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Unter
Galvanotechnik sind alle Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Metallen
und Nichtmetallen zu verstehen, die zur Herstellung metallischer Überzüge aus Elektrolytlösungen und
Salzschmelzen durch den Transport von Ionen und Elektronen dienen.
Galvanotechnisch erzeugte Metallschichten und Überzüge besitzen, ihrem Verwendungszweck entsprechend,
bestimmte Eigenschaften und sind in der Lage, unterschiedlichste
Anforderungen ästhetischer
oder technischer Art zu erfüllen.
Heutzutage ist kaum vorstellbar, dass ein Industriebereich ohne
Einsatz galvanotechnisch beschichteter Teile auskommen kann.
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Hinsichtlich
der Qualität
und den damit verbundenen wirtschaftlichen Überlegungen werden seitens
der Konstrukteure und Ingenieure Forderungen an die galvanotechnisch
erzeugten Schichten gestellt. Eine wichtige Anforderung ist, dass
die Überzüge möglichst
geringe und gleichmäßige Dicke
haben. Diese Anforderung hängt
unter anderem von der Galvanisierdauer und der durchgesetzten Strommenge
ab. Somit ist die Dicke einer galvanischen Schicht proportional
der Stromdichte und der Expositionszeit. Während nun die Expositionszeit
relativ leicht überwacht
werden kann, ist dies für
die Stromdichte, die tatsächlich
auf der örtlichen
Oberfläche wirkt,
nicht so einfach. Der Grund dafür
ist, dass die örtliche
Stromdichte ihrerseits abhängig
von den Feldlinien ist, die sich zwischen Anode und Kathode bilden.
Diese Feldlinien konzentrieren sich an Spitzen, Ecken und Kanten
eines Bauteils, während
sie sich in Hohlräumen
und Vertiefungen vermindern. Da nun eine hohe Feldliniendichte eine
hohe Kathodenstromdichte zur Folge hat, herrscht zwar an den Spitzen
eine große
Niederschlagsdichte, in den Hohlräumen tritt dagegen nur eine
geringe oder überhaupt keine
Metallabscheidung auf. Diese örtlichen Schichtdickenunterschiede
können
beträchtlich
sein und sind umso ausgeprägter,
je stärker
profiliert die Bauteile sind Zusätzlich
zur Dicke des Niederschlags beeinflusst die Stromdichte aber auch
die Struktur und die Zusammensetzung der Überzüge, so dass sie einen entscheidenden
Einfluss auf die Bauteileigenschaften hat. Durch eine ungleichmäßige Beschichtung
besteht die Gefahr von Poren und Rissen. Die Stromdichtenverteilung
wird vor allem durch die Geometrie von Kathode, Anode und Elektrolytbehälter sowie
deren Anordnung zueinander bestimmt. Nur in einem idealisierten
Elektrolytbad, in dem Anode und Kathode die zwei gegenüberliegenden
Wände vollkommen
bedecken herrscht eine relativ gleichmäßige Stromdichtenverteilung.
Dieser Zustand wird allerdings in der Praxis selten erreicht. Das
grundsätzliche
Problem ist die Ermittlung der zwei- oder dreidimensionalen Stromdichtenverteilung
innerhalb des Elektrolytbads, damit eine ungleichförmige Verteilung
durch herkömmliche
Verfahren gezielt kompensiert werden kann.
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Eine
wirksame Abhilfe gegen die ungleichmäßige Schichtdickenverteilung
besteht darin, das Einebnungsvermögen des Elektrolyten, d. h.
deren Fähigkeit,
die Unregelmäßigkeiten
der Substratoberfläche
durch Abscheidung einer glatten Schicht auszugleichen, mit Hilfe
spezieller Zusätze
zu verbessern. Bei der herkömmlichen
Methode lässt
sich die gesamte Stromdichtenverteilung und speziell die Stromdichtenverteilung
im Bereich der Bauteilsoberfläche
durch eine geeignete Anodengeometrie oder durch leitende und nichtleitende
Hilfskathoden bzw. Blenden gleichförmiger gestalten.
