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Leitfäden

Einführung in die Galvanisierung: Wie Metallüberzüge funktionieren

Mithilfe von Galvanisierung kombinieren Sie die Festigkeit, die elektrische Leitfähigkeit, die Abrasions- und Korrosionsbeständigkeit sowie die Ästhetik bestimmter Metalle mit verschiedenen Materialien, die alle für sich ihre eigenen Vorzüge bieten – wie z. B. kostengünstigen oder leichtgewichtigen Kunststoffen oder Metallen.

In diesem Leitfaden erfahren Sie, weshalb viele Ingenieure Galvanisierung und Metallüberzüge in jeder beliebigen Phase des Fertigungsprozesses einsetzen – von der Prototypenentwicklung bis zur Serienproduktion.

Was ist Galvanisierung?

Galvanisierung, auch Galvanotechnik oder Galvanik, ist ein Elektrotauchlackierungsprozess, der ein Objekt mit einer Metallschicht überzieht. Ingenieure nutzen dabei eine gesteuerte Elektrolyse, um das gewünschte Metall von einer Anode (dem Teil mit dem als Überzug zu verwendenden Metall) auf eine Katode zu übertragen (das zu überziehende Teil).

Diagramm einer Kupfergalvanisierung in einem elektrolytischen Bad mit Kupfersulfat, Schwefelsäure und Chlorid-Ionen. (Bildquelle)

Diagramm einer Kupfergalvanisierung in einem elektrolytischen Bad mit Kupfersulfat, Schwefelsäure und Chlorid-Ionen. (Bildquelle)

Die Anode und Katode werden in einem elektrolytischen Chemikalienbad platziert und einer dauerhaften elektrischen Ladung ausgesetzt. Durch die Elektrizität wandern negativ geladene Ionen (Anionen) zur Anode und positiv geladene Ionen (Kationen) zur Katode, wo sie das gewünschte Teil mit einer gleichmäßigen Metallschicht überziehen. Bei der Galvanisierung wird ein Substratmaterial (oft ein leichteres oder billigeres Material) von einer dünnen Metallhülle umschlossen, z. B. aus Nickel oder Kupfer.


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Eine Alternative zum Metall-3D-Druck aus einem Drucker für 3500 $

In diesem Webinar erfahren Sie, wie Galvanisierung die Materialpalette des SLA-3D-Drucks in der Produktion hochfester und verschleißbeständiger Endverbrauchsteile bereichert. SLA-Druck ermöglicht die Umsetzung komplexer Sonderanfertigungen und Galvanisierung verleiht diesen SLA-Teilen Metall-ähnliche Eigenschaften wie beispielsweise einen hohen Elastizitätsmodul, elektrische Leitfähigkeit oder metallische Ästhetik.

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Galvanisierung im Vergleich zu Galvanoplastik

Galvanisierung und Galvanoplastik arbeiten beide mit Elektrotauchlackierung. Der Unterschied liegt darin, dass Galvanoplastik eine Form verwendet, die nach Erstellung des Teils entfernt wird. Mit Galvanoplastik erschafft man solide Metallteile, mit Galvanisierung hingegen überzieht man ein existierendes Teil (aus einem anderen Material) mit Metall.

Materialoptionen in der Galvanotechnik

Sie können ein Objekt mit einem einzigen Metall galvanisieren oder mit einer Kombination aus Metallen. Viele Hersteller entscheiden sich für die Schichtung von Metallen wie Kupfer oder Nickel, um Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit zu optimieren. Zu den gebräuchlichsten Galvanisierungsmaterialien zählen:

  • Messing

  • Cadmium

  • Chrom

  • Kupfer

  • Gold

  • Eisen

  • Nickel

  • Silber

  • Titan

  • Zink

Substratkörper können aus fast jedem beliebigen Material bestehen, von Edelstahl und anderen Metallen bis zu Kunststoff. Kunsthandwerker haben sogar bereits organische Materialien wie Blumen galvanisiert oder auch Schleifen aus weichem Stoff. 

Es gilt jedoch zu beachten, dass nicht leitende Materialien wie Kunststoff, Holz oder Glas erst leitfähig gemacht werden müssen, bevor man sie galvanisieren kann. Zu diesem Zweck kann ein solcher Substratkörper mit einer leitfähigen Farb- oder Sprayschicht bedeckt werden.

