Table Of Content6[I][IJ
6~[IJ=
Forschung und Praxis
Band 184
Berichte aus dem
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik
und Automatisierung (IPA), Stuttgart,
Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft
und Organisation (lAO), Stuttgart,
Institut fOr Industrielle Fertigung und
Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart und
Institut fOr Arbeitswissenschaft und
Technologiemanagement, Universitat Stuttgart
Herausgeber: H.J. Warnecke und H.-J. Bullinger
Hans Gut
ProzeBstrukturen der
chemischen Vernickelung
Mit 37 Abbildungen und 5 Tabellen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona
Budapest 1993
Dipl.-Ing. H. Gut
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. h. H. J. Warnecke
o. Professor an der UniversitAt Stuttgart
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. H.-J. Bullinger
o. Professor an der UniversltAt Stuttgart
Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO), Stuttgart
093
ISBN-13: 978-3-540-57304-3 e-ISBN-13: 978-3-642-47870-3
001: 10.10071 978-3-642-47870-3
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschOtzt. Die dadurch begrOndllten Rechte, insbesondere
die der Obersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abblldungen und
Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der VervleHAltigung auf anderen Wegen
und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugswelser
Verwertung, vorbehalten. Eine VervielfAltigung dieses Werkes oder von Tellen dieses Werkes
ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheber
rechtsgesetzes der Bundesrepubllk Deutschland vom 9. September 1965 in der leweils
gOltigen Fassung zulAssig. Sle ist grundsAtzlich vergOtungspflichtig. Zuwiderhandlungen
unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.
© Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1993.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem
Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche
Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frel zu betrachten
wAren und daher von jedermann benutzt werden dOrften.
Sollte in diesem Werk direkt oder Indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinlen (z. B.
DIN, VOl, VOE) Bezug genom men oder aus Ihnen zitlert worden sain, so kann derVeriag keine
GewAhr fOr die Richtlgkeit, VolistAndigkeit oder AktualitAt Obemehmen. Es empfiehlt slch, ge
gebenenfalls fOr die eigenen Arbeiten die volistAndlgen Vorschriften oder Rlchtllnlen in der
jeweils gOltigen Fassung hinzuzuzlehen.
Gesamtherstellung: Copydruck GmbH, Heimsheim
62/3020-6543210
Geleitwort der Herausgeber
tiber den Erfolg und das Bestehen von Unternehmen in ein~r
marktwirtschaftlichen'Ordnung entscheidet letztendlich der
Absatzmarkt. Das bedeutet moglichst frtihzeitig absatzmarkt
orientierte Anforderungen sowie deren Veranderungen zu erkennen
und darauf zu reagieren.
Neue Technologien und Werkstoffe ermoglichen neue Produkte und
eroffnen neue Markte. Die neuen Produktions-und Informations
technologien verwandeln signifikant und nachhaltig unsere
industrielle Arbeitswelt. Politische und gesellschaftliche
Veranderungen signalisieren und begleiten dabei einen
Wertewandel. der auch in unseren Industriebetrieben deutlichen
Niederschlag findet.
Die Aufgaben des Produktionsmanagements sind vielfaltiger und
anspruchsvoller geworden. Die Integration des europaischen
Marktes. die Globalisierung vieler Industrien. die zunehmende
Innovationsgeschwindigkeit. die Entwicklung zur Freizeitge
sellschaft und die tibergreifenden okologischen und sozialen
Probleme. zu deren Losung die Wirtschaft ihren Beitrag leisten
muB. erfordern von den Ftihrungskraften erweiterte Perspektiven
und Antworten. die tiber den Fokus traditionellen Produktions
managements deutlich hinausgehen.
Neue Formen der Arbeitsorganisation im indirekten und direkten
Bereich sind heute schon feste Bestandteile innovativer Unter
nehmen. Die Entkoppelung der Arbeitszeit von der Betriebszeit.
integrierte Planungsansatze sowie der Aufbau dezentraler
Strukturen sind nur einige der Konzepte. die die aktuellen
Entwicklungsrichtungen kennzeichnen. Erfreulich ist der Trend.
immer mehr den Menschen in den Mittelpunkt der Arbeitsgestaltung
zu stellen - die traditionell eher technokratisch akzentuierten
Ansatze weichen einer starker en Human- und Organisations
orientierung. Qualifizierungsprogramme. Training und andere
Formen der Mitarbeiterentwicklung gewinnen als Differenzierungs
merkmal und als Zukunftsinvestition in Human Recources an
strategischer Bedeutung.