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In
der Praxis wird oft versucht eine unhomogene Stromdichtenverteilung
durch langjährige
Erfahrung der Galvaniseure qualitativ vorherzusagen, um notwendige
Gegenmaßnahmen
zu ergreifen. Diese erfahrungsabhängige Methode ist jedoch als nichtquantitativ
und schwer reproduzierbar zu bewerten. Eine weitere Methode ist
der Einsatz von Computer und Simulationsprogrammen. Hierbei werden der
Simulationssoftware verschiedene notwendige Daten und Parameter,
wie die Dimensionen der Elektroden, deren Abstände zueinander sowie die Elektrolyteigenschaften,
zur Berechnung der Stromdichtenverteilung eingegeben. Die letzte
Methode ist im Gegensatz zum ersten Verfahren sehr theoretisch. Beiden
Methoden fehlt die experimentelle und quantitative Ermittlung der
Stromdichtenverteilung, damit gezielte, im ganzen Herstellungsprozess
reproduzierbare und zu verallgemeinernde Maßnahmen zur Homogenisierung
der Stromverteilung eingesetzt werden können.
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Im
der Apparatur von
US 2 802 182 wird
das Prinzip des Anlegewandlers genützt. Ein Ring aus einem hochpermeablen
Material wird als eine Messsonde einsetzt. Um den Ring ist ein Elektrokabel
gewickelt. Wenn der Ring in ein Elektrolytbad eintaucht, fließen pulsförmige Ionenströme durch
den Ring. Dadurch wird eine Spannung im Elektrokabel induziert, die
der Stromamplitude proportional ist. Es lassen sich dadurch die
Ionenströme
messen, wobei sehr geringe Messempfindlichkeiten vermutet werden.
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In
der Offenlegungsschrift
DE
36 31 476 A1 wird die Idee der Stromdichtenmessung über eine Magnetfeldmessung
mittels einer ringförmigen
Sonde, die einen Magnetfeldsensor enthält, vorgeschlagen. Während im
Verfahren von
US 2 802 182 oszillierende
Ionenströme
vorausgesetzt werden, kann das Verfahren von
DE 36 31 476 A1 auch für konstante
Ionenströme
eingesetzt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dreidimensionale Stromdichtenverteilung
im Elektrolytbad mit hoher örtlicher
Auflösung
zu ermögliche.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist in Anspruch 2 angegeben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen
Zeichnungen erläutert.
Sie zeigen:
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1 Unendliches
geradliniges zylindrisches stromdurchflossenes Kabel und das von
ihm erzeugte Magnetfeld,
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2 Messung
von Gleichströmen
mit Magnetfeldsensoren,
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3 Eine
Messsonde aus einem hochpermeablen paramagnetischen Joch und einem
Magnetfeldsensor,
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4 Eine
alternative und bessere Form für die
Messsonde der 3,
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5 Schematische
Darstellung einer Messanordnung,
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6 Schematische
Darstellung einer Messanordnung mit Einsatz von Robotik,
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7 Vereinfachte
Betrachtungen des Elektrolytbads von 5 oder 6 aus
der seitlichen (a) und oberen (b) senkrechten Perspektive,
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8 Eine
seitliche Perspektive des Elektrolytbads,
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9 Eine
sich nach rechts bewegende Messsonde mit deren Rasterzellen,
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10 Ergebnis
einer zweidimensionalen Messung, das auf dem Bildschirm des ansteuernden Rechners
grafisch erscheinen kann.
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In
der vorliegenden Erfindung wird die Tatsache zugrunde gelegt, dass
die von einem bestromten elektrischen Leiter an einem bestimmten
Ort erzeugte Magnetfeldstärke
H der Stromstärke
I direkt proportional ist. Eine Messung der Magnetfeldstärke H führt also
zur direkten Bestimmung der Stromstärke I. Zur Messung des Magnetfeldes
sind unterschiedliche Methoden anwendbar, wobei die Anwendung von
Magnetfeldsensoren heutzutage, wegen deren Flexibilität, industriell
sehr verbreitet ist.
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In
1 ist
ein unendliches, geradliniges, zylindrisches, stromdurchflossenes
Kabel (
1) aufgezeichnet. Aus den Maxwell-Gleichungen ergibt
sich für
die magnetische Feldstärke
dieses Kabels die Gleichung
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Das
vom Kabel erzeugte Magnetfeld H fällt also mit zunehmendem Abstand
r zum Stromkabel ab.
