In-line Galvanikautomat für High-Speed-Funktionalisierung metallischer Bauteile in der Industrie 4.0

Teilprojekt ISAT: Beeinflussung des Transportes reaktiver Spezies im elektrochemischen Beschichtungsprozess mittels akustischer Oberflächenwellen

Förderprogramm: KMU NetC

Projektziel von InlinePlat ist die Entwicklung eines modularen vollautomatischen Hochgeschwindigkeits-Galvanisiermoduls, das als flexible Fertigungszelle in mechanische Produktionslinien integrierbar ist. Neben der Übertragung fortschrittlicher Automations-, Prozesssteuerungs- und IT-Lösungen auf die elektrochemische Prozesstechnik, mit der hier ein Industrie 4.0 kompatibles Fertigungskonzept realisiert wird, wird auch ein neuartiger Ansatz der elektrochemischen Schichtabscheidung entwickelt. Dieser verbindet eine Kontrolle des Antransports der reaktiven Spezies aus dem Elektrolyten durch akustische Verfahren und des Ladungsdurchtritts zur metallischen Abscheidung durch Pulsverfahren. Die akustischen Verfahren unterscheiden sich von klassischen Ultraschalltechnologien durch den Einsatz sogenannter akustischer Oberflächenwellen. Diese werden über eine im Vorhaben zu entwickelnde und in industrierelevanter Einsatzumgebung zu testender Schallerzeugungseinheit unmittelbar auf der Werkstückoberfläche angeregt. Über die auf der Werkstückoberfläche angeregten Oberflächenwellen wird eine Wirbelströmung an der Grenzfläche induziert, wodurch ein Abbau der transporthemmenden Diffusionsgrenzschicht erfolgt. Durch Kombination der akustischen Methode mit Pulsverfahren kann eine Erhöhung der Abscheidungsgeschwindigkeit durch eine angepasste Feldverteilung und eine verbesserte Funktionalität der Schicht erreicht werden. Für die Verwertung der Ergebnisse soll im Rahmen eines Joint Ventures das in der Galvanik neue Geschäftsmodell des Leistungs-Contractings erprobt werden.

Ziel des Teilvorhabens des ISAT ist die Beschleunigung der galvanischen Abscheidung auf metallischen Werkstücken mittels akustisch induzierter Wirbelströmungen an der Grenzfläche Elektrode-Elektrolyt und eine Weiterentwicklung der akustischen Prozessbeschleunigung mit Pulse Plating-Verfahren. Die akustisch induzierten Strömungen sollen erzeugt werden, indem unmittelbar auf dem Werkstück (Kathode) über eine im Vorhaben zu entwickelnde Schalleinkopplungsvorrichtung eine Anregung akustischer Grenzflächenwellen (sog. Scholte- und Quasi-Scholteplatten-Wellen (QSP-Wellen)) erfolgt. Die angeregten Grenzflächenwellen sind dadurch gekennzeichnet, dass sie sich maximal mit der Geschwindigkeit der umgebenden Flüssigkeit ausbreiten und nicht in die umgebende Flüssigkeit auskoppeln. Aufgrund des evaneszenten Charakters der Wellen bleiben diese an das Werkstück gebunden und können sich auf diesem über große Entfernungen bei geringer Dämpfung ausbreiten. Die Wellen erzeugen im Elektrolyten selbst eine „akustische Grenzschicht“. Diese „akustische Grenzschicht“ entsteht in dem Bereich, in dem sich auch die elektrochemische Grenzschicht aufbaut, welche für die Limitierung des Ladungsträgertransportes verantwortlich ist. Werden die Grenzflächenwellen mit ausreichend hoher Schallintensität angeregt, so ist der Energieübertrag in die elektrodennahe Flüssigkeit groß genug, um in der elektrochemischen Grenzschicht Wirbelströmungen (sog. Schlichting-Strömung) zu erzeugen. Über die Wirbelströmungen erfolgt ein Abbau bzw. eine Ausdünnung der elektrochemischen Grenzschicht, wodurch die Stromdichte erhöht und der galvanische Abscheideprozess beschleunigt werden kann.

In einem weiteren Entwicklungsschritt soll eine Kombination des akustischen Verfahrens mit der Pulse Plating-Technologie erfolgen. Hierzu soll die Wechselwirkung zwischen Pulse Plating und akustischer Wellenanregung systematisch untersucht und die Betriebsparameter beider Methoden zielgerichtet aneinander angepasst werden. Durch die Kombination beider Verfahren soll der Abscheideprozess signifikant beschleunigt und die Qualität der Schichten verbessert werden. Die Versuche zur Kombination des akustischen Verfahrens mit dem Pulse Plating-Verfahren erfolgen in enger Kooperation zwischen den beiden Instituten ISAT und Fraunhofer IPA.

Im zweiten Teil des Vorhabens soll ba eine Weiterentwicklung der akustischen Technologie zu einer in eine Technikumsanlage integrierbaren Schalleinheit bestehend aus Schallkopf und Leistungselektronik erfolgen. Ziel ist ein Upscaling der akustischen Komponenten vom Labormaßstab  bis hin zur Technikumsanlage zur Abschätzung der  Übertragbarkeit der Technologie auf produktionstechnische Systeme. Nach Abschluss der Versuche im Technikum und der InlinePlat-Anlage kann eine erste Abschätzung der Betriebskosten und eine Bewertung der Industrietauglichkeit des Verfahrens vorgenommen werden.