Grundlagen der Kunststoffgalvanik (3 MB !)

Willkommen,
im wunderbaren Land der Galvanik,
den faszinierenden Oberflächen
und dem Gefühl von Wertigkeit und
Perfektionismus
den beherrschbaren Gesetzen der
Elektrochemie
Durch die Kunststoffgalvanisierung wird ein Verbundwerkstoff hergestellt.
Vorteile:
- Niedriges Gewicht
- leichte und wirtschaftliche Formgebung
- keine Nacharbeitskosten des Grundkörpers
Eigenschaften:
- metallische Haptik
- wertiges Design und Oberflächenglanz
- physikalische und chemische Beständigkeit, elektrische Leitfähigkeit
Hauptanwender:
Automobilindustrie, Sanitärindustrie, Hausgeräte, Haushaltsartikel, …
Die Kunststoffgalvanisierung ist ein fast vollautomatisierter
Prozess.
Die Automaten sind auf Massenproduktion ausgerichtet.
Ausnahme: das manuellen Auf- und Abstecken der Werkstücke.
Kunststoffe sind Nichtleiter
Sie werden zunächst auf chemischem Weg an der Oberfläche leitend
gemacht, anschließend ähnlich wie Metalle galvanisiert.
ABS und PC/ABS haben bei den galvanisierten Kunststoffen einen
Anteil von weit mehr als 90 %.
Ein weiterer nennenswerter Werkstoff ist PA.
Das Hauptanwendungsgebiet für PA sind Türinnenbetätigungsgriffe.
Das Prinzip der ABS-Galvanisierung
ABS besteht aus zwei verschiedenen Phasen
1. die kohärente Hartphase,
das SAN-Copolymerisat
2. die
kautschukelastischen
Phase, das Polybutadien,
das in feinst dispergierter,
kugeliger
Form
in
Nanometergröße
in
der
Hartphase verteilt ist.
schematische Darstellung einer gebeizten
ABS-Oberfläche
1. Schritt der chem. Vorbehandlung:
•
Beizen in einer ChromSchwefelsäure-Lösung
•
Dabei bildet sich innerhalb von ca.
10-12 min ein ca. 1 µm tiefes Raster
aus submiskroskopischen
Poren,
den sogenannten Kavernen
schematische Darstellung einer gebeizten
ABS-Oberfläche
Durch ihre Hinterschneidungen stellen sie einen geeigneten
Haftgrund für die Verankerung der Metallabscheidung dar.
Das heißt, die Verankerung der Metallschicht wird durch einen
sogenannten Druckknopf-Effekt erzielt.
Der Beizprozess läuft innerhalb festgelegter Konzentrationen und
innerhalb einer definierten Temperatur von ca. 70°C ab.
Warenträger nach der Beizlösung
Der Beizprozeß ist vom Grad der Spannungen und Orientierungen im
Rohteil abhängig.
Die Beize ist auf ein spannungsfreies Formteil eingestellt.
In Formteilbereichen hoher molekularer Orientierungen, oder in
Bereichen hoher Spannungen reagiert folglich die Beize langsamer.
Die Folge sind Unterbeizungen und entsprechende Verminderungen
der Haftfestigkeit, da die Hinterschneidungen nicht ausreichend sind.
Überbeizungen entschärfen diese Hinterschneidungen
Die Oberflächenstruktur wird geschwächt
Die Stege des Gerüstpolymers brechen >>> verminderte Haftfestigkeit
Die dünnen Stege des Gerüstpolymers brechen bei einer Überbeizung
>>> verminderte Haftfestigkeit
Die nachfolgenden Schritte sind:
Neutralisierung (Entgiftung), Reduzierung der Cr(VI)-Ionen zu Cr(III)-Ionen
Aktivierung:
Adsorbtion einer kolloidale Pd/Sn-Lösung an der Oberfläche
Beschleunigung:
Sn(II)-chloridschicht wird aus dem Kolloid gelöst und metallische Pd-Keime
werden freigemacht
chem. Nickel - Abscheidung
Tauchkupfer
(SUT-Kupfer,
Reduktion
vun
Anschlagnickel, elektrolytische Abscheidung
Zwischen all diesen Schritten immer wieder Spülen
Cu),
bzw.
