23. MAI 2018

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What's up, DOC?


"Dortmunder OberflächenCentrum" präsentiert Highlights

Drei Buchstaben krempeln bei ThyssenKrupp Stahl die Welt der Stahloberflächen um: Die Rede ist vom DOC Dortmunder OberflächenCentrum, das vor zwei Jahren startete. Die Ausbeute der ersten beiden Jahre verblüffte auch eine handverlesene Schar von Journalisten: Auf einem Fachpresseforum erfuhren sie unter anderem, welche spannenden Perspektiven ein neuer Zink-Magnesium-Überzug oder vorlackiertes Feinblech bieten und wie sich oberflächenverdeltes Feinblech lasern läßt.

Auf Synergieeffekte der besonderen Art setzt die ThyssenKrupp Stahl AG aus Duisburg: Am 6. Dezember 2000 öffnete das DOC Dortmunder OberflächenCentrum, in dem der Stahlkonzern konsequent alle Entwicklungsaktivitäten in Sachen Oberflächenveredelung zusammenfaßte. In der 25 Millionen Euro teuren Investition auf dem Gelände der Westfalenhütte in Dortmund arbeitet ThyssenKrupp Stahl eng zusammen mit dem Anlagenhersteller SMS Demag und der Fraunhofer Gesellschaft.

Die Zielvorgabe erläutert Geschäftsführer Dr. Michael Steinhorst: „Der Auftrag der mittlerweile 76 Mitarbeiter besteht darin, neue, verbesserte Oberflächen für Stahl zu entwickeln und möglichst schnell zur Produktionsreife zu bringen.“ Ein sehr wichtiger Aspekt betrifft beim Entwickeln die Nähe zur Produktion. Daher verfügt die ostwestfälische Ideenschmiede über drei Bandpilotanlagen. Zwei Einrichtungen sorgen für elektrolytische Verzinkung und Schmelztauchveredelung mit Zink- oder Aluminiumlegierungen. Das eigentliche Highlight, eine ihrer Art weltweit einzigartige Bandpilotanlage, hilft den Entwicklern, ihre Ideen unter weitgehend realistischen Produktionsbedingungen zu testen.

Die Bandpilotanlage verarbeitet schmales Stahlband bis zu 300 Millimeter Breite mit einer maximalen Bandgeschwindigkeit von 60 Meter pro Minute. In der modular aufgebauten Anlage befinden sich mehrere unabhängig voneinander einsetzbare Stationen, in denen die DOC-Experten „am laufenden Band“ neueste Oberflächentechniken erproben. Zum Einsatz kommen beispielsweise ein PVD-Modul, ein ChemCoater (Auftragen von UV- oder thermisch härtenden Lacken) und ein SiliCoater, der auf neuartige Weise umweltfreundliche Siliziumdioxidschichten als Vorbehandlung für die organische Beschichtung erzeugt.

Vor allem Automobilhersteller dürfte dabei eine neue Entwicklung interessieren, die Dr. Bernd Schuhmacher, Bereichsleiter metallische und anorganische Überzüge, vorstellte. Die Neuheit: Unter produktionsnahen Bedingungen gelang es den Dortmundern, elektrolytisch verzinktes Stahlband mit einer Zink-Magnesium-Oberfläche (ZE-Mg) zu fertigen. Das DOC erzeugt die neue Oberfläche auf der Bandpilotanlage in einem kontinuierlichen Prozeß. Bei der Technologie setzt die Ideenschmiede auf eine Kombination von physikalischer Dampfphasenabscheidung (PVD - Physical Vapour Deposition) von Magnesium und thermischer Nachbehandlung.

Enormes Einsparpotential für die Verarbeiter
Mit diesem Kombi-Verfahren fertigt das Unternehmen Feinbleche mit 3,5 beziehungsweise 7,5 Mikrometer dünnen ZE-Mg-Überzügen. Die beiden wesentlichen Pluspunkte erläutert Bereichsleiter Schuhmacher: „Der neue Legierungsüberzug ermöglicht es, die Dicke der metallischen Auflage zu halbieren - bei mindestens gleichwertiger Korrosionsschutzwirkung wie bei herkömmlich verzinktem Feinblech. Wenn wir die bislang übliche Dicke der metallischen Auflage von 7,5 Mikrometern dagegen beibehalten, vergrößert sich der Korrosionsschutz im Vergleich zu üblichen Auflagen enorm.“

