Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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  • Publication
    AnSim, Anwendungsorientierte Simulation zur Planung und Produktion maßgeschneiderter, elektrolytisch erzeugter Oberflächen
    ( 2010)
    Paatsch, W.
    ;
    Mollath, G.
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    Hochsattel, T.
    ;
    Roth, P.
    ;
    Blittersdorf, R.
    ;
    Klobes, K.H.
    ;
    Ban, A.
    ;
    Baumgärtner, M.
    ;
    Baier, J.
    ;
    Spille-Kohoff, A.
    ;
    Plieth, W.
    Die galvanotechnische Metallabscheidung stellt auch vor dem Hintergrund umfangreicher elektrochemischer Kenntnisse über die Elementarvorgänge der Keimbildung und des Kristallwachstums durch Elektrokristallisation in der praktischen industriellen Anwendung eine Erfahrungswissenschaft dar. Dies bildet angesichts des großen Entwicklungspotentials etwa der Legierungsabscheidung, der Hochstromelektrolyse oder der Elektrokristallisation unter Pulsbedingungen eine große Hemmung und gleichzeitig eine Herausforderung, die komplexen Zusammenhänge zwischen der Elektrolytdefinition, den Prozessparametern bei der Schichtbildung und den Eigenschaften der abgeschiedenen Systeme durch Modellbildung und Simulation zu beschreiben. Obwohl spezifische Aspekte der Schichtbildung wie etwa die Schichtdickenverteilung auf einem Werkstück mit vorhandenen Programmen auf Basis der elektrischen Potentialverteilung schon recht gut bestimmt und durch geeignete Elektroden anordnungen erreicht werden können, ist doch eine ganzheitliche Systembestimmung auf Basis theoretischer Zusammenhänge derzeit wegen der hohen Komplexität nicht möglich. Im Vorhaben AnSim wurde für die Galvanotechnik nun eine Methodik entwickelt, mit der sich die sehr komplexen Zusammenhänge zwischen der Rezeptur eines Elektrolyten und den Prozessparametem auf die Schichtbildung und die Schichteigenschaften erstmals durchgängig auf phänomenologischer Grundlage beschreiben lassen. Die Untersuchungen wurden beispielhaft für die Abscheidung von Zink und Zinklegierungen durchgeführt. Mit den einzelnen, diskreten Versuchsergebnissen zum Stromdichte-Potential-Verhalten bei der Schichtbildung, zur MikroStruktur der gebildeten Schichten und zum Eigenschaftsprofil der Schichten wurden neuronale Netze trainiert, die entsprechend dieser Wirkungskette Rezeptur, Prozess, Schichtbildung und Eigenschaften vernetzt sind. Durch eine systematische Befragung der trainierten Netze werden durchgängige Kennfelder gebildet. Damit lässt sich die Wirklichkeit des galvanotechnischen Prozesses in einer mehrdimensionalen Weise ganzheitlich erfassen und somit umfassend auswerten. Voraussetzung für die ganzheitliche Erfassung und Abbildung von Prozessen in Kennfeldern ist die Auswahl der betrachteten Prozessgrößen hinsichtlich ihrer Relevanz und das Raster, in dem diese verändert werden. Die Benennung der Prozessgrößen sowie die Experimentplanung erfordert das Wissen von Experten. Durch eine geschickte Auswahl der Prozessgrößen kann die Anzahl der erforderlichen Experimente deutlich gesenkt werden. Für die Entwicklung neuer Elektrolytkonzepte bedeutet dies beispielsweise, dass der Arbeitsbereich des Elektrolyten, innerhalb dessen die gewünschten Schichteigenschaften er zielt werden, umfassend deutlich wird. Bei Variationen der Rezeptur etwa durch veränderte oder unterschiedlich konzentrierte Additive wird eine mögliche Veränderung des Arbeitsfensters oder werden hiermit verbunden veränderte Schichteigenschaften in ihrem Ausmaß quantitativ erfasst. Die Analyse derartiger Kennfelder unterstützt also die Planung von neuen Rezepturen und die Festlegung von Prozessparametern. Dies gilt auch für das zentrale Problem des Upscalings, also die Anpassung von im Labormaßstab entwickelten Prozessparametern an die Gegebenheiten eines industriellen Einsatzes. Zusätzlich können aus den Kennfeldern eines bekannten, im Betrieb eingesetzten Elektrolyten die für definierte Prozessparameter sich ergebenden Schichteigenschaften vorausgesagt und umgekehrt für gewünschte Schichteigenschaften das relevante Prozessfenster abgelesen werden (Reengineering). Im Vorhaben wurden exemplarisch am Beispiel der alkalischen Zink und Zink-Nickel- Legierungsabscheidung eine Reihe auch theoretischer Ansätze mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad verfolgt. Während sich im Makrobereich (Hydrodynamik, Stofftransport) bewähr te Finite-Element-Theorien anwenden lassen, ergeben sich im Mikrobereich (Keimbildung, MikroStruktur) nur wenig belastbare Ergebnisse. Dies stützt die eingangs erwähnte Feststellung, dass eine ganzheitliche Systembestimmung auf Basis theoretischer Zusammenhänge derzeit nicht möglich ist, und zeigt deutlich die Stärken der im Vorhaben entwickelten Kennfeldbetrachtung.
  • Publication
    Optimierung von Prozessparametern sowie Praxiserfahrung
    ( 2010)
    Paatsch, W.
    ;
    Mollath, G.
    Wegen der komplexen Zusammenhänge und des häufig nichtlinearen Verhaltens der grundlegenden elektrochemischen Vorgänge bei der galvanotechnischen Entwicklung und Abscheidung funktioneller Schichten ist eine rein mathematische Behandlung der Prozessfolge von der Keimbildung bis zur Schicht mit den gewünschten funktionellen Eigenschaften beim derzeitigen Kenntnisstand auszuschließen. Dennoch sind Teilaspekte, wie beispielsweise die homogene Schichtdickenverteilung auf geometrisch komplex geformten Substraten, mathematisch und prozesstechnisch zufriedenstellend zu lösen, wie etwa das Beispiel einer Maß-Hartverchromung von Bauteilen für die Common-Rail-Technik in der Automobilindustrie zeigt. Es ist nicht auszuschließen, dass bei Definition geeigneter Kenngrößen des Gesamtprozesses eine stärker gezielte Korrelation zwischen der Elektrochemie der Abscheidung und den Funktionseigenschaften der Schichten möglich ist. Eine besondere Problematik in der Zielsetzung besteht in der Mehrdimensionalität der Prozessabläufe: Die Keimbildung und die beginnende Schichtbildung betreffen den atomaren Maßstab, während die geometrischen Dimensionen bei der Abscheidung etwa im Mikro- bis Millimeterbereich und bei den Bauteilabmessungen meist im oberen Zentimeterbereich liegen. Daher wird bei der Modellbildung und Simulation zwischen dem Mikrobereich (Keimbildung und -wachstum, Doppelschichtdynamik) und dem Makrobereich (Potential-, Stromdichteverteilung, Strömungsfeld) unterschieden. Durch die Definition von Kenngrößen für die Zusammensetzung des Elektrolyten, seine Betriebsart, für die Mikrostruktur sowie funktionellen Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten lassen sich für deren Abhängigkeit von Prozessparametern Kennfelder ermitteln. Durch Nutzung neuronaler Netze können ohne längere Rechenzeiten Korrelationen zwischen den elementaren elektrochemischen Prozessen und den funktionellen Schichteigenschaften ermittelt werden. Dies kann in der Praxis zu einer stärker zielgerichteten Arbeitsweise und Einsparungen führen.