Von wissenschaftlicher Seite muB dieses Bemtihen durch die
Entwicklung von Methoden und Vorgehensweisen zur systematischen
Analyse und Verbesserung des Systems Produktionsbetrieb
einschlieBllich der erforderlichen Dienstleistungsfunktionen
untersttitzt werden. Die Ingenieure sind hier gefordert. in enger
Zusammenarbeit mit anderen Disziplinen. z.B. der Informatik.
der Wirtschaftswissenschaften und der Arbeitswissenschaft.
Losungen zu erarbeiten. die den veranderten Ranobedingungen
Rechnung tragen.
Die von den Herausgebern geleiteten Institute, das
- Institut fUr Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb
der Universitat Stuttgart (IFF),
- Institut fUr Arbeitswissenschaft und Technologie
management (IAT),
- Fraunhofer-Institut fUr Produktionstechnik und
Automatisierung (IPA),
- Fraunhofer-Institut fUr Arbeitswirtschaft und
Organisation (lAO),
arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung
intensiv an den oben aufgezeigten Entwicklungen mit. Die
Ausstattung der Labors und die Qualifikation der Mitarbeiter
haben bereits in der Vergangenheit zu Forschungsergebnissen
gefUhrt, die fUr die Praxis von groBem Wert waren. Zur Umsetzung
gewonnener Erkenntnisse wird die Schriftenreihe "IPA-IAO -
Forschung und Praxis" herausgegeben. Der vorliegende Band setzt
diese Reihe fort. Eine Ubersicht Uber bisher erschienene Titel
wird am SchluB dieses Buches gegeben.
Dem Verfasser sei fUr die geleistete Arbeit gedankt, dem
Springer-Verlag fUr die Aufnahme dieser Schriftenreihe in seine
Angebotspalette und der Druckerei fUr saubere und zUgige
AusfUhrung. Mage das Buch von der Fachwelt gut aufgenommen
werden.
H.J.Warnecke H.-J. Bullinger
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand wahrend meiner Tatigkeit als
wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer Institut fUr
Produktionstechnik und Automatisierung, Stuttgart.
Mein Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Dr.-Ing. E.h.
H.-J. Warnecke fUr die groBzUgige UnterstUtzung und Forderung,
welche die DurchfUhrung dieser Arbeit ermoglichte.
Herrn Prof. Dr. Bohni danke ich fUr seine Bereitschaft zur
kritischen Durchsicht der Arbeit und die Ubernahme des
Mitberichtes.
DarUberhinaus danke ich allen Mitarbeitern des Instituts, die
mich durch ihre anregende Kritik und Diskussion, sowie durch
ihre Hilfsbereitschaft unterstUtzt haben. Mein besonderer Dank
gilt den Herren Dr. A. Gemmler und Dr. M. Rouff. Ebenso mochte
ich mich Frau Dipl.-Ing. (FH) Waernier-Gut und bei den Herren
Dipl.-Ing. (FH) Th. Bolch, Dr. K. Mertz, Dipl.-Ing. (FH) F.
Leyendecker, Dr. K. Melchior und Dr. H.-J. Fetzer bedanken.
Oberwil 1993 Hans Gut
Inhaltsyerzeichnis
Seite
1 Einleitung 11
2 Chemische Vernickelung 15
2.1 Geschichte des chemischen Vernickelungsprozesses 15
2.2 Eigenschaften chemischer Nickelschichten 17
2.3 Badinhaltstoffe 19
2.4 Physikalische Eigenschaften von chemischen 20
Nickelschichten
3 Modell zum Mechanismus der chemischen Nickelab- 27
scheidung
3.1 SRI-Theorie 33
3.2 Stabilisierung der Abscheidung, Notwendigkeit 36
und Methoden
3.2.1 "Thermodynamische Stabilisierung" 36
3.2.2 "Kinetische Stabilisierung" 38
4 Strukturierung des chemisch/technischen Pro 40
zesses der vernickelung ( Wirkungsschema )
4.1 Thermodynamischer Modul 42
4.2 Kinetischer Modul 55
4.3 Vorbehandlungsmodul 66
4.4 Schichteigenschaftsmodul 67
4.4.1 Warmebehandlung 72
5 Einige Betrachtungen zu Expertensystemen 76
5.1 Einordnung von Expertensystemen im Rahmen der 76
klinstlichen Intelligenz
5.2 Definition von Expertensystemen 79
5.3 Komponenten von Expertensystemen 80
5.3.1 Wissensbasis 80
5.3.1.1 Regeln 81
5.3.2 Problemlosungskomponente 82
10
5.3.2.1 Suchverfahren 83
5.3.2.2 Problemlosungsstrategie 85
5.3.3 Dialogkomponente 86
5.3.3.1 Wissenserwerbkomponente 86
5.3.3.2 Interviewkomponente 87
5.3.3.3 Erklarungskomponente 87
5.4 Shell 88
5.5 Knowledge-Engineering 89
5.6 Grenzen von Expertensystemen 90
6 Realisierung 91
6.1 Das Expertensystem EXNI 92
6.2 Erste1len der Regeln am Beispiel fur das therrno- 92
dynamische Schema
6.3 wartung und Erweiterung von EXNI 95
7 Praktische Uberprufung des Systems 97
7.1 Schlechte Haftung der Nickelschicht 97
8 zusarnrnenfassung 100
9 Literatur 102
Lebenslauf 109
1 Einleitung
In der modernen Fertigung werden immer mehr Werkstoffe mit spe
zifischen Eigenschaftsprofilen gefordert. Dies trifft insbeson
dere auch fUr die Oberflache der Werkstoffe zu. Ein groBer Teil
der Grundwerkstoffe muB daher durch eine Oberflachenbehandlung
modifiziert werden, urn bessere, den Anforderungen gerechtere,
Funktionseigenschaften zu erhalten.
Herausragende Eigenschaften wie Korrosionsbestandigkeit, Ver
schleiBbestandigkeit, Aussehen usw. werden z.B. durch Beschich
tung der Oberflachen mit Hartstoffen wie Boriden, Nitriden und
Karbiden in Kombination untereinander oder mit Titan erhalten.
Allen Verfahren zur Verbesserung der funktionellen Eigenschaf
ten gemein ist aber der Nachteil kostenintensiver Anlagentech
nik. So werden z.B. PVD-Beschichtungen meist im Hochvakuum
durchgefUhrt. Ein weiterer Nachteil ist die nicht gleichmaBige
Abscheidung an Kanten, Ecken und Hinterschneidungen
( Konturentreue ) bei diesen Prozessen, die nicht immer gewahr
leistet ist. Aufgrund dieser verfahrenstechnischen Notwendig
keiten hat unter den Beschichtungsverfahren das chemische Ver
nickeln in den letzten Jahren einen wachsenden Stellenwert ein
genommen. Die herausragenden Eigenschaften chemisch vernickel
ter Teile sind gesteigerte Korrosionsbestandigkeit, verbesserte
mechanische aber auch magnetische Eigenschaften, die vor allem
beim Bau von Computern von Bedeutung sind, absolute Konturen
treue auch bei komplizierten Bauteilen mit Hinterschneidungen,
sowie dekorative Oberflachen, die mit anderen Verfahren nicht
zu erzielen sind.
Verfahrenstechnisch laBt sich der ProzeB der chemischen Ver
nickelung in folgende Arbeitsschritte unterteilen:
- Reinigen
- Aktivieren
- Vernickeln
- Nachbehandeln der Bauteile.
In der Praxis werden diese Schritte meist in einer automati
sierten FertigungsstraBe durchgefUhrt( Bild 1.1 ).
12
Vernickelung
Reinigen
Aktivieren
Vernickeln
Nachbehandeln
Bi1d 1.1: Arbeitsschritte der chemischen Vernickelung
Die steigenden Anforderungen an die beschichteten Bauteile ver
langen eine optimale Auslegung der Fertigungsprozesse und
-bedingungen /1-3/.
Die hohe Komplexitat solcher Prozesse und verfahrenstechnische
Mangel in der Arbeitsvorbereitung flihren heute meist zu unver
meidbaren Storungen im Arbeits- und ProzeBablauf. Es ist des
halb wlinschenswert Informationssysteme einzusetzen, mit denen
moglichst schnell Fehler im FertigungsprozeB erkannt und durch
geeignete MaBnahmen flir den weiteren ProzeB vermieden werden.
Solche Informationssysteme mlissen in der Lage sein, prozeBrele
vante Daten zu verarbeiten und in geeigneter Weise flir den Be
darf zur Verfligung zu stellen. Wissen liber den komplexen Fer
tigungsprozeB ist somi t zuklinftig nicht mehr nur in Blichern
gespeichert oder bei entsprechenden Fachkraften vorhanden, son
dern in zunehmendem MaBe in Computersystemen niedergelegt.
Der Wunsch Computer zur Fehlerdiagnose und Fehlervermeidung
einzusetzen, besteht sicherlich seit langerer zeit. Die Reali
sierung eines solchen Vorhabens scheiterte jedoch in der Ver
gangenheit an dem Fehlen entsprechender Hard- und Softwaresy
steme; elektronische Datenbanken allein waren und sind einer
