Projekt 16248/01

Entwicklung eines Energie sparenden Oxidationsverfahrens zur Herstellung extrem fester Harteloxalschichten auf hochlegierten Aluminiumwerkstoffen mittels selbsterlernter Stromdichteregelung

Projektträger

Fischer Oberflächentechnik GmbH
Wullener Feld 15 A
58454 Witten
Telefon: 02302/28255-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In der Al-Produktion wird nur ein geringer Anteil eloxiert, da der Beschichtungsprozess energieintensiv und daher kostenträchtig ist. Hinzu kommt, dass das Eloxieren hochfester Al-Legierungen technisch problematisch ist. Dieses Marktsegment wird traditionell durch KMUs gedeckt, denen sich mit dem Ein-satz des neuen Materials in Produktionsprozessen und Produktentwicklung weitere Marktfelder öffnen. Daher war das Ziel, ein Energie sparendes Verfahren zu entwickeln, das die Herstellung reproduzierbarer Oberflächenbeschichtungen mit hoher Güte erlaubt. Damit wird zugleich das Umweltentlastungspotential, das durch die leichten Werkstoffe, z. B. im Hinblick auf Energieeinsparung sowohl im Herstellungsprozess als auch während des Lebenszyklus der Produkte, gegeben ist, erschlossen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie grundlegende Untersuchung bezog sich auf den Einfluss der Prozessparameter (Spannungs-/Stromregelung als Funktion der Zeit, Überlagerung der Gleichspannung mit Wechsel- und Gleichspannungen unterschiedlicher Frequenz bzw. Spannungspulsen, Temperatur) auf die erzielten Eigenschaften der Oberflächen (Schichtdicke, Härte, Homogenität, Abriebfestigkeit). Dabei stellte sich u.a. heraus, dass die Prozessführung zur Erreichung von hohen Oberflächengüten manuell nicht mehr möglich ist und daher eine automatische Prozesssteuerung zwingend erforderlich ist. Außerdem stellten sich zunächst unerkannt gebliebene Probleme dar, die in der Hauptsache das Gleichrichtersystem betrafen (Störfelder, Trägheit, Restwelligkeit). Die Probleme konnten durch umfangreiche Änderungen am Gleichrichtersystem schließlich behoben werden. Das Verfahren wurde an Werkstoffmustern unterschiedlicher Baugrößen, Oberflächenbeschaffenheiten, Topographien (Hohlkörper) und Legierungen erprobt, die anschließend auf ihre Oberflächengüte untersucht wurden.


Ergebnisse und Diskussion

Das wichtigste Ergebnis des Projektes ist, dass das Vorhabensziel, die Grundlagen für ein Energie sparendes Verfahren zur elektrolytischen Beschichtung von Al-Werkstoffen mit hoher Güte zu entwickeln, erreicht werden konnte. Mit dem Verfahren können auch Werkstoffe, die aufgrund ihrer hohen Festigkeit, ihres vergleichsweise geringen Preises und ihrer guten Zerspanbarkeit - nämlich Cu-haltige Aluminium-Legierungen - besonders interessant sind, mit extrem harten Eloxalschichten versehen werden. Das entwickelte Verfahren eignet sich gleichermaßen für die Beschichtung anderer Al-Legierungen und stellt damit eine universell einsetzbare Technologie dar. Durch das vergleichsweise niedrige Spannungsniveau ergeben sich je nach Materialsorte Energieeinsparungen von bis zu 57 %. Aufgrund des abgesenkten Spannungsniveaus entsteht weniger Prozesswärme, sodass auch bei der Kühlung eine beträchtliche Energiemenge eingespart werden kann. Schließlich ergibt sich durch den Einsatz der leichten Werkstoffe - etwa im Fahrzeug-Sektor - eine weitere Energieeinsparung während des Lebenszyklus der Produkte. Mit dem Verfahren steht ein erprobtes Basisverfahren zur Verfügung, das beim Anwender die Herstellung reproduzierbare Eloxalbeschichtungen erlaubt. Damit ist die Grundlage geschaffen für einen weit über das bisherige Maß hinausgehenden Einsatz leichter Werkstoffe. Damit entfällt eine wesentliche Restriktion, die bisher einem verbreiteten Einsatz der umweltfreundlichen Werkstoffe im Wege gestanden hat. In vielen industriellen Anwendungsfällen kann dadurch auch auf umweltbedenkliche Stoffe (z.B. Härtebäder für Stahlwerkstoffe) verzichtet werden. Damit ergeben sich für KMUs sowohl erweiterte als auch völlig neue Marktfelder.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Während der Entwicklung wurden zahlreiche Kontakte zu KMUs, Anwendern und industriellen Fertigern sowohl im In- als auch im Ausland aufgenommen.


Fazit

Mit dem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderten Projekt konnte eine wesentliche Grundlage zum verstärkten Einsatz von leichten Werkstoffen in industriellen Produktionsprozessen und Produk-ten geschaffen werden. Auf diese Weise kann die umweltentlastende Substitution von Stahlwerkstoffen durch leichte und leicht zu bearbeitende Al-Werkstoffe vorangetrieben werden. Mit dieser Basistechnologie tritt - neben den Umweltentlastungen - eine Stärkung der Wettbewerbssituation ein, die auch andere europäische Mitgliedsländer betreffen wird. Die mit Hilfe der DBU entwickelte Basistechnologie soll in einem europäischen Verbundprojekt, in das neben KMUs aus Belgien, England, Deutschland und Portugal auch namhafte Hochschulinstitute eingebunden sind, für ein breites industrielles Anwendungsspektrum ertüchtigt und weiterentwickelt werden.