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Kommerziell
sind vor allem drei Arten von Magnetfeldsensoren erhältlich:
Feldplatten, Hallgeneratoren und magnetoresistiven Sensoren. 2 zeigt
eine Anordnung zur Strommessung. Durch den Gleichstrom I wird ein
Magnetfeld senkrecht auf der Sensorfläche erzeugt. Der Übersichtlichkeit
halber sind die Zuführungskabel
des Sensors nicht eingezeichnet. Hierbei lasst sich der durch die
Stromschiene (3) fließende
Strom nach einer Magnetfeldmessung mit Hilfe eines Magnetfeldsensors
(2) gemäß Gl. 1
errechnen.
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Im
Elektrolytbad hat man nicht das Stromkabel (1) oder die
Stromschiene (3), wie in 1 bzw. 2,
als Strommedium, sondern eine Elektrolytlösung. Die elektrische Leitfähigkeit
der wässerigen Elektrolyte
beruht, im Gegensatz zu Elektron leitenden Metallen, auf der Bewegung
der Ionen. Da Gl. 1 keine prinzipielle Einschränkung zur Art oder Beschaffenheit
des leitenden Mediums enthält,
kann sie auch für
das flüssige
leitende Medium der Galvanik, d. h. den Elektrolyten oder die Elektrolytlösung herangezogen
werden.
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Das
Herzstück
der vorliegenden Erfindung – die
Messsonde – besteht
aus einem hochpermeablen paramagnetischen Joch (4) und
einem Magnetfeldsensor (2). 3 demonstriert
das schematische Bild einer Messsonde (5). Der Magnetfeldsensor
(2) ist so im Arm vom Joch (4) platziert, dass
der Magnetfeldsensor (2) der hochmöglichsten Magnetfeldstärke ausgesetzt
ist und folglich in der Lage ist mit hoher Präzision die Magnetfeldstärke zu messen.
Die Messsonde (5) soll gänzlich mit einem nicht leitenden Material – nicht
in 3 aufgezeichnet – dünn beschichtet sein, das zugleich
im chemisch aggressiven Medium des Elektrolytbads sehr beständig ist. Ein
guter Kandidat für
das Beschichtungsmaterial wäre
das Teflon. Wenn die Messsonde (5) in der Elektrolytlösung in
eine Position gebracht wird, so dass der elektrische Elektrolytstrom
I durch die Messfläche
(6) fließt,
erfährt
der Magnetfeldsensor (2) eine Magnetfeldstärke H, das
gemäß Gl. 1
dem Strom I proportional ist. Die Feldstärke H wird nur von dem durch
die Messfläche
(6) fließenden
Anteil des Elektrolytstroms verursacht. Die Magnetfeldbeiträge aller sich
außerhalb
des Jochs bewegenden Ionen bzw. Ströme heben sich laut der elektromagnetischen Theorie
exakt auf. Diese Ströme
haben also keinen Einfluss auf die vom Magnetfeldsensor (2)
erfassten Magnetfelder. Infolgedessen ist die Feldstärke H ein Maß für die Höhe der durch
die Messfläche
(6) fließenden
elektrischen Ströme.
Da der Magnetfeldsensor (2) vom hochpermeablen Joch (4)
umgeben ist erfährt
er in der Tat die Feldinduktion B = μH, wobei μ die Permeabilität des Jochmaterials
ist. In einem guten paramagnetischen Stoff gilt μ >> 1.
Die hohe Permeabilität
des Jochmaterials hilft zur besseren Bündlung und Feldverstärkung in
unmittelbarer Nähe
des Magnetfeldsensors (2) und infolgedessen zur Erhöhung der
Messgenauigkeit.
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4a zeigt eine alternative Form für die Messsonde
(5) der 3. Die Arme des Jochs (4) sind
aus der senkrechten Perspektive zur Stromrichtung schmal, was eine
geringere Beeinflussung und Verformung der Stromlinien durch die
Messsonde (5) selbst und eine höherer Mess- und Rasterauflösung (s.
folgenden Text) verspricht. Der Magnetfeldsensor (2) ist
im Arm des Jochs (4) der Messsonde (5) platziert. 4a zeigt die Frontseite senkrecht auf
der Stromrichtung, während 4b eine 3D-Darstellung der Messsonde (5)
zum besseren Verständnis
zeigt. Das Beschichtungsmaterial ist nicht dargestellt. In 4c ist die Messsonde (5) mit
einem elektrisch nicht leitenden Material beschichtet. Da der Magnetfeldsensor
(2) in einer Ecke der Messsonde (5) liegt, wird
sowohl die Kabeldurchführung
(7) als auch die Halterung (8) vereinfacht. Eine
Seitenlänge
und frontale Dicke von ca. 4 cm bzw. 1,5 mm sind für die Messsonde
(5) denkbar.