(3D-gedruckte) Kunststoffteile galvanisieren

Dank der Fortschritte der Wissenschaft bezüglich Materialien und Kunststoffherstellung haben leichtgewichtige und kostengünstige Kunststoffteile die teureren Metallteile bei einer breiten Palette an Anwendungen ersetzt – von der Automobilbranche bis zu Rohrleitungen.

Obgleich Kunststoff zahlreiche Vorzüge gegenüber Metall bietet, gibt es viele Anwendungen, wo Metall immer noch das Maß der Dinge ist. So sehr man sich auch anstrengen mag, Kunststoff wird niemals eine so noble Oberfläche haben wie Kupfer. Und auch wenn Kunststoff flexibler ist als die meisten Metalle, ist er niemals genauso stark. Genau da kommt die Galvanik ins Spiel.

3D-Druck bietet in Kombination mit Galvanotechnik einzigartige Vorteile. Ingenieure entscheiden sich oft für den 3D-Druck der Substratkörper, da die additive Fertigung unvergleichliche Gestaltungsfreiheit eröffnet. Die Galvanisierung 3D-gedruckter Teile ist oft billiger als sie mittels Guss, Zerspanung oder mit anderen Fertigungsmethoden herzustellen, insbesondere in der Prototypenentwicklung.

Stereolithografie-3D-Druck (SLA) eignet sich ideal für die Galvanisierung, da die Oberflächen der SLA-Teile äußerst glatt oder mit feinen Texturen versehen sind. Das wiederum sorgt für einen nahtlosen Übergang zwischen den Materialien (Kunststoff und Metall). Außerdem sind die gedruckten Teile wasserdicht und werden im Chemikalienbad während des Galvanikprozesses nicht beschädigt.

Aus maschinenbautechnischer Perspektive bietet die Kombination aus 3D-Druck und Galvanisierung einzigartige Zugfestigkeitsoptionen für die fertigen Designs. Im obigen Diagramm sehen Sie, wie die Kombination der beiden Fertigungsprozesse die Lücke zwischen der Zugfestigkeit beider Materialgruppen schließt.

Die Vorteile der Galvanotechnik

Galvanisierung bietet zahlreiche Vorteile wie z. B. verbesserte Festigkeit, höhere Lebensdauer und die elektrische Leitfähigkeit der Teile. Ingenieure, Hersteller und Künstler profitieren auf unterschiedliche Weisen von diesen Vorteilen.

Ingenieure nutzen Galvanik oft, um verschiedene Designs fester und robuster zu machen. So kann man beispielsweise die Zugfestigkeit von 3D-Druckteilen um 400 % oder mehr erhöhen, wenn man sie mit Metallen wie Kupfer oder Nickel überzieht. Ummanteln Sie Polymerteile mit einer metallischen Haut und sie verbessern deren Widerstand gegen Umwelteinflüsse wie Chemikalien oder UV-Licht.

Vergleich eines herkömmlichen SLA-Drucks mit entsprechenden nickel- und kupferüberzogenen Teilen derselben Geometrie

Vergleich eines herkömmlichen SLA-Drucks mit entsprechenden nickel- und kupferüberzogenen Teilen derselben Geometrie

Künstler setzen Galvanik häufig ein, um natürliche Elemente zu konservieren, die sonst zerfallen würden. So werden z. B. Blätter in langlebigere Kunstwerke verwandelt. In der Medizin dient Galvanotechnik dazu, medizinische Implantate korrosionsbeständig und sterilisierbar zu machen.

Außerdem eignet sich Galvanik großartig, um Verbraucherprodukten, Skulpturen, Figuren und Kunstgegenständen ein metallisches Aussehen zu verleihen. Viele Hersteller entscheiden sich darüber hinaus für galvanisierte Substrate, um leichtere Teile herzustellen, die sich einfacher und billiger vertreiben und versenden lassen.

Zusätzlich stellt Galvanotechnik elektrische Leitfähigkeit bereit. Da Metalle von Natur aus den elektrischen Strom leiten, ist Galvanisieren eine großartige Möglichkeit, die Leitfähigkeit eines Teils zu verbessern. Die Leistung von Antennen, elektrischen Komponenten und anderen Teilen lässt sich mittels Galvanisierung verbessern.

