oberflächen werden dazu in der Regel einer Bestrahlung mit UV-Licht mit einem definierten Spektrum unterzogen. Zur Bewertung wird die Änderung der Farbe gemessen.

Beispiel für gefärbte Außenfassaden an Gebäuden; hier mittels kombiniertem Färbeverfahren Sandalor (Bild: B. Papendorf)

 

Fehler beim Anodisieren

Mit möglichen Fehlern beim Anodisieren befasst sich Dr. Benjamin Fiedler. Dabei erfolgt sinnvollerweise die Analyse der Fehler aus tatsächlich aufgetretenen Schadensfällen und deren Rückverfolgung auf die möglichen Ursachen bei den Ausgangsmaterialien ­sowie im jeweiligen Herstellungsprozess.

Einen starken Einfluss auf die Qualität von Anodisationsschichten haben die Zusammensetzung und Ausführung (vor allem die Oberflächenqualität in Folge der mechanischen Verarbeitung) der zu beschichtenden Aluminiumsubstrate. Da unterschiedliche ­Legierungen verschiedene Prozessvarianten - zum Beispiel im Hinblick auf Vorbehandlungen, Elektrolytarten oder Auswahl der ­Arbeitsparameter - erforderlich machen, muss vor der Beschichtung die jeweils vorliegende Legierung genau spezifiziert werden. Entsprechend haben Fehler häufig ihre Ursache in einer Verwechslung von Materialien. Des Weiteren muss vermieden werden, unterschiedliche Werkstofftypen zu verbinden und die Anodisation an daraus gefertigten Baugruppen durchzuführen.

Beispiel für mögliche Farbunterschiede bei Fassadenelementen aus Aluminium (Bild: Dr. B. Fiedler)

 

Die Anodisationsschichten reagieren oftmals auch auf eine variierende mechanische Umformung, beispielsweise beim Walzen oder Schleifen, so dass diese Bereiche nach dem Anodisieren störend sichtbar sind. Resultate können Streifen, Flecken oder Schlieren sein. In Bezug auf die Zusammensetzung sollten vor allem die Gehalte an Eisen, Chrom, ­Titan oder Zirkon in einer Aluminiumlegierung möglichst gering sein. Beim Anodisationsprozess selbst können sich ungeeignete elektrische Werte (Spannung, Stromdichte) oder Fehler im Prozess (unzureichende Spülung oder Trocknung) als Fehlerquellen für dekorative Oberflächen erweisen. Besonders sensibel ist die Herstellung von großflächigen Fassadenelementen, bei denen bereits geringe Änderungen in der Oberflächenstruktur zu erheblichen Farb- oder Glanzabweichungen führen können.

Besonderes Augenmerk ist bei Aluminium auch auf die beschichtungsgerechte Konstruktion zu legen. Da häufig komplexe Strangpressprofile zum Einsatz kommen, ist die Gefahr gegeben, dass Prozessflüssigkeiten (Beiz- oder Reinigungslösung) in den Profilen verbleiben, die zu erheblichen Korrosions­erscheinungen führen können. Schließlich müssen vor allem dekorative Oberflächen sorgfältig transportiert und ausreichend gut für den Transport verpackt werden; Beschädigungen lassen sich in aller Regel kaum ausbessern.

Anlagen und Verfahren

Mit Christian Deyhle übernahm ein sehr erfahrener Fachmann für Anlagenplanung den Part über die Anlagen- und Verfahrenstechnik im Weiterbildungsseminar für das Anodisieren von Aluminium. Zur elektrolytischen Oxidation von Aluminium werden sogenannte Stückgutanlagen und kontinuierlich arbeitende Anlagen genutzt. Die Stückgutanlagen werden je nach zu verarbeitenden Abmessungen der Aluminiumteile in horizontaler oder vertikaler Anordnung ausgeführt. Die kontinuierlichen Anodisieranlagen kommen zu Bearbeitung von Folien und Bändern im Endlosbetrieb zum Einsatz.

In Bezug auf die nasschemischen Verfahrensschritte ist die Ausstattung der Anlagen auf den Reinigungsbereich, das Beizen der Oberfläche, das eigentliche Anodisieren sowie die Abschlussbehandlung durch Färben und Verdichten beschränkt. Ein Vorteil in Bezug auf die Arbeits- und Umweltsicherheit ist im vorwiegenden Einsatz von relativ unkritischen Medien zu sehen. Die meist alkalischen Reinigungsmittel und die relativ schwach ätzenden Säuren für das Beizen und Anodisieren sind unproblematisch in der Verwendung und einfach in der Entsorgung. Sorgfältig ist jedoch auf das Absaugen der entstehenden Abluft an den Anodisierprozessen zu achten, da hier große Mengen an Wasserstoffgas entstehen, die zudem beim Austreten aus der Anodisierlösung die vorhandenen Säuren als feine Gasblasen in die Abluft überführen.

Die horizontale Anlagenvariante kommt in der Regel bei Profilen, Blechen (in eher kürzeren Abmessungen) und Kleinteilen zur Anwendung. Bei Teilen mit größeren Längen (bis zu 6 bis 8 m sind häufig zu finden) entscheidet die Art der Aufhängung der Teile an den üblichen Warenträgern über den Anlagentyp: verfügen die Teile an mehreren Stellen entlang der Länge über Aufhängepunkte, bietet sich die Bearbeitung in Horizontalanlagen an. Ist eine Aufhängung jedoch nur an den Enden der Teile möglich (wie dies häufig bei Fassadenelementen der Fall ist), kommt eine Bearbeitung nur in senkrechter Aufhängung in Betracht. Stückgutanlagen in vertikaler Ausführung erfordern hohe Anlagen- und damit auch Hallenhöhen.