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Wird
eine in einem Elektrolytbad eingetauchte Messsonde (5)
in dem Raum zwischen der Anode und Kathode so bewegt, dass der elektrische
Strom durch die Messfläche
(6) fließen
kann, lässt
sich die Stromdichte ortsabhängig,
wie oben beschrieben, bestimmen. Im Optimalfall ist die Messfläche (6)
parallel zu der Kathode, damit der höchste Strom durch die Messfläche (6)
fließt.
Durch eine geeignete horizontale und vertikale Bewegung der Messsonde
(5), idealerweise senkrecht auf der Stromrichtung, kann die
Stromdichte entlang der x-, y- und z-Achse des dreidimensionalen
Raums gemessen und folglich die dreidimensionale Stromdichtenverteilung
bestimmt werden.
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Die
Messanordnung (9) in 5 ist ein
Ausführungsbeispiel
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Die Messsonde (5)
hängt zwischen
der Anode (10) und Kathode (11) bzw. dem zu beschichtenden
Werkstück
in der Elektrolytlösung
(12) des Elektrolytbads (13) auf. Der ganze Volumenbereich zwischen
der Anode (10) und Kathode (11) kann mithilfe
eines mechanischen Ansteuersystems, wie in 5 dargestellt,
erfasst werden. Der Ansteuermotor (14) dreht die horizontale
Ansteuerungsachse (15) und schiebt die vertikale Ansteuerungsachse (16)
unabhängig
voneinander. Mithilfe der Gewinde und Zähne der Ansteuerungsachsen
(15) bzw. (16) kann der Ansteuermotor (14)
sich selbst und die an der Ansteuerungsachse (16) aufgehängte Messsonde
(5) entlang der x-Achse (17) und z-Achse (18)
bewegen. Eine horizontale Bewegung der Messsonde (5) entlang
der y-Achse (19) kann mithilfe von Ansteuermotoren (20)
und (21) realisiert werden. Die Ansteuermotoren (20)
und (21) drehen synchron die Ansteuerungsachsen (22)
und (23), und die Ansteuermotoren (20) und (21)
bewegen sich über
den Schienen (24) bzw. (25). Folglich wird die
Messsonde (5) entlang der y-Achse (19) bewegt.
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Zur
Sicherheit und zum Schutz vor Korrosion empfiehlt sich ein Ansteuerungssystem,
d. h. Teile mit Bezugszeichen von (14) bis einschließlich (25), aus
Materialen, die sich im Elektrolytbad (13) chemisch neutral
verhalten. Dies betrifft vor allem die Ansteuerungsachse (16),
wenn sie zusammen mit der Messsonde (5) in der Elektrolytlösung (12)
eintauchen muss. In diesem Fall muss die Ansteuerungsachse (16)
zusätzlich
elektrisch nicht leitend sein.
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Es
ist prinzipiell und praktisch in den meisten Fällen eine zweidimensionale
Messung auf der xz-Ebene ausreichend, um sich ein Bild von der Stromdichtenverteilung
zu verschaffen. Aus diesem Grund und auch der Einfachheit halber
wird in der folgenden Beschreibung eine zweidimensionale Messung
hervorgehoben.
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Das
in 5 dargestellte mechanische Ansteuerungssystem
zur Bewegungen der Messsonde (5) kann auch durch ein pneumatisches,
hydraulisches oder irgendein anderes unter Einsatz von Robotik erfolgen. 6 zeigt
schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Das Ansteuerungssystem
in 5, d. h. Teile mit Bezugszeichen von (14)
bis einschließlich (25),
kann durch das Robotikmodul (26), wie in 6 dargestellt,
ersetzt werden. Dieses Ausführungsbeispiel
ist sehr einfach und flexibel. Das Robotikmodul kann als Modul,
unabhängig
vom Typ des Elektrolytbads, in unterschiedlichen Elektrolytbädern eingesetzt
werden. Die Messsonde (5) wird mit Hilfe von einem kompakten
Robotikmodul (26) in der Elektrolytlösung (12) bewegt.
