DE2605669C3

DE2605669C3 - Verfahren und Anlage zur Regelung der kathodischen Stromdichte in galvanischen Bädern

Info

Publication number: DE2605669C3
Application number: DE2605669A
Authority: DE
Inventors: Hans-Georg 2000 Hamburg Winkler
Original assignee: Ed Rode Kg 2000 Hamburg De
Current assignee: Ed Rode Kg 2000 Hamburg De
Priority date: 1976-02-13
Filing date: 1976-02-13
Publication date: 1982-11-18
Also published as: US4100036A; DE2605669A1; DE2605669B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Regelung der kathodischen Stromdichte in galvanischen Bädern von insbesondere automatischen Galvanisieranlagen mit mindestens einem steuerbaren Netzgerät, mit dem der Galvanisierstrom / bzw. die Galvanisierspannung U unter Berücksichtigung der für das jeweilige Galvanisierbad optimalen Stromdichte /0 und der Fläche A der zu galvanisierenden Teile auf die zur Erzeugung von /0 benötigten Werte Ua bzw. U eingeregelt wird.

Elektrolyte bzw. galvanische Bäder zur Durchführung von Metallabscheidungen auf metallischen Gegenständen sind meistens so beschaffen, daß sie nur in bestimmten kathodischen Stromdichtebandbreiten optimale Abscheidungseigenschaften besitzen. Bei einer Metallabscheidung außerhalb dieser spezifischen Bandbreite zeigen die erzielten Niederschläge oft Eigenschaften, die erheblich von denen der im zulässigen Stromdichtebereich erzielt-n Niederschläge abweichen. Es ist daher wünschenswert, die Metallabscheidung auf einem zu veredelnden Gegenstand mit definierter Stromdichte zu betreiben. Auch zur Erzielung vorgegebener Schichtstärken ist die definierte Stromdichte eine Voraussetzung, da nur die Stromdichte repräsentativ für den in der Zeiteinheit und pro Flächeneinheit erfolgenden Ladungstransport ist.

Im Prinzip könnte man eine Stromdichtebestimmung über eine Bestimmung der Fläche des zu galvanisierenden Teiles vornehmen. Es wird in der Tat auch so verfahren, daß man entweder direkte Flächenbestimmungen oder -messungen vornimmt oder bei bestimmten Teilen mit bekannter Formgebung aus dem Gewicht eine Flächenbestimmung durchführt. Mit den ermittelten Daten für die zu galvanisierende Fläche läßt sich über die gewünschte optimale Stromdichte /0 der erforderliche Galvanisierstrom berechnen und eine Stromregelung in herkömmlicher Weise im wesentlichen über die gesamte Expositionszeit erreichen.

Bei kompliziert geformten Gegenständen mit schwer bestimmbaren Oberflächen, wie sie zum Beispiel bei der Galvanisierung von Leiterplatten bzw. gedruckten Schaltungen auftreten, ist der Weg über die Oberflächenbestimmung praktisch nicht gangbar. Dieser Weg ist vor allem auch dann nicht gangbar, wenn vollautomatische Galvanisieranlagen mit unterschiedlichem Galvanisiergut beschickt werden. Im übrigen ist auch vor allem bei kleinen Stückzahlen die häufig praktizierte Methode auszuschließen, bei der die eigentlichen Betriebsdaten aus einer Schichtdickenbe-

Stimmung einer Probecharge ermittelt werden.

Man geht bei vollautomatischen Anlagen oft so vor, daß man eine Speisung mit Konstantspannung vornimmt Dabei wird die Spannung an den Speisepunkten der Gestellaufhängung für die zu galvanisierenden Teile »konstant« geregelt. Dieser Methode haftet jedoch der Mangel an, daß der »elektrische Weg« zwischen der Gestellaufhängur>g und der Potentialzone der Kathodenoberfläche, in der die Metallabscheidung stattfindet, zu lang ist Das bedeutet daß das geforderte Abscheidungspotential der Kathode gegen den Elektrolyten an den Speisepunkten sehr verfälscht in Erscheinung tritt

Da die Systemspannung, also die am technischen System abfallende Spannung, in der Größenordnung des Abscheidungspotentials liegen kann, erweist es sich also, daß die Anwendung von Konstantspannung zur Regelung der Stromdichte sicher dann nicht sinnvoll ist, wenn in automatischen Anlagen Gestelle mit unterschiedlichem Gaivariisiergüt beschickt werden.