Anlage mit vertikaler Aufhängung der Aluminiumteile (Bild: Ch. Deyhle)

 

Da die Anodisierdauern zum Teil im Bereich einer Stunde oder mehr liegen, werden zur Gewährleistung eines akzeptablen Durchsatzes die Anlagen mit mehreren, hintereinander angeordneten Anodisierpositionen ausgestattet; selbiges gilt im übrigen für das Verdichten, das ebenfalls eine Bearbeitungsdauer von etwa 1 Stunde erfordert. Die Aufhängung der Teile auf den Gestellen erfolgt in leicht schräger Lage; sollte dies nicht möglich sein, kann auch das Ausheben der Gestelle aus den jeweiligen Positionen so erfolgen, dass die Teilen einseitig stärker angehoben werden und damit das Ablaufen der jeweiligen Flüssigkeit (Entfettungen, Spülen, Anodiserlösung, Färbelösung) die Verschleppungsvolumina klein hält. In der Regel sind beide Arten von Anlagen mit einem Pufferbereich für Roh- und Fertigteile ausgestattet; dadurch kann die personelle Ausstattung für die Anlagenbetreuung besser organisiert werden.

Bandanlagen sind häufig in Werken für die Herstellung von Halbzeug zu finden. Je nach Art der Aluminiumverarbeitung kann eine Bandanlage auch im Fertigungsfluss für das Walzen integriert sein. Die hierfür üblichen Dicken der anodisch erzeugten Oxidschichten sind kleiner (wenige Mikrometer), damit die Prozesszeiten niedrig aber der Durchsatz hoch.

Zur Reduzierung der Abluftmengen und Einsparung von Energie werden bei neueren Anlagen in großem Umfang Abdeckungen der Positionen eingesetzt, meist in automatisch arbeitender Ausführung. Oftmals sind auch die Fahrwagen mit Absaugungen versehen, in der Regel aber mit Abtropfschalen ausgerüstet. Dadurch werden Verschleppungen zwischen den Arbeitsschritten stark reduziert.

Leicht schräg aufgehängte Teile reduzieren die Verschleppung (Bild: Ch. Deyhle)

 

Moderner Aufbau einer Bodentasse (Bild: Ch. Deyhle)

 

Alle nasschemischen Anlagen müssen heute mit hochbeständigen Bodenbeschichtungen ausgerüstet sein und im Falle einer Behälterleckage die auslaufenden Flüssigkeiten aufnehmen können. Die Bodentassen werden so ausgestattet, dass kleine Flüssigkeitsmengen (z.B. durch Undichtheiten an peripheren Einrichtungen wie Ventilen) in sogenannten Pumpensümpfen gesammelt werden.

Zu der erforderlichen Ausstattung von Anodisieranlagen gehören Gleichrichter für die Stromversorgung. Die Geräte werden heute in wassergekühlte, ölgekühlte oder luftgekühlte Varianten angeboten. Sie können für große Anlagen Ströme von 100.000 A und mehr liefern, was Leistungen von mehreren Megawatt entspricht. Besonderes Augenmerk ist hier auf einen guten Kontaktierung zwischen Gleichrichter und Aluminiumteilen zu legen, um Überhitzung durch schlechte Kontaktierung und daraus resultierende Brandgefahr zu vermeiden.

Für die Einhaltung der Arbeitstemperatur kommen Heizungen und Kühlungen zum Einsatz; Heizung in der Regel für das Verdichten und Kühlung für das Anodisieren. Unterstützt wird die Temperierung durch leistungsfähige Pumpensysteme zur Durchmischung der Lösungen und gleichzeitigen Reinigung.

Die Prozesssicherheit der Verfahren kann je nach Situation vor Ort eine enge Regelung von Parametern wie pH-Wert oder Konzentration von Lösungen erforderlich machen. Im Zuge einer meist angestrebten hohen Automatisierung bietet sich der Einsatz von Dosierpumpen an. Schließlich nimmt die Lufttechnik heute einen zunehmend wichtigen Stellenwert ein. Sie muss einerseits unerwünschte Expositionen vermeiden - z.B. säurehaltige Umgebungsluft oder Entstehung von explosiven Gasgemischen - und andererseits den Energieverbrauch bei der Absaugung von warmer Luft und Einspeisung von kühlerer Außenluft (bzw. umgekehrt im Sommer) begrenzen. Abluftsysteme sind dafür mit Abscheider- oder Wäschertechnik ausgestattet und verfügt über effiziente Wärmetauschertechnologie. Mittels Ablufttechnik verfügen die Arbeitsplätze über eine gute Atemluft und die Umgebung eines Anodisierbetriebs erfährt keinerlei Verschmutzung durch Schadstoffe.

Zusammenfassend wies der Referent darauf hin, dass die Planung und Erstellung einer Anlage eine frühzeitige Einbindung der Genehmigungsbehörde unumgänglich macht. Für das Anodisierunternehmen ist zudem eine umfassende und ausführliche Dokumentation der Anlage und der Räumlichkeiten sehr wichtig. Dadurch werden Anpassungen der Anlage an neue Kundenwünsche oder veränderte Kapazitäten deutlich vereinfacht.

wird fortgesetzt

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