Mit Computersimulationen Oberflächentechniken verbessern
Neue Verfahren helfen Kosten sparen

In der Oberflächentechnik sind es die kleinen Schritte, die die Entwicklung bestimmen", sagt Thomas Schräder von der Fachabteilung Oberflächentechnik beim Verband deutscher Maschinen und Anlagenbau (VDMA).

HB HANNOVER. Zum Beispiel in der Lackiertechnik: Anlagenhersteller und Anwender versuchen vor allem, die Effizienz der Prozesse zu steigern. "An allen Ecken und Enden werden Tests durchgeführt, um die obere Leistungsgrenze der Lackzerstäuber herauszufinden", berichtet Joachim Domnick vom Fraunhofer für Produktionstechnik und Automatisierung-Institut in Stuttgart. Das Ziel sei, mit konventioneller Zerstäubertechnik möglichst schnell möglichst viel Lack auf einem Werkstück aufzutragen. Größere Lackverluste sind unerwünscht. "Auf den ersten Blick ein Widerspruch", meint Domnick. Ein Werkzeug, das helfen soll, diesen Widerspruch zu überwinden, ist die Computersimulation. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, optimale Geräteeinstellungen zu berechnen oder die Lackierbarkeit einer Karosserie vorherzusagen. "Alle größeren Automobilhersteller verfolgen das Ziel der virtuellen Lackierung", sagt Domnick.

"Virtuelle Lackierung" bedeutet, den Beschichtungsvorgang in Teilprozesse zu zerlegen, für jeden ein physikalisches Modell zu entwickeln und in ein Rechenprogramm zu übersetzen. Ein Teilschritt ist zum Beispiel der Flug eines Lacktropfens vom Zerstäuber zum Werkstück. Der Anwender gibt dann dem Programm die Randbedingungen vor, wie die Form des zu lackierenden Teils oder das Volumen des Luftstroms am Zerstäuber.

Computersimulationen werden auch für die Trocknung von UV-härtenden Lacken auf dreidimensionalen Bauteilen herangezogen. Diese Lacke erzeugen extrem kratzfeste Oberflächen, wie sie zum Beispiel Streuscheiben für Autoscheinwerfer benötigen. Die Programme berechnen, wie die UV-Strahler positioniert werden müssen und wie hoch die Strahlendosis zu sein hat, damit genügend Strahlung die gesamte Oberfläche erreicht. In Vertiefungen und Hinterschneidungen entstehen sonst Schattenzonen, in denen der Lack nicht hart wird.

Auch in der Galvanotechnik halten Simulationsprogramme langsam Einzug. Forscher der TU Dresden haben Modelle entwickelt, die die Vorgänge bei einer elektrochemischen Beschichtung beschreiben. Diese können in der Praxis eingesetzt werden, um eine Anlage und deren Steuerung zu planen oder die Produktion zu überwachen. Bei neuen, schnelleren Verfahren und höheren Anforderungen an die Schichten reicht einfaches Prozesswissen nicht mehr aus, meinen Fachleute.

Neue, serienreife Verfahren gibt es für das Galvanisieren von Kunststoffen. Hier sehen Herstellerfirmen einen wachsenden Markt. "Zurzeit werden in Deutschland jeden Tag 20 000 Quadratmeter Kunststoffoberfläche galvanisiert", erläutert Jürgen Dietrich vom Verfahrenslieferanten Enthone und prognostiziert, dass es in fünf Jahren über 30 000 sein werden. Hauptabnehmer ist die Automobilindustrie. "Viele Leute geben 500 Euro mehr aus für verchromte Zierleisten an ihrem Auto oder eine verchromte Dachreling", sagt Dietrich. Die neuen Verfahren erfordern weniger Prozessschritte, sparen somit Zeit und sind umweltschonender.

Für dekorative Anwendungen kombinieren die Hersteller verschiedene Beschichtungsverfahren: Die Firma Kludi stellt Wasserhähne und Duschköpfe her, auf denen keine Fingerabdrücke oder Kalkflecken zurückbleiben. Dazu werden die Armaturen mattverchromt und mit Hilfe eines Nebelverfahrens mit einer Nanoschicht versehen, die so dünn ist, dass sich die Oberfläche metallisch anfühlt. Zurzeit müssen die Teile für dieses Verfahren noch von den Galvanikgestellen abgenommen und in eine Kammer eingebracht werden, wo sich ein feiner Nebel mit Nanoteilchen auf dem Werkstück niederschlägt. Mittelfristig sollen die Beschichtungsschritte in einer Prozesskette laufen, ohne dass der Fertigungsfluss unterbrochen wird.

Die fertigungsintegrierte Beschichtung ist für einige Anwendungen der Plasma-Oberflächentechnik bereits möglich. Eine davon ist die Metallisierung von CD im Vakuum. Das Beschichten sowie vor- und nachgelagerte Produktionsschritte können in einer Anlage erfolgen. Ein völlig neues Einsatzfeld für die Plasmaoberflächentechnik ist die Produktion von Solarzellen, wie Uwe Kopacz von der Firma Hedrich Vacuum Systems berichtet. Dadurch haben Dünnschicht-Solarzellen fast einen Wirkungsgrad erreicht wie polykristalline Siliziumscheiben.

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