Eine computergesteuerte Bewegung der Messsonde (5) ermöglicht,
dass zusätzlich
die Krümmungen
der Kathode (11) berücksichtigt werden.
Hierbei wird auch eine Drehung des Robotikarms (27) um
die z-Achse (18) möglich,
damit die Messfläche
(6) stets parallel zu der Fläche der Kathode (11)
hängt.
Dadurch wird eine Messung der Stromverteilung im 360°-Raum um
die Kathode (11), in ihrer unmittelbaren Nähe, realisierbar.
Der Algorithmus des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zur Bewegung
der Messsonde (5) und Erfassung der Region zwischen der
Anode (10) und Kathode (11) ist unabhängig von
den Ansteuerungssystemen der beiden oben erwähnten Ausführungsbeispiele.
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Die
Messauflösung
beschränkt
sich anfangs auf die Abmessungen der Messsonde (5), da
es sich zunächst
um die Messung des elektrischen Stroms handelt, der durch die Messfläche (6)
fließt.
Um die Messauflösung
zu erhöhen
wird die Bewegung der Messsonde (5) nach dem Mess- und
Abtastalgorithmus der vorliegenden Erfindung erfolgen. Dadurch lasst
sich die Messauflösung
erheblich erhöhen.
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Die
Voraussetzung für
den Mess- und Abtastalgorithmus der vorliegenden Erfindung ist,
dass in den zwei seitlich links und rechts parallel zur Messsonde
sowie in den zwei oben und unten senkrecht auf der Messsonde am
Rande des Elektrolytbads stehenden Elektrolytregionen kein elektrischer
Strom fließt.
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Diese
Voraussetzung kann v. a. dadurch realisiert werden, dass die Abmessungen
des Elektrolytbads (13) im Vergleich zu den Elektroden
groß genug sind,
so dass solche Nullstromregionen entstehen können. 7a und 7b stellen vereinfachte Betrachtungen des
Elektrolytbads von 5 aus der seitlichen senkrechten
bzw. oberen senkrechten Perspektive dar. Die Stromlinien (28)
fangen von der Anode (10) an und enden in der Kathode (11).
Die Nullstromregionen (29), in 7 schattiert,
sind mindestens so breit oder hoch wie die Messsonde (5),
so dass die Messsonde (5) im Ganzen in einer Nullstromregion (29)
enthalten und keinem elektrischen Strom ausgesetzt werden kann.
Während
der Fahrt auf der Streck (30), erfasst die Messsonde (5)
die örtliche
Stromstärke.
In meisten Fällen
ist der durchgescannte Querschnitt (32) der Stromregion
(31) vergleichbar mit dem Querschnitt der Kathode (11)
oder des Werkstücks
oder der Anode (10). In dem in 7 darstellten
Beispiel ist der erfasste Querschnitt (32) der Stromregion
(31) größer als
der Querschnitt der Kathode (11).
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8 zeigt
eine seitliche Perspektive des Elektrolytbads. Bezogen auf 7 überschreitet
der erfasste Querschnitt (32) der Stromregion (31)
den Kathodenquerschnitt.
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In 8 sind
drei verschiedene Positionen (34), (35) und (36)
der Messsonde (5) aufgezeichnet worden. In Position (34)
befindet sich die Messsonde (5) in der obersten linken
Nullstromregion (29) und wird mit Hilfe vom Ansteuermotor
(14) mit konstanter Geschwindigkeit V nach rechts gefahren.
Die Stromstärke
wird sequentiell nach Ablauf eines Zeitfensters ΔT laut der oben beschriebenen
Methode durch Messung des Magnetfeldes bestimmt. Die Abtastrate
ist somit gleich 1/ΔT
pro Zeiteinheit. Während
des Zeitfensters ΔT
hat die Messsonde (5) dann, wie in 8 gezeigt,
die Distanz Δx
= V/ΔT zurückgelegt.
