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Simulation des elektrischen Feldes bei der Galvanisierung
Atotech ist weltweit führend bei Lösungen zur Oberflächenbeschichtung. Zur Optimierung eines Galvanisierungsprozesses analysierte CADFEM das elektrische Feld.

Analyse des elektrischen Feldes einer Galvanikzelle mit Ansys

Branche: Elektrotechnik/ElektronikFachgebiet: Multiphysics

Atotech beauftrage CADFEM mit einer nichtlinearen Simulationsanalyse des Galvanisierungsprozesses zur Ermittlung der Stromdichteverteilung und der zu erwartenden Schichtdicke.

Zusammenfassung

Aufgabe

Bei einem galvanischen Prozess hängen die lokale Dicke und Qualität der galvanischen Schicht von der lokalen elektrischen Stromdichte auf der Oberfläche der Teile ab. CADFEM untersuchte die Stromdichteverteilung über die Teile mit Hilfe einer elektrischen Feldanalyse und berechnete die resultierende Schichtdicke.

Lösung

Nach Anlegen der gegebenen Zellspannung oder des Stroms liefert die FEM-Analyse in Ansys die Stromdichteverteilung auf den Teilen. Die resultierende lokale Schichtdicke wird schließlich aus der lokalen Stromdichte, der gegebenen Beschichtungszeit und verschiedenen Koeffizienten berechnet.

Kundennutzen

Die Simulation ermöglicht die Optimierung der Galvanikzelle und der Teile.

Projekt Details

Aufgabenstellung

Bei einem galvanischen Prozess hängen die lokale Dicke und Qualität der galvanischen Schicht von der lokalen elektrischen Stromdichte auf der Oberfläche der Teile ab. Typischerweise ist die Stromdichte an Kanten am höchsten und in versenkten Bereichen der Oberfläche am niedrigsten. Die Stromdichteverteilung über die Teile wird mit Hilfe einer elektrischen Feldanalyse untersucht und die resultierende Schichtdicke berechnet.


Nutzen für den Kunden

Die Simulation ermöglicht die Optimierung der Galvanikzelle und der Teile:

  • Vorhersage von Schwankungen der Schichtdicke und der Qualität über die Teile in Verbindung mit der Positionen des Gestells.
  • Untersuchung der Wechselwirkung zwischen mehreren Teilen in einer Galvanikzelle.
  • Entwurf von Anodenformen, nichtleitenden Abschirmungen oder Modifizierung von Teilen für optimale Beschichtungsbedingungen.
  • Verringerung des Verbrauchs von Beschichtungsmaterial durch Homogenisierung der Schichten.

Lösung

Zur Berechnung des Stromleitungsfeldes wird ein FEM-Modell in Ansys aus dem Elektrolytvolumen der Galvanikzelle erstellt. Diesem FEM-Netz wird die Leitfähigkeit des Elektrolyten als Materialeigenschaft zugewiesen. An der Grenze zwischen metallischen Teilen und einem Elektrolyten entsteht ein lokaler Potentialabfall, der in einem nichtlinearen Verhältnis zur lokalen Stromdichte steht. Dieses Grenzpotential wird als "Überpotential" bezeichnet. Es beeinflusst die Stromdichteverteilung über die Teile und muss in einem Labor für jede spezifische Kombination von Metalloberfläche und Elektrolyt bestimmt werden. Sobald diese Funktion bekannt ist, kann sie als nichtlineare Oberflächen-Randbedingung in die Simulation implementiert werden. Nach Anlegen der gegebenen Zellspannung oder des Stroms liefert die FEM-Analyse die Stromdichteverteilung auf den Teilen. Die resultierende lokale Schichtdicke wird schließlich aus der lokalen Stromdichte, der gegebenen Beschichtungszeit und verschiedenen Koeffizienten berechnet.

Bilder: © Atotech


Berechnungsingenieur
Dr.-Ing. Jürgen Wibbeler

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