Dadurch ergeben sich etliche positive Nebeneffekt vor allem für die Automobilisten, die klassischen Anwender von verzinkten Feinblechen. Vor allem in Hohlräumen oder bei Blechüberlappungen dürfte sich der Aufwand für den so genannten sekundären Korrosionsschutz verringern. „Das bedeutet ein enormes Einsparpotential für die Verarbeiter“, berichtet der Bereichsleiter. Das eigentliche Highlight beim halbierten Überzug, also der Auflage mit 3,5 Mikrometern, ist die positive Auswirkung auf die Fügetechnik. Es verbessern sich nämlich die Laserschweißeigenschaften des Materials. Normalerweise verdampft das Zink beim Laserschweißen im Überlappstoß im Bereich der Schweißnaht. Die möglichen Folgen sind Poren und Auswurfkrater. Der erfahrene Anwender verarbeitet daher verzinktes Feinblech bislang mit einem mindestens 50 Mikrometer breiten Fügespalt. Die halbierte Auflage ermöglicht es dem Anwender nun, ZE-Mg-Bleche auch ohne jeglichen Fügespalt zu lasern.

Drei P& pos;s sorgen für Ergebnisse
Speziell bei dieser Fragestellung bewährte sich das Konzept von der sogenannten & pos;Public Private Partnership& pos;: Im DOC arbeitet auch eine Projektgruppe mit Mitarbeitern von Fraunhofer-Institute aus Dresden (Werkstoff- und Strahltechnik) und Braunschweig (Schicht- und Oberflächentechnik). Diese Experten nahmen unter die Lupe, wie sich die neuen ZE-Mg-Schichten auf das Laserschweißen auswirkt. Das Resultat schildert Dr. Axel Zwick, Leiter der Fraunhofer Projektgruppe am DOC: „Die neuen Oberflächen vereinfachen die fertigungstechnischen Abläufe beim Laserschweißen verzinkter Bleche deutlich.“

Es entfallen beispielsweise komplexe Spanntechniken. Der Anwender muß nicht mehr die sonst übliche komplizierte und teure Meßtechnik einsetzen, die bisher sehr präzise die Schweißnaht überwacht. Als Plus sieht der Wissenschaftler an, daß sich mit ZE-Mg auch sichtbare Teile per Laser schweißen lassen.

Doch wie sieht es mit der Praxisnähe aus?
Um manchmal etwas praxisferne Technikum-Ergebnisse zu vermeiden, überprüfte die Projektgruppe die Verarbeitung von ZE-Mg mit typischen Lasereinrichtungen, die auch in der Automobilindustrie eingesetzt werden. Der Erfolg von ZE-Mg steht und fällt aber auch mit den Kosten: Während die ZE-Mg-Beschichtung mit 3,5 Mikrometern laut Steinhorst „wettsbewerbsfähig“ zu feuerverzinkten und elektrolytisch Blechen ist, kostet die doppelt so dicke ZE-Mg-Auflage bisher mehr als die konventionellen Überzüge. Kommentar des Geschäftsführers: „Die Automobilhersteller können den Mehrpreis eventuell kompensieren durch den KTL-Ersatz und andere Verfahrensoptimierungen. Aber die Einsparpotentiale lassen sich jetzt noch nicht abschätzen.“ Mit dem großtechnischen Einsatz rechnet der Fachmann ab dem Jahr 2006.

Direkt vom Band ans Auto?
Für und mit der Automobilindustrie entwickelt das DOC in einem Gemeinschaftsprojekt organische Oberflächen mit einem sehr ehrgeizigen Ziel: Das vorlackierte Feinblech zur Serienreife zu bringen. Dazu bildete der Stahlhersteller Ende vergangenen Jahres mit Voest Alpine, DaimlerChrysler, Audi, Akzo Nobel, BASF und Webasto die Projektgruppe & pos;Painted Steel on Wheels& pos;: Bis zum Jahr 2005 gehen die Projektpartner von einer Serieneinführung des vorgefüllerten Serienblechs aus. Wesentlich länger dürfte es allerdings dauern, bis es serienmäßig Feinblech-Coils mit kompletten Lackaufbau gibt. Diese Entwicklung ist auch noch von vielen Fragezeichen begleitet. Beispiele: Wie sieht es mit der Farbenvielfalt aus? Wie stimmt ein Hersteller die Farbe von Anbauteilen aus Kunststoff (Stoßfänger) auf die Karosseriefarbe ab. Hier bietet sich allerdings an, die Spritzgußteile durch Leichtbaustahl zu ersetzen, der ja mittlerweile auch über gute Umformeigenschaften verfügt.

