Edelmetalle wie Gold verbessern die Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Kontaktstellen elektrischer Bauteile. Die Metalle werden als dünne Schicht auf der Oberfläche von Steckern, Schaltern oder Schnappscheiben aufgetragen. Herkömmliche elektrochemische Beschichtungsverfahren erfordern einen hohen Material- und Energieeinsatz und verursachen umweltschädliche Belastungen. Im Forschungsprojekt »GeCo« entwickelt und testet das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen gemeinsam mit Projektpartnern den Prototypen einer Anlage für das Laserauftragschweißen von Gold auf elektrische Kontakte. Die neue Anlage soll durch die Beschichtung mit dem Laser den Goldeinsatz und Energieaufwand deutlich reduzieren und die Entstehung giftiger Stoffe vermeiden.

Bei der konventionellen Galvanik werden die Kontaktbauteile in einem elektrolytischen Prozess beschichtet, der umweltbelastende Stoffe freisetzt. Dieses aufwendige Verfahren lässt keine direkte Integration in die umfangreiche Stanz-Biege-Prozesskette zur Herstellung elektrischer Kontakte zu. Für den Transportweg zu den galvanischen Anlagen, für Energie- und Rohstoffverbrauch sowie für die Abwasserreinigung entstehen daher hohe Kosten in der Fertigung. 

Gold- und Energiebedarf sinken erheblich

Beim Auftragschweißen hingegen schmilzt der Laser Goldtropfen effizient von mehreren Mikrodrähten ab und benötigt dazu kein Elektrolyt mit giftigen Stoffverbindungen. Punkt für Punkt wird der relevante Kontaktbereich mit der nötigen Menge an Edelmetall beschichtet. Durch den punktgenauen Auftrag kann das erforderliche Goldvolumen insgesamt erheblich reduziert werden.

Die Machbarkeit des Laserprozesses für die Beschichtung elektrischer Kontakte wurde in dem abgeschlossenen Projekt »MicroSpotCladding« des Fraunhofer IPT bereits nachgewiesen. Das Projekt hat gezeigt, dass mit dem neuen Verfahren nicht nur der Goldeinsatz um 84 Prozent, sondern gleichzeitig auch der Energiebedarf deutlich gesenkt werden kann.

Im GeCo-Projekt wollen die Aachener Ingenieure nun gemeinsam mit den Partnerunternehmen einen stabilen Beschichtungsprozess als Alternativtechnologie zur Galvanik realisieren. Hersteller von Stanzbauteilen, von elektrischen Kontakten sowie Beschichtungsunternehmen profitieren durch das Laserauftragschweißen, indem sie kostengünstiger und umweltfreundlicher produzieren. 

Qualitätssicherung als wichtige Prozessvoraussetzung

Während des Projekts wird die mechanische Leistungsfähigkeit der Beschichtung durch Langzeittests sichergestellt. Die Goldpunkte müssen zuverlässig und stoffschlüssig mit der Kontaktstelle verschweißt werden, damit ihre elektrische Leitfähigkeit sowie der hohe Verschleißwiderstand beispielsweise nach einer bestimmten Anzahl von Lastzyklen bestehen bleiben. Zur Qualitätssicherung des Beschichtungsverfahrens wird daher eine Inline-Qualitätskontrolle entwickelt. Die Goldpunkte sollen auf ihre korrekte Anzahl und Positionsintervalle durch den Einsatz von Kameratechnik überwacht werden. 

Keine Kosten für den Zwischentransport

Bisher fügt sich das galvanische Verfahren nicht nahtlos in die schnell getaktete Stanz-Biege-Prozesskette ein. Die Hersteller leitfähiger Kontakte müssen nach dem Stanzen das Blechband mit den Kontaktbauteilen aufrollen und zur Galvanik transportieren. Dagegen lässt sich das umweltschonende Laserauftragschweißen leichter in die Stanz-Biege-Prozesskette integrieren, wodurch die Kosten für den Zwischentransport entfallen.

Im gemeinsamen Forschungsprojekt entwickeln die Projektpartner zunächst die einzelnen Komponenten der Laserbeschichtungsanlage. Diese Teilsysteme werden anschließend zu einem Gesamtsystem zusammengefügt und das Verfahren automatisiert. In einem Eco-Audit zu Projektende sollen die in dem neuen Verfahren beschichteten Bauteile nach Kriterien der Umweltverträglichkeit geprüft und das System hinsichtlich seiner Ressourceneffizienz und Wirtschaftlichkeit bewertet werden. 

Projektpartner

• Carl Dillenius Metallwaren GmbH & Co. KG, Pforzheim 
• F&K Delvotec Bondtechnik GmbH, Ottobrunn 
• Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen 
• Harms & Wende Qualitätssicherungstechnologie GmbH, Chemnitz 
• Inovan GmbH & Co. KG, Birkenfeld

Das Projekt wird gefördert durch die »DBU – Deutsche Bundesstiftung Umwelt« (Förderkennzeichen: 34249/01).