Danach folgt der klassische und meist verwendete Schichtaufbau
Cu, Ni, Cr
Die Kupferschicht:
- einebnenden Wirkung
- Glanzbildung
- duktiler Puffer zwischen dem Kunststoff und der Nickel- und
Chromschicht
Im Anschluß werden die Nickelschichten abgeschieden.
Die Nickelschichten
1. Halbglanz-Nickel,
Nickelschicht
columnarer
Aufbau
edler
als
folgende
2.1 Glanz-Nickel, laminarer Aufbau
2.2 Velour-Nickel, mit organischen Bestandteile, die in die Schicht
eingearbeitet werden
3. Funktions-Nickel
3.1 microrissiges Nickel (Organikbestandteile erzeugen bereits
nach der Heißwasserspüle ein feines Risswerk)
3.2 microporöses Nickel (inerte Mikropartikel werden in die Schicht
eingearbeitet und durchbrechen die Chromdeckschicht)
Bei der Ni-Abscheidung unterscheiden sich die Verfahren
in Hinblick auf die Anforderungen an das Fertigprodukt.
Anforderung
Schichtsystem
-Oberflächen ohne
besondere Anforderungen
- „nur“ eine Glanznickelschicht
führt zu schneller Korrosion
bei Beschädigung der
Deckschicht
Anforderung
Schichtsystem
-Oberflächen mit gehobenen
Anforderungen in Bezug auf
Korrosion
-Halbglanznickelschicht
+ Glanznickelschicht
schnelle Korrosion der
Glanznickelschicht
Jedoch Verzögerung der
Grundmaterialkorrosion durch die
darunterliegende edlere
Halbglanznickelschicht
Anforderung
Schichtsystem
Automobilaußenteile mit hoher
Korrosionsbeanspruchung
- Halbglanznickelschicht
+ Glanznickelschicht
+ mikroporige oder
mikrorissige Nickelschicht
Durch die Feststoffpartikel in der
Nickelschicht , die Chromschicht
durchbrechen, wird der
Korrosionsstrom gesenkt
Folge: sehr langsame Korrosion
der Glanznickelschicht
Die zuletzt abgeschiedene Deckschicht mit nur abbildender Wirkung ist
meist die Chromschicht.
Die meist geforderten Mindestschichtdicken liegen bei
z. Bsp. Sanitärteilen
(gehobene Anforderungen)
Cu
Ni
Cr
20 µm
10 µm
0,2 µm
Automobilteile
(exterieur)
Cu
Ni
Cr
25 µm
15 µm
0,8 µm mic-r. /
0,3 -0,5 µm mic-p.
Prüfungen
Jeder OEM besitzt eine eigene Werksnorm zur Durchführung diverser
Prüfungen
Die Prüfmerkmale sind jedoch identisch
§ Optik
VDA 16
(dient zur Harmonisierung der Prüfbedingungen und Annahmekriterien)
§
Haftfestigkeit
§
Korrosionsfestigkeit
§ Schichtdicke (als Mittel zu Zweck)
Im eigenen Labor werden die Teileanforderungen geprüft:
• Schichtdickenmessungen mittels Röntgenfluoreszenzverfahren (XRay)
• Ermittlung der Risszahl und der Porendichte, „active sites“, nach
Cass-Test, bzw. Fuhrmanntest
• Haftfestigkeitsprüfung
Temperaturwechselprüfung gem. DIN 53496
Klimawechselprüfung gem. Anf.
Warmlagerprüfungen gem. Anf.
Wasserschocktest gem. Anf.
