AnSim, Anwendungsorientierte Simulation zur Planung und Produktion maßgeschneiderter, elektrolytisch erzeugter Oberflächen

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.

Within the BMBF-supported project "Application-oriented Simulation for planning and production of customized, electrolytic generated surfaces (german AnSim: Anwendungsorientierten Simulation zur Planung und Produktion maßgeschneiderter, elektrolytisch erzeugter Oberflächen)" a methodology was developed to continuously describe the highly complex interrelationships between the composition of an electrolyte and the process parameters for deposition and performance of the plating. The analyses were exemplified for the deposition of zinc and zinc alloys. Neuronal networks will be injected with individual, discrete experimental results. Those are cross-linked, according to the functional chain of composition, process, deposition and performance. Based on the systematically survey of the injected networks characteristic maps will be established continuously. These characteristic maps allow a determination of optimal work environments. The analysis of such characteristic maps supports the planning of new compositions and determination of process parameters. This methodology of characteristic maps allows an excellent connection with simulation processes, with which the hydrodynamic and electrical boundary conditions on a workpiece in a plating cell are calculated for numerous finite elements. The information stored in the characteristic maps allows access without delays for computing. The short time required for computing enables reengineering as weil, for which a given function of layers the necessary recipes and process parameters are being searched for. The use of neuronal networks provides the possibility to enhance the model behaviour with subsequently gathered results. In addition to the trials virtual experiments can be executed in order to design characteristic maps. Virtual experiments rely on verified physical laws. In the proposed project was demonstrated by means of individual experiments how to structure phenomenological models. The participants in this project intent to transfer this methodology to related applications of electroplating processes. One major emphasis will be the pulse deposition.