Einige Aufgaben sieht auch Dr. Christoph Filthaut, Bereichsleiter organische Beschichtung und Sandwichprodukte: „Die Coil Coating verwendeten Lacksysteme neigen gegenwärtig noch dazu, an den beim Umformen besonders stark beanspruchten Stellen matt zu werden. Hier gilt es, die verwendeten Lacke entsprechend weiter zu entwickeln. Nicht gelöst ist auch der Korrosionsschutz an den Schnittkanten.“ Zu den bereits in der Automobilindustrie gut eingeführten Verfahren zählt sicherlich die kontinuierliche Verzinkung von Stahlfeinblech. Doch selbst bei diesen ausgereiften Verfahren gibt es immer noch Verbesserungspotential.

Berührungslos Verzinken
Zu den Optimierern zählt Dr. Wilhelm Warnecke. Der Bereichsleiter metallische und anorganische Überzüge befaßt sich intensiv mit der wichtigsten Neuerung, der sogenannten & pos;Continuous Vertical Galvanizing Line (CVGL)& pos;. Herkömmliche Anlagen führen das Band von oben durch den sogenannten Rüssel in das Zinkbad und lenken es durch die sogenannte „Pottrolle“ innerhalb des Bades wieder nach oben. Bei CVGL liegt die Umlenkrolle dagegen außen unterhalb des Zinkbades. Diese Anlage führt das Stahlband vertikal in gerader Linie durch den Zinkpott geführt. „Dank dieser berührungslose Verzinkung ohne Rollenkontakt steigt die Qualität der Oberflächenveredelung“, freut sich der Bereichsleiter. Der Grund: Im Lauf der Produktion lösen sich von der Umlenkeinrichtung bei konventionellen Anlagen Eisenpartikel, die die Qualität des Zinkbades nach und nach verschlechtern.

Lotus-Effekt, perfekt?
Wenn von Schutzoberflächen die Rede ist, fällt oft das Stichwort & pos;Lotus-Effekt& pos;. In diese Richtung geht auch eine Entwicklung des DOC. Dr. Carmen Ostwald, Abteilungsleiterin Grenzflächen- und Elektrochemie, entwickelt beispielsweise Oberflächen, die Wasser gut abstoßen. Hydrophobe Oberflächen erzeugt das DOC durch Plasmapolymerisation im CVD-Verfahren. Bei dieser „Chemical Vapour Deposition“ werden siliziumorganische Verbindungen in ein Plasma eingebracht. Dort kommt es zu einer chemischen Reaktion, bei der die Verbindungen in kleine Bruchstücke zerlegt werden. Diese werden dann auf die Metalloberfläche beschleunigt, wo eine hauptsächlich aus Siliziumoxid bestehende Schicht wächst.

Kommentar der Expertin: „Charakteristisch für die entstehende Oberfläche ist ihre Rauheit, die allerdings kaum sichtbar im Nanometerbereich liegt. Eine vergleichbare Nanorauheit zeichnet auch die Blätter der Lotusblume aus und sorgt hier, genau wie beim plasmapolymerisierten Stahlfeinblech aus dem DOC dafür, daß Wassertropfen vollständig ablaufen und dabei Schmutzpartikel mitnehmen.“ Aber auch die Alternative dazu entwickelten die Dortmunder. Am DOC entstanden sogenannte hydrophile Schichten aus Titanoxid, auf denen sich das Wasser nicht tropfenartig, sondern großflächig absetzt. Die Folge: Das Titanoxid reagiert unter Lichteinstrahlung mit Wasser und Sauerstoff. Es entstehen Radikale aus Wasserstoff und Sauerstoff, die Schmutzpartikel auf der Oberfläche zersetzen.

Unterm Strich:
Ob Oberflächen mit Lotuseffekt, optimierte Verzinkungsanlagen ohne Rollenkontakt oder Lack vom Coil - das DOC überrascht einen wirklich bereits nach kurzer Zeit. Bänder, Bleche, Rohre wartet gespannt auf die ersten Serienprodukte, die auf den Ideenblitzen aus Dortmund beruhen. Ein ausgezeichnetes Endprodukt gibt es bereits zu sehen: Die Fassadenelemente der Feuerbeschichtungsanlage 8 in Dortmund, die aus fertig vorlackiertem Stahlband entstanden sind. Für die Architektur und das Farbkonzept erhielt ThyssenKrupp Stahl den & pos;Europäischen Stahlbaupreis& pos;.

Ausgabe:
bbr 12/11/2003
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