Gitterschnitt gem. EN ISO 2409
Im eigenen Labor werden die Teileanforderungen geprüft:
• Korrosionsprüfungen
Cass-Test gem. DIN 50021
Kesternich-Test gem. DIN 50018
Corrodkote-Test gem. ISO 4541
Step Test (Potentialdifferenz und Verteilung der Nickelschichten)
• diverse optische Prüfungen
• Messberichte
Seminarinhalt
•
Velour- oder Mattoberflächen
Holger Krämer, Fischer GmbH & Co. KG
September 2010
Velour-Oberflächen
Velour-, Matt-, Edelmatt-, Perlglanz- oder Satin-Oberflächen
mit individuellen Bezeichnungen der OEM´s
liegen derzeit im Trend und haben zunehmende Bedeutung
Sie haben die
Chromschicht
gleiche
Chromdeckschicht
wie
eine
hochglanz
Der Matt Effekt wird in der Nickelschicht erzeugt
Man dosiert dabei eine Chemiekalie in den Nickelelektrolyten, die den
Farbton und die Struktur dominierend bestimmt.
Velour-Oberflächen diskontinuierliche Verfahren
Velouroberflächen
Das sind zum Teil diskontinuierliche Verfahren, da die
Badzusätze über die Zeit und durch den Verbrauch altern,
im
Verlauf
agglomerieren
und
in
Folge
zu
Fehlabscheidungen führen
Selbst innerhalb kurzer Zeit sind Glanzgradveränderungen
das erste visuell erkennbare Phänomen
Der Umgang in der Praxis erfordert eine hohe Disziplin
Diskontinuierliche Velourproduktion
Glanzgrad = f (Badzusatz, Dosierung, Zeit, Stromstärke, Richtung zur Anode)
Vorzeitiges Ende wird ggf.
durch Ah – Zähler gemeldet
Grenze glanz
Zulässige
Bandbreite
Überwiegend
großflächige Teile
Normale Produktion
0
Urmuster
Grenze matt
Zeit
0h
ca.3,5 h
Velour-Oberflächen kontinuierliche Verfahren
Velouroberflächen
Mit den kontinuierliche Verfahren kann man den Faktor
„Alterung über die Zeit“ ausschließen.
Es ist somit möglich, sich insgesamt in einer engeren
Range zu bewegen.
Aber auch dabei gibt es physikalische Grenzen, da bedingt
durch die unterschiedliche Teilegeometrie und Oberfläche
ein Mindesttoleranzbereich in Anspruch genommen werden
muß
Kontinuierliche Velourproduktion
Glanzgrad = f (Badzusatz, Dosierung, Stromstärke, Richtung zur Anode)
matt
Geringe Oberfläche
è Höhere Konzentration
Grenze matt
opt. Bewertung
kontinuierl.
Urmuster
0
Dosierung
Arbeitsfenster
Regelung über
Dosiermenge
Zulässige
Bandbreite
Grenze glanz
Große Oberfläche
è geringere Konzentration
glanz
Bandbreite der
diskontinuierlichen
V
Velourproduktion
Zeit
Stromdichte im Galvanobad
3.000 mm
Niedrigerer Glanzgrad
+
+
+
+
+
matter
+
900 mm
-
+
-
+
+
-
+
+
-
Schichtdicke
+ 100%
+
-
-
+
-
+
Bereich der niedrigen Stromdichte
- -
+
Höherer Glanzgrad
-
- -
+
glänzender
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Nicht vermeidbarer Einflußfaktor für Glanzgradabweichungen
Stromdichte am Bauteil, geometrieabhängig
Anode
+++++++++++++++++++++++++++++
Feldlinien
Kathode
-------
Feldlinien
+++++++++++++++++++++++++++++
Anode
Nicht vermeidbarer Einflußfaktor für Glanzgradabweichungen
Geometriebedingt erhält man sogar einen unterschiedlichen Glanzgrad
oder beser ausgedrückt ein Glanzgradgefälle innerhalb eines Bauteils
Je nach Positionierung der Bauteilfläche zur Anode
Grenzmuster Grenze „glanz“ und Grenze „matt“ sind bei diesen
Oberflächen unvermeidbar
Position
direkt zur
Anode
Position 90° zur
Anode geneigt
wesentlich
glänzender
verfahrenstechnisch
nicht vermeidbar
Seminarinhalt
§
Gestelltechnik, Kontaktierung
Holger Krämer, Fischer GmbH & Co. KG
September 2010
Gestelltechnik
Die Kontaktierung erfolgt i.d.R. mit Federstahlkontakten.