Solange die Messsonde (5) sich in der Nullstromregion (29) befindet,
sollen alle abgetasteten Messwerte im Rahmen der Messgenauigkeit
gleich Null oder einem bekannten Hintergrundwert sein. Folglich
wird keine Änderung
der Strommesswerte während
der ersten Fahrt nach rechts bis zu der rechten Wand des Elektrolytbads
detektiert. Nach Erreichung der rechten Wand des Elektrolytbads
bevor die Messsonde (5) wieder nach links zur linken Wand
des Elektrolytbads (33) fährt wird sie vom Ansteuermotor
(14) vertikal um den Abstand Δz nach unten verlegt. Somit
ist die zweite Fahrt nach links, bezogen auf der ersten Fahrt, um
einen Abstand Δz
tiefer.
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Jedes
Mal, wenn die Messsonde die linke oder rechte Wand des Elektrolytbads
(33) erreicht, wird sie um einen Abstand Δz nach unten
versetzt. Die Linksrechts- und Rechtslinksfahrten wiederholen sich
bis die Messsonde Position (35) erreicht, wo sie sich zum
ersten Mal nicht mehr gänzlich
in der Nullstromregion (29) befindet. Sobald die Messsonde
in Position (35) in die Stromregion (31) eintritt,
wird die unterste rechte Ecke (37) der Messsonde, mit der Breite Δx, einem
höheren
Strom ausgesetzt, es wird folglich ein stärkerer Strom gemessen. Während einer
Rechtslinksfahrt tritt die unterste linke Ecke (38) der
Messsonde (5) in Position (35) als erster Bereich der
Messsonde in die Stromregion (31) ein.
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Die
Messauflösung
ist demzufolge gleich der rechteckigen Rasterzelle (39)
mit der Flächengröße Δx × Δz. Bei einer
Linksrechtsfahrt ist der Strombeitrag der Rasterzelle in der untersten
rechten Ecke (37) der Messsonde der einzige unbekannt Strombeitrag
innerhalb der Messsonde. Bei einer Rechtslinksfahrt wird im Gegenteil
die unterste linke Ecke (38) der Messsonde der einzige
zu ermittelnde unbekannte Strombeitrag innerhalb der Messzelle.
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Bei
einer Linksrechtsfahrt ist der Strombeitrag der Messsondenecke (37)
beim ersten Eintritt der Messsonde von der Nullstromregion (29)
in die Stromregion (31) der einzige Strombeitrag. Bei einer Rechtslinksfahrt
ist der Strombeitrag der Messsondenecke (38) beim ersten
Eintritt der Messsonde (5) von der Nullstromregion (29)
in die Stromregion (31) der einzige Strombeitrag. Im allgemeinen
Fall, wenn die Messsonde (5) sich gänzlich in der Stromregion (31)
befindet und bewegt, müssen
die Strombeiträge aller
Bereiche der Messsonde (5) berücksichtigt werden. Mit Hilfe
des Algorithmus der vorliegenden Erfindung lasst sich die Beiträge der Messsondenecken (37)
und (38) ermitteln.
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Es
wurde in dieser Beschreibung davon ausgegangen, dass die vertikalen
Versetzungen der Messsonde (5) entlang der z-Achse (18)
von oben nach unten erfolgen. Wenn aber bei einer Anwendung eine
vertikale Bewegung von unten nach oben notwendig wird, sind die
Strombeiträge
der obersten linken und obersten rechten Ecke der Messsonde (5) die
relevanten Beiträge,
die bestimmt werden.
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9 zeigt
eine sich nach rechts bewegende Messsonde (5) in der Position
(40) und in der darauf folgenden Position (41).
Die Messfläche
(6) besteht aus 5 × 5
= 25 Rasterzellen. Da in Position (41) die Summe der Strombeiträge IS aller Rasterzellen und der Strombeitrag
IE jeder einzelnen Rasterzelle, außer dem
Strombeitrag i der untersten rechten Messsondenecke (37)
aus den früheren
Messungen bekannt sind, lässt
sich der unbekannte Strombeitrag der untersten rechten Messsondenecke
(37) durch die simple Operation i = IS – IE ermitteln.
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Im
Zuge vom Hin- und Herscannen durch die Messsonde (5) werden
die Strombeiträge
aller Rasterzellen (39) bestimmt. Der Strombeitrag jeder
Rasterzelle (39) wird gleich nach der Ermittlung elektronisch
z. B. in einem Computer gespeichert. Somit wird die zweidimensionale
Stromdichtenverteilung des gesamten bereits durchgescannten Querschnittes
des Elektrolytbads ermittelt.