Es gibt auch Verfahren, bei denen üb-r eine Hilfselektrode mit Hilfe einer hochohrnigen Pofentialmessung das Abscheidungspotential an der Kathode gemessen wird. Auch diese Methode wird von anlagebedingten Faktoren beeinflußt und ist höchstens geeignet, einen bekanntea Abscheidungsverlauf konstant zu halten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens, mit dem man insbesondere bei automatischen Galvanisieranlagen für unterschiedliche Galvanisiergüter mit unbekannten oder weitgehend unbekannten Oberflächen den Galvanisierstrom bzw. die Galvanisierspannung so regeln kann, daß man eine durch den verwendeten Elektrolyten als optimal vorgegebene Stromdichte während der Expositionszeit erreichen und einhalten kann. Weiterhin soll eine vorteilhafte Anlage zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen werden.

Zu diesem Zweck wird das eingangs erwähnte Verfahren erfindungsgemäß so weitergebildet, daß eine Hilfsfunktion F für die gegenseitige Abhängigkeit der Galvanisierspannung Uund des Galvanisierstroms /mit /o als Parameter rechnerisch und/oder meßtechnisch ermittelt wird und daß, ausgehend von einem frei gewählten Anfangswert U\ oder Z₁, aui iterativem Weg und unter Einstellung von aus der Funktion F ermittelten Zwischenwerter. LJ oder / schließlich der Galvanisierstrom U oder die Galvanisierspannung Ua schrittweise und zumindest mit vorbestimmbarer Annäherung eingeregelt wird.

Wenn man davon ausgehen kann, daß· die Funktion F. also beispielsweise U=i(I)p, eine stetige Funktion ist, wird die Reihe /„ gepen den Wert U konvergieren. Die Genauigkeit hängt u. a. von der Anzahl der Regelschritte ab.

Damit ist es möglich, mit endlich vielen Regelschritten dem Wert Ia und damit der durch den Elektrolyten vorgegebenen und für das Verfahren besten Stromdichte /q beliebig nahezukommen, so daß nach dem iterativen Suchvorgang das Erreichen und auch die Einhaltung Ia mit einer selbstbesdmm'baren Genauig^ keit gewährleistet wird.

In Weiterer Ausgestaltung des Verfahrens kann so vorgegangen werden, Haß die Funktion iFals

()_lo(k

in einen das Netzgerät steuernden Leitrechner eingespeist wird, der die aus jeweils vorausgegangenen Werten für U oder / zu ermittelnden Zwischenwerte iterativ unter Verwendung der Funktion Fermittelt unu am Netzgerät bis zum Erreichen U_A oder I_A einstellt Dabei können die schrittweise einzuregelnden Sprünge von U oder / auf eine festgelegte Anzahl und/oder auf feste Werte eingestellt werden.

Die Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, daß zur Steuerung des Netzgerätes ein Leitrechner mit einem ίο Speicher vorgesehen ist, in den die Hilfsfunktion F eingespeist ist, und daß der Rechner jeweils den Galvanisierstrom oder die Galvanisierspannung mißt, in Vergleich zu den aus der Funktion F abzuleitenden Sollwerten setzt und das Netzgerät schrittweise auf die Sollwerte bis zum Erreichen von Ia oder Ua nachstellt

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der anliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Diagriujim, bei dem Galvanisierspannungen U über zugehörigen Galvanik Tströmen / als Funktion F aufgetragen sind, una zwar bei einer konstanten Stromdichte /ο als Parameter, und

Fig.2 schematisch eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bei der Ermittlung der Hilfsfunktion F geht man zunächst davon aus, daß der für das Galvanisierverfahren vorgesehene Elektrolyt bei einer bestimmten optimalen Stromdichte /ο die besten Abscheidungseigenschaften hat. Diese Stromdichte soll hei dem hier zu betrachtenden praktischen Fall beispielsweise 3A/dm² betragen.

