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Vernickelung von Extruder-Mundstücken für eine saubere Umwelt

Das Arbeiten im Weltraum unter Schwerelosigkeit kann nicht mit den Arbeitsbedingungen auf der Erde verglichen werden. Bisher wurde die Problematik der fehlenden Erdschwere in bemannten Raumfahrtgeräten hauptsächlich durch am Boden der Weltraumlabore angebrachte Fußschlaufen gelöst. Für präzise durchzuführende Experimente und guten Halt erfordernde Arbeiten war diese Fixierung allerdings nicht ausreichend. Als Abhilfe wurde der Munich Space Chair (MSC) entwickelt, der während der Europäischen MIR-Mission EUROMIR 95 regelmäßig verwendet wurde. Mit der neue Fixierung war es möglich, unter Schwerelosigkeit mit beiden Händen konzentriert und exakt zu arbeiten, ohne davonzuschweben. Dabei wird der Raumfahrer zwischen einer Sitzplatte, einer Oberschenkelplatte und einer Fußstütze in einer für die Schwerelosigkeit natürlichen sogenanntenNull-g-Haltung fixiert. Er drückt sich mit den Fußballen von der unteren Stütze ab, um somit durch die Hebelwirkung an der Oberschenkelplatte mit dem Gesäß auf die Sitzplatte gedrückt zu werden. Für den MSC wurden von der Firma AHC-Oberflächentechnik GmbH & Co. OHG Führungsleisten aus Stahl, die das verstellbare Aluminiumprofil der Rückenlehne und die verschiebbare Verbindung mit dem Oberschenkelrohr fixieren, mit einem speziellen Verfahren chemisch vernickelt. Die Forderung nach einem guten Verschleißschutz, hoher Härte sowie einer hohen Gleitfähigkeit konnte mit diesem Vernickelungsverfahren bestens erfüllt werden.

 

Eine weitere Anwendung fand dieses Beschichtungsverfahrens in der Raumfahrt bei aerodynamischen Untersuchungen in einem Überschallwindkanal an einem 30 cm langen Modell der X-38. Die X-38 ist ein Demonstrator für ein Rettungsvehikel CRV (Crew Rescue Vehicle), mit dem im Notfall eine schnelle Evakuierung der Besatzung der Internationalen Raumstation ISS durchführbar sein wird. Mit der X-38 soll im Rahmen eines unbemannten Fluges bewiesen werden, dass eine Rettungsmission mitsamt den Funktionen automatischer Flug, Verlassen der Umlaufbahn, Wiedereintritt in die Erdatmosphäre, Abstieg und Landen möglich ist. Bei der Simulation dieser Rückkehrphasen im Windkanal prallen auf ein derartiges Modell kleine Partikel mit einer hohen kinetischen Energie auf. Um die Modelloberfläche hiervor zu schützen, wurde sie ebenfalls mit einer 30 µm dicken Schicht chemisch vernickelt. Dabei bietet das Beschichtungsverfahren zusätzlich eine konturengetreue Abbildung der Oberfläche.

 

Die österreichische Firma Porzellanfabrik Frauenthal GmbH, die 1921 als Erste Österreichische Porzellanfabrik gegründet wurde und vor rund fünfzig Jahren mit der Herstellung von Hochspannungsisolatoren aus Hartporzellan begann, wurde auf die Transferinitiative INTRA über die Internet-Plattform www.techtrans.de aufmerksam gemacht. Mit einer mehr als 80-jährigen Erfahrung im Bereich der technischen Keramik ist das Unternehmen heute auf die Erzeugung von Wabenkeramik u. a. für die Herstellung von Abgaskatalysatoren, sogenannte SCR-Katalysatoren (Selective Catalytic Reduction), zur Stickoxidreduktion für Anwendungen in Gasturbinen, Kraftwerken, Müllverbrennungsanlagen und Dieselmotoren spezialisiert. Bei der SCR-Technologie werden schädliche Stickoxide unter Zugabe von Ammoniak als Reduktionsmittel im Katalysator gezielt in unschädlichen Stickstoff und Wasserdampf umgewandelt. Diese Technologie hat sich weltweit als das führende System zur NOx-Abscheidung durchgesetzt.