• Stromeinleitung
• Fixierung am Gestell
• nur außerhalb des
Sichtbereiches zulässig
• Kontaktierungshilfen in Form
von Laschen, Stegen oder
Verstärkungsrahmen, …
Bauraum im ZSB vorteilhaft
Gestelle und Kontaktierung
Galvanogestell
Gestellrahmen ca. 900 x 450 mm
PVC isoliert
Gehalten in einem drehbaren
Rahmen zum Aufstecken von bspw.
Muster außerhalb der Galvanolinie
1 Warenträger
i.d.R.
6 Einzelgestelle
in Galvanoanlage
integriert
Eine sichere Kontaktierung - wichtig für die Prozeßstabilität
die Substrate dürfen trotz der
Warenträger- und der Badbewegung
nicht abfallen. Deshalb ist eine
ausreichende Kontaktierung zwingend
notwendig
Keine Spannungen auf das Bauteil
ausüben,
damit
es
bei
den
Prozeßtemperaturen von bis zu 70° C
zu keinen bleibenden Deformationen
kommt
Bei solchen Bauteilen
ist besonders der
Auftrieb durch die
eingeschlossene
Luftblase zu beachten
Deformation führt
hier zu
Funktionsausfall
(Undichtigkeit)
Beispiele für Kontaktierungshilfen
Am Beispiel einer BMW-Plakette: hier dienen die beiden Bohrungen zu
Kontaktierung, um Deformationen an den Befestigungselementen zu
vermeiden
Bei kleinen Bauteilen sind u.U. Nuten für die Kontaktierung akzeptabel,
wenn ausreichende Tiefe realisierbar und entspr. Bauteilstabilität gegeben
Die Kontaktierung in der Nut erfolgt durch Spreizkontakte
Vorteil: keine Nacharbeit am Bauteil
Nachteil: vorzeitiger Gestellverschleiß
Bei diesem Emblem kann
aufgrund der geringen
Dicke keine Nute
eingebracht werden
Das Emblem wird an der
Lasche kontaktiert, über die
auch angespritzt wird
Lasche wird im Rahmen der
Konfektionierung entfernt
Prinzip der Laschenkontaktierung
Rückseite eines
Dekorrahmens
Für die Kontaktierung
befindet sich neben den
9 Rastfenstern eine
zusätzliche
Kontaktlasche am Bauteil
Für die Lasche in dieser
Position konnte Bauraum
im ZSB geschaffen
werden
Lüfterrahmen Audi Q7
Kontaktierung erfolgt an einer Lasche in Bereich des „LProfils“
Kontaktierung eines KfzSchriftzuges am
Kaltkanalverteiler
Abgeflachte Auflage und
Schwalbenschwanz
VW-Emblem
Lasche im „W“
„V“ zu labil
>>Deformation
„Schwalbenschwanz“
spannt die Lasche
gehalten durch ein
„Schlaufe“
MultitronicAbdeckung Audi A4
Keine Spreizkontakte im
Innenbereich möglich
Gefahr der Deformation !
Deshalb 2 Laschen, über
die auch angespritzt wird
Laschen
Multitronic-Abdeckung am Galvanogestell
Horizontale
Bewegung
möglich
Dekorblende für
Überrollbügel Cabrio
Im oberen Bereich
kann eine Lasche
integriert werden
Kann das Bauteil in dieser Form galvanisiert werden ?
- NEIN !
Ein zusätzlicher Verstärkungssteg zur Vermeidung von Deformation
stabilisiert das Bauteil im unteren Bereich. Der Steg wird nach der
Galvanik ausgestanzt
abzustanzende Elemente
sollten zurückgesetzt
sein, damit es durch den
Stanzgrat nicht zur
Kollision führt
Beispiel Zierring (2-fach Wkzg.),
ca. 50/45 D. x 2 mm:
Sichtfläche Innenbereich und
Stirnfläche
Anbindung: nur außen möglich
Vorhaltung im Werkzeug, um u.U.
eine 3. Anbindung realisieren zu
können (Bindenähte)
Kontaktlasche
Im Bereich der Anbindung ist der
Radius abgeflacht, damit Stanzgrat
im Zylinder, in den Zierring eingebaut
wird, nicht stört
Eine Deformation des Kaltkanalverteilers kann zu Problemen bei
automatisiertem Abscheren führen
Zum Teil reichen bei filigranen
Bauteilen ohne große Fläche auch
Spreizkontake
Extrem niedrige Federkraft
Löffelförmig gebogene Aufnahmen
von z. Tl. Drähten < 1,0 mm D.