In den Elektrolyten werden nacheinander galvanisierbare Teile eingebracht, die eine bekannte definierte Oberfläche haben. Aus der Stromdichte /ο und den zu behandelnden Oberflächen A kann man vorab die )5 Stromstärken I₃ berecnnen, die bei der jeweiligen Fläche A zur Erzeugung von /o erforderlich sind. Also ergeben sich bei /o = 3A/dm² und Flächen A ^von 1. 3, 5, 7 und 9 dm² notwendige Stromwerte Ia vor 3,9,15.21 und 27A.

Di ■ Stromwerte werden in entsprechender Folge wie die in das Galvanisierbad eingebrachten Flächen A am Netzgerät eingeregelt, so daß schließlich die sich einstellenden zugehörigen Spannungen Ua gemessen und beispielsweise in ein Diagramm eingetragen werden können. Somit ergibt sich nach Verbindung der einzelnen Meßpunkte schließlich der in Fig. 1 gezeigte Kurvenverlauf Fmit /oals Parameter.

Abweichend von dem vorerläuterten Verfahren zur Ermittlung der Funktion F kann auch so vorgegangen so werden, daß man diese Funktion aus der Kenntnis eines einzelner, Meßpunktes Ia, Ua rechnerisch durch Anpassung an Vergleichskurven ermittelt.

Außerdem besteht die Möglichkeit, daß die Funktion Fauch während des eigentlichen Galvanisie'vorganges am Arbeitsbad selbst oder an einem parallel betriebenen Pilotbad ermittelt wird.

Wenn es vorauszusehen ist, daß man eine Galvanisieranlage von Fi.il zu Fall mit unterschiedlichen Elektrolyten betreiben wird, wäre es natürlich sinnvoll, von vornherein die zu den Elektrolyten passenden Funktionen Fmit den jeweils optimalen Stromdichten J₀ zu ermitteln und in den Speicher des Leitrechners als Funktionsscharen einzugeben.

Praktisch kann nacitJem erfindungsgemäßen Verfahren folgendermaßen gearbeitet werden, Da man Galvanisiergut behandeln will, dessen Fläche nicht oder wenigstens weitgehend nicht bekannt ist, hat man also nicht die Möglichkeit, das Netzgerät gleich auf die

Spannung Ua bzw. den Strom U einzustellen, die bzw. der zum Erreichen der gewünschten Stromdichte J₀ erforderlich wäre. Man wird allerdings allein schon aus Erfahrung wissen, daß man mit einer am Netzgerät eingestellten Anfangsspannung U\ sicher unter U_A liegt, daß also U\ < Ua. Es wird somit eine entsprechend niedrigere Spannung U\ gewählt und am Netzgerät eingestellt.

Da unter den oben gemachten Voraussetzungen die tatsächlich zu galvanisierende Fläche größer sein wird als die Fläche, für die U\ zum Erreichen von /₀ ausreichen würde, wird sich ein Strom /₂ einstellen. Es gilt hierbei h>/ι, wobei U der Strom wäre, der nach dem Verlauf von F theoretisch der vorgewählten Spannung U\ zuzuordnen wäre.

Der Wert von h wird gemessen, und aus dem bekannten Verlauf von F wird der zugehörige Spannungswert Ui bestimmt und am Netzgerat eingestellt.

Bei Ui wird sich, falls Ui < Ua gilt, ein ebenfalls noch unter dem Verlauf von F liegender Stromwert /3 einstellen. Auch dieser wird gernessen. Dabei wird erkannt, daß /3 noch nicht zur Erzeugung der Stromdichte /0 ausreicht, und deshalb wird auf vorher beschriebene Weise eine höhere Spannung £Λ eingestellt, die schließlich h erzeugt. Diese Regelreihe setzt sich, wie in Fig. 