Die Grenzen der Galvanotechnik

Wenn Galvanotechnik auch noch so viele Vorteile bietet, liegen ihre Grenzen jedoch in ihrem komplexen und gefährlichen Prozess selbst begründet. Galvanikarbeiter können hexavalentem Chrom ausgesetzt sein, wenn sie sich nicht entsprechend schützen. Ein gut belüfteter Arbeitsbereich ist dabei Grundvoraussetzung. Die amerikanische Bundesbehörde für Arbeitssicherheit OSHA (Occupational Safety and Health Administration) hat zahlreiche Dokumente veröffentlicht, die die Risiken der Galvanotechnik erläutern.

In Anbetracht der nötigen Expertise und der auftretenden Gefahren entscheiden sich viele Ingenieure und Designer dafür, einen Dienstleister anzuheuern, der auf Galvanotechnik spezialisiert ist. Betriebsinterne Galvanisierung mag möglich sein, Outsourcing ist jedoch oft die einfachste Lösung. Glücklicherweise gibt es einige Unternehmen wie RePliForm und Sharretts Plating, die sich auf die Galvanik von Maßanfertigungen spezialisiert haben.

Das obige Video zeigt, wie man Galvanisierung mit leicht erhältlichen Hilfsmitteln durchführt, wie beispielsweise mit einem Handyladegerät und einem Kupferrohr. Wie empfehlen unbedingt das Tragen von Masken, Handschuhen und Schutzbrillen beim Galvanisierungsprozess. Arbeiten Sie nur in einem gut belüfteten Bereich.

Die vielseitigen Anwendungsbereiche der Galvanotechnik

Zahlreiche Brachen verwenden Galvanik bei der Herstellung – vom Verlobungsring bis zur elektrischen Antenne. Hier sind einige Beispiele:

Luftfahrt

Viele Flugzeugkomponenten werden mit einer „Opferbeschichtung“ galvanisiert, die die Lebensdauer der Teile erhöht, indem sie die Korrosion verlangsamt. Da Flugzeugkomponenten extremen Temperaturschwankungen und Umweltbedingungen ausgesetzt sind, wird eine zusätzliche Metallschicht auf metallischen Substratkörpern aufgetragen, damit die Funktionsfähigkeit des Teil von gewöhnlichem Verschleiß nicht beeinträchtigt wird.

Viele Stahlbolzen und Verbindungselemente in der Luftfahrt werden mit Chrom galvanisiert (oder neuerdings mit einer Zink-Nickel-Legierung aufgrund geänderter Auflagen).

Kunst und Dekor

Geben Sie auf Etsy das Wort „electroplated“ (engl. für galvanisiert) ein und Sie erhalten eine lange Liste galvanisierter Dekorartikel und einzigartiger Sammlerstücke. Kunsthandwerker verwandeln mit diesem Prozess verderbliche Objekte wie Blumen, Zweige oder sogar Käfer häufig in robuste, langlebige Kunstwerke. Mithilfe der Galvanisierung zeigen und erhalten Sie die filigranen Details verschiedener Objekte, die sich sonst schnell zersetzen würden.

Galvanik wird oft zur Erstellung von Kunstwerken verwendet wie bei diesem kupferüberzogenen Käfer oder den Bienenwaben. (Bildquelle)

Digitaldesigner nutzen Galvanik manchmal zur Anfertigung von Skulpturen. Dabei können die Designer den Substratkörper mit einem Desktop-3D-Drucker drucken und ihn dann mit Kupfer, Silber, Gold oder anderen Metallen galvanisieren, um die passende Oberfläche zu erreichen. Die Kombination aus 3D-Druck und Galvanik erschafft auf diese Weise Teile, die einfacher (und billiger) herzustellen sind als eine aus Metall gegossene Skulptur und trotzdem genauso aussehen.

Automobilindustrie

Galvanotechnik ist in der Automobilindustrie weit verbreitet. Viele große Automobilhersteller nutzen Galvanik, um verchromte Stoßstangen und andere Metallteile herzustellen.

Zudem wird Galvanisierung eingesetzt, um Sonderanfertigungen für Konzeptfahrzeuge zu erstellen. Beispielsweise schloss sich VW mit Autodesk zusammen, um Radkappen für das Konzeptfahrzeug „Typ 20“ herzustellen. Die Radkappen des Prototypen wurden 3D-gedruckt und anschließend galvanisiert. 