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10 zeigt
schematisch das Ergebnis einer zweidimensionalen Messung, das auf
dem Bildschirm (42) eines Rechners grafisch erscheinen kann.
Die helleren Graustufen repräsentieren
Rasterzellen (39) mit höheren
Stromstärken.
Hierbei ist der Übersichtlichkeit
halber eine Messsonde (5) verwendet worden, deren Messauflösung niedrig
ist. Die Messfläche
(6) ist gleich der Fläche
von nur 3 × 3
= 9 Rasterzellen (39).
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Um
die dreidimensionale Stromdichtenverteilung zu ermitteln, muss die
Messsonde (5) nach dem Abschluss der Bestimmung einer zweidimensionalen
Stromdichtenverteilung, wie in 5 gezeigt, um
die Länge Δy entlang
der y-Achse (19) verlegt werden. Daraufhin wird die nächste zweidimensionale
Messung, wie oben geschildert, durchgeführt. Dieser Prozess wiederholt
sich bis das erwünschte
Volumen vollständig
erfasst wird. Die dreidimensionale Messauflösung ist in dem Fall gleich
der Volumengröße Δx × Δy × Δz der dreidimensionalen
Rasterzelle.
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Durch
die Anordnung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung lasst
sich eine genaue quantitative Information über die Stromdichtenverteilung in
einem Elektrolytbad verschaffen und die Basisqualität der Produkte
vor dem Beginn einer Produktionscharge überprüfbar machen. Eine stark inhomogene Stromdichtenverteilung
kann v. a. zur Beeinträchtigung
der Qualität
der galvanisierten Werkstücke
mit unvorhersehbaren und kostenintensiven Konsequenzen führen. Durch
die einfache Visualisierung der Stromdichtenverteilung lassen sich
gezielte Gegenmaßnahmen,
z. B. der Einsatz von leitenden und nicht leitenden Hilfskathoden
oder Blenden ergreifen und das Resultat der Maßnahmen in relativ kurzer Zeit überprüfen.
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Vorteilhaft
ist das vorliegende Verfahren auch bei der Qualitätssicherung,
wenn ein zu beauftragender Galvaniseur seinen Kunden die Güte seiner
Produktionsprozesse bzw. seines Produkts vorweisen möchte, bevor
der Auftrag erteilt wird.
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Vorteilhaft
ist das vorliegende Verfahren auch, wenn eine gezielte Schichtdickenverteilung
gefragt ist. Diese lässt
sich relativ einfach durch die Daten der Stromdichtenverteilung
ermitteln, da die Schichtdicke der elektrischen Stromstärke proportional
ist.
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- 1
- zylindrisches
stromdurchflossenes Kabel
- 2
- Magnetfeldsensor
- 3
- Stromschiene
- 4
- Joch
- 5
- Messsonde
- 6
- Messfläche
- 7
- Kabelzu- & -ausführung
- 8
- Halterung
- 9
- Anordnung
- 10
- Anode
- 11
- Kathode
- 12
- Elektrolytlösung
- 13
- Elektrolytbad
- 14
- Ansteuermotor
- 15
- Ansteuerungsachse
entlang der x-Achse
- 16
- Ansteuerungsachse
entlang der z-Achse
- 17
- x-Achse
- 18
- z-Achse
- 19
- y-Achse
- 20,
21
- Ansteuermotor
- 22,
23
- Ansteuerungsachse
entlang der y-Achse
- 24,
25
- Schiene
- 26
- Robotikmodul
- 27
- Robotikarm
- 28
- Stromlinie
- 29
- Nullstromregion
- 30
- Fahrstrecke
- 31
- Stromregion
- 32
- Querschnitt
der erfassten Stromregion
- 33
- Wand
des Elektrolytbads
- 34,
35, 36
- Messzellenposition
- 37
- Unterste
rechte Messzellenecke
- 38
- Unterste
linke Messzellenecke
- 39
- Rasterzelle
- 40,
41
- Messzellenposition
- 42
- Bildschirm
des ansteuernden Rechners
- Δx
- Breite
einer Rasterzelle
- Δy
- Tiefe
einer Rasterzelle
- Δz
- Höhe einer
Rasterzel