 

Im Rahmen eines Entwicklungsprojektes für den Einsatz der SCR-Katalysatoren in der Automobilindustrie waren die Frauenthaler auf der Suche nach einer speziellen Beschichtungstechnologie. Die Herstellung dieser Katalysatorträger aus Wabenkeramik erfolgt durch einen Extrusionsprozess bei dem die zu verarbeitende keramische Masse zu einem sog. Mundstück gefördert und dort zu den gewünschten Geometrien geformt wird. Dieses Extrudermundstück wird aus Stahl hergestellt und weist 8.000 Bohrungen mit einem Durchmesser von 1,3 mm auf. Da das Mundstück durch die Extrusion der keramischen Masse stark beansprucht wird, muss dies vernickelt werden. Genau dieser Vernickelungsschritt verlangt höchste Anforderung hinsichtlich Abscheidung in den Bohrlöchern, Kantenhaftfestigkeit und Garantie der Schichtstärke, da sonst das Extrudat nicht spezifikationsgerecht produziert werden kann.

 

Nach Auswahl des für die besagte Anwendung geeigneten Beschichtungsverfahrens und nach Vermittlung durch MST Aerospace wurden von AHC Probebeschichtungen für die Porzellanfabrik Frauenthal durchgeführt. Nach eingehenden Tests der Musterbeschichtungen konnte eine deutliche Qualitätssteigerung in der Katalysatorfertigung festgestellt werden, so dass die für die gesamte Katalysatorproduktion erforderlichen 100 Extruder-Mundstücke mit dieser Beschichtungstechnologie vernickelt wurden. Die hohe Kontaktfläche der 8.000 Katalysatorkanäle pro Monolith ermöglichen ökonomische Katalysatorvolumina in Schalldämpfern von Nutzfahrzeugen. Dadurch können Katalysatoren mit 300 cpsi (Zellen pro Quadratzoll) für die beengten Einbauverhältnisse in Fahrzeugen produziert werden.

 

Im Automobilbereich zielen die EU-Richtlinien besonders für schwere Nutzfahrzeuge und Personenkraftwagen mit Dieselmotoren auf den Einsatz von Abgasnachbehandlungssysteme. Zur Einhaltung dieser Grenzwerte nach der Euro4- und Euro5-Norm ist die drastische Absenkung sowohl der Stickoxid (NOx)- als auch der Partikel-Emissionen erforderlich. Durch die SCR-Dieselkatalysatoren können Stickoxide in den Abgasen von heutigen Dieselmotoren bis zu 80 % reduziert werden. Gegenwärtig laufen bei LKW-Herstellern Feldversuche mit mehreren Fahrzeugen sowie Testfahrzeuge im PKW-Bereich werden derzeit ebenfalls mit dieser Technik ausgestattet. Schon Anfang 2005 sollen mit SCR-Katalysatoren ausgestattete LKW und Sattelzugmaschinen für den Serieneinsatz bereit stehen. Da das Additiv Ammoniak im Straßenverkehr nur bedingt einsetzbar ist, wird eine ungiftige und geruchlose wässrige Harnstofflösung, die im Zusammenhang mit der SCR-Technik den Namen "AdBlue" trägt, eingesetzt. Durch die Motorelektronik gesteuert, wird diese Lösung in das heiße Abgas eingedüst, wo es zu Ammoniak hydrolysiert wird. Der Vorteil dieser SCR-Systeme für den KFZ-Bereich liegt in einer nennenswerter Kraftstoffeinsparung, da Dieselmotoren auf ihr wirtschaftliches Optimum eingestellt werden können. Hierbei lässt sich auch der Rußpartikelausstoß verringern. Als Ergebnis ermöglicht die intensive Serienentwicklung die Einhaltung der strengen Stickoxid- und Partikelgrenzwerte der europäischen und amerikanischen Gesetzgebung. 

SCR-Dieselkatalysator