Nachteil:
Extrem hoher Gestellverschleiß
-Versprödung der Isolierung
- Metallabtrag in den Säurebädern
Spange Schaltknauf
Lange Kontakte
Wenig Deformationsgefahr im
Bereich der Anlage
Abgewinkelte Spreizkontake ,
sehr scharf und spitz
zugeschliffen, halten das
Bauteil verzugsfrei
Zierring
Kombiinstrument
Audi A6
Kontaktierung mit
Spreizkontakten
am Anguß
Dadurch ist eine absolut
verzugsfreie Kontaktierung
gewährleistet. Auf das
Bauteil wird keine
Spannung übertragen.
PS-Tiefziehtrays sind für satzweise Verpackung der Roh- und Fertigteile
ausgelegt. Der Anguß wird nach der Galvanik ausgestanzt.
Abdeckplatte für Spülkasten
Kontaktierung erfolgt an 3 Punkten
um die notwendige Planparallelität
zu gewährleisten
Zusätzlich tragen Abstandhalter
zu einer immer gleichmäßigen
Ausrichtung bei
Zierleisten für Stoßfänger
Kontaktierung erfolgt an
zusätzlichen Laschen
2 Kontaktstellen bei
Bauteillänge von ca. 700 mm
Bei mehr Kontaktstellen entsteht zu
starker Verzug
Im Bereich der Laschen befinden
sich entsprechend große
Aussparungen im Stoßfänger, die
maßlich eine gewisse Deformation
der Laschen zulassen
Kontaktierung an
einem zusätzlichen
Steg
In diesem Fall wird
der Steg nach der
Galvanik
ausgestanzt
Steg dient auch zum
Anspritzen
Steg mit
Angußstange
Abstanzung im
Bereich der Pfeile
Schlaufe mit Schwalbenschwanz
plus zusätzlicher Stabilisatordraht
Bei diesem Gestell dienen
flexible Klemmen zur
zusätzlichen Stromleitung
Starre Kontaktierung an
zu viel Punkten führt zu
Verzug/Deformation
Isoliertes
flexibles Kabel
Klemme
Kleinteile
werden z.Tl. auch
am Anguß kontaktiert
Vorteil:
Geringerer
Handlingaufwand in
der Galvanik
Bei diesem Beispiel ist sogar die Stapelhilfe zur Verpackung in den
Anguß einkonstruiert
Die Zierteile können
sich gestapelt im
KLT nicht berühren
Optimaler
Transportschutz
Seminarinhalt
§
Teilehandling/Verpackung
Holger Krämer, Fischer GmbH & Co. KG
September 2010
Teilehandling / Verpackung
Hauptfehler in der Praxis
Teilehandling
Die Spritzgußteile dürfen nicht
aus dem Werkzeug ausgeworfen werden.
Eine prozeßstabile Greiferentnahme ist hier notwendig.
Teilehandling
Zur besseren Sensibilisierung sollten die Mitarbeiter Handschuhe tragen
Beispiele, wie man es nicht machen sollte:
So auch nicht !
Teile sind
eingeschlichtet,
fallen aber alleine
durch das Stapeln
der Behälter
durcheinander
Folge:
Kratzer
Scheuerstellen
Macken
Verpackungsvolumen
einsparen ??
Rechnet sich auch
nicht !!
Geeignete Verpackungen
Fixierung der Bauteile
im Blister durch die
Schweißlaschen bei
diesem Beispiel
Häufig verwendet: tiefgezogene PS - Blister oder -Trays
Bis Abmessung 600 x 400 x 80 mm gut geeignet
Bei größeren Abmessungen oft zu instabil
Führung im
Innenbereich
Außenkontur mit
Radius von ca. 0,3 mm
sehr empfindlich
Durch entsprechende Führungen werden
Beschädigungen der Bauteile vermieden
Arbeitsabläufe:
Spritzen
Einpacken >> Transport
Auspacken
Aufstecken in Galvanik
Abnehmen nach Galvanik
Einpacken >> Transport
Auspacken
Anguß abstanzen und
kontrollieren
Einpacken >> Transport
Beim innerbetrieblichen Transport, z. Bsp. An den
Sonderarbeitsplatz
wird
unsachgemäßes
„Stapeln“ der Bauteile verhindert
Auspacken
Im ZSB verschweißen
Stapelung in 2 Etagen
Grenzwertige
Anwendung !
Trayhöhe ist ca. 100 mm
Dadurch ist keine
optimale Stapelung mehr
möglich
Folge: vorzeitiger Ausfall
der Trays durch
Einreißen der Kanten
Bei diesem Bauteil wären EPP – Ladungsträger vorteilhafter gewesen
Die Trays lassen sich gut stapeln
Gute Eignung für Automatisierung
Kosten: Werkzeug ca. 3000 EUR
Teilepreis ca. 2 EUR (abhängig von Materialstärke)
Verschiedene Möglichkeiten:
Drehstapelung
Hinterschnittstapelung
Wichtig sind ausreichende
Abstandhalter bei größerer
Stapelhöhe
Eine Umverpackung in KLT`s ist nicht unbedingt
erforderlich
Sicherung mit VDA – Deckel und Schrumpffolie
Bei größeren Bauteilen sind EPP – Ladungsträger notwendig
Beispiel:
Kühlergrillblende
Vauxhall-Vectra
Beispel:
Stoßfänger – Zierleiste
Daimler-Chrysler
Detaillansicht
Leiste Mitte
Detaillansicht
Leiste Seite
Bei artikelspezifischer Verpackung
Stückzahltransparenz gegeben
ist
außerdem
eine
100%-ige
Weitere Beispiele:
artikelspezifische Verpackungsanweisungen sind unverzichtbar
Gerade bei einer Einwegverpackung in Kartons mit Papp- und Vlieszwischenlagen
artikelspezifische Verpackungsanweisungen
sind unverzichtbar
Gerade bei einer Einwegverpackung in
Kartons mit Papp- und Vlieszwischenlagen
Seminarinhalt
§ Prüfkriterien / VDA 16
Holger Krämer, Fischer GmbH & Co. KG
September 2010
Der VDA 16
dient zur Harmonisierung der Prüf- und
Beurteilungsbedingungen
einen aktualisierten Ausgabe gibt es seit Februar 2008
Die darin aufgezeigten Kriterien müssen den Maßstab
für die Beurteilung darstellen
Der VDA 16
regelt
• Lichtverhältnisse
• Betrachtungsposition è Einbausituation
• Betrachtungsabstand
• Betrachtungszeit
• Annahmekriterien (Fehlergröße, Häufigkeit, …)
• Qualitätslage
Qualitätslage
• für die visuelle Qualitätsprüfung ist ein
unvermeidbarer Schlupf (PD) erforderlich
• der Schlupf (PD = 0,003) wird nach VDA mit 0,3%
bestimmt
Fehlerlage bei Sammelausschuß
Teile mit Fehler
Grenze Kundenakzeptanz
Grenzmuster MTP Kl. A
(max. tolerierbare Prozesslage, n-Tier – OEM)
Fehlergröße
Nicht objektiv
diskriminierbarer Bereich
i.o. Teile
Fehlerhäufigkeit
Holger Krämer, Fischer GmbH
Die Definitionen des VDA 16 werden i.d.R. von
den Oberflächenbeschichtern geteilt
Um unnötige „Angsttoleranzen“ in der Zulieferkette zu
vermeiden, sind die Grenzmusterabstimmungen mit
allen an der Lieferkette beteiligten, einschließlich
OEM, nach diesen Kriterien wichtig
genau das empfiehlt der VDA 16 mit den
(maximal tolerierbare Prozesslage)
MTP-Mustern Klasse A
(vereibart vom n-Tier mit dem OEM)