Fahrzeugrestaurateure und -spezialumbauwerkstätten setzen darüber hinaus Galvanotechnik ein, um verschiedenste Auto- und Motorradteile mit Nickel, Chrom oder anderen Oberflächen zu veredeln.

Schmuck

Am ehesten kennt man Galvanisierung vielleicht im Zusammenhang mit Edelmetallen in der Schmuckbranche. Schmuckdesigner und -hersteller verlassen sich auf diesen Prozess, um die Farbe, Haltbarkeit und Ästhetik von Ringen, Armreifen, Anhängern und einer großen Palette anderer Objekte zu verbessern.

Falls Sie Schmuck sehen, der „vergoldet“ oder „versilbert“ ist, wurde dieser aller Wahrscheinlichkeit nach galvanisiert. Durch die Kombination verschiedener Metalle erhält man Oberflächen in einzigartigen Farbtönen. So wird beispielsweise Gold oft mit Kupfer und Silber kombiniert, um Rotgold herzustellen.

Medizin und Zahnmedizin

Mit Galvanisierung werden widerstandsfähige Oberflächen für eine ganze Reihe medizinischer und zahnmedizinischer Elemente erzeugt. Goldbeschichtungen kommen oft bei Zahn-Inlays zur Anwendung und helfen bei verschiedensten Dentalprozeduren. Implantatsteile wie Ersatzgelenke, Schrauben und Platten sind oft galvanisiert, damit sie korrosionsbeständiger sind und vor ihrem Einsatz entsprechend sterilisiert werden können. Medizinische und chirurgische Werkzeuge wie Zangen, Klemmen und radiologisches Zubehör sind ebenfalls üblicherweise galvanisiert.

Energie

Zahlreiche Elektro- und Solarkomponenten sind galvanisiert, um die Leitfähigkeit zu erhöhen. Die Kontakte von Solarzellen und verschiedenen Antennentypen werden für gewöhnlich mittels Galvanik hergestellt. Auch Kabel können mit Silber, Nickel und anderen Metalltypen galvanisiert werden. Vergoldung wird oft (zusammen mit anderen Metallen) zwecks besserer Haltbarkeit eingesetzt. Gold kommt auch sonst häufig zur Anwendunng, um die Lebensdauer von Teilen zu erhöhen, da es gut leitet, biegsam ist und nicht mit Sauerstoff reagiert.

Prototypenentwicklung

Mit herkömmlichen Fertigungsverfahren ist die Herstellung maßgefertigter Metallteile als Einzelstücke oder Kleinstserien für die Prototypenentwicklung sehr kostspielig und zeitaufwändig. Deshalb kombinieren Ingenieure gerne 3D-Druck und Galvanisierung, um Geld und Zeit zu sparen.

Beispielsweise hat Andreas Osterwalder von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (ETHL) seinen Prototypenprozess mit 3D-Druck beschleunigt und die Kosten seines fortgeschrittenen Versuchsaufbaus reduziert, indem er neue Designs selbst auf seinem SLA-3D-Drucker von Formlabs druckt und sie in Zusammenarbeit mit Galvotek galvanisiert.

Andreas Osterwalder hat diesen Strahlteiler mittels 3D-Druck und Galvanisierung hergestellt.

Andreas Osterwalder hat diesen Strahlteiler mittels 3D-Druck und Galvanisierung hergestellt.

Bewährte Praktiken bei der Galvanisierung von 3D-Druckteilen

Aufgrund seiner Vielseitigkeit eröffnet Galvanik zahllose Möglichkeiten für Ingenieure aller Branchen. Möchten Sie mehr über die Galvanisierung von 3D-Druckteilen erfahren? Schauen Sie unser Webinar Eine Alternative zum Metall-3D-Druck aus einem Drucker für 3500 $ und erfahren Sie, wie Galvanotechnik SLA-Druckteilen Metall-ähnliche Eigenschaften verleiht, wie beispielsweise einen hohen Elastizitätsmodul, elektrische Leitfähigkeit oder metallische Ästhetik.

Sie erhalten Einsichten und Tipps von Sean Wise, Präsident und Geschäftsführer von RePliForm, der dabei auch auf die verschiedenen Anwendungen der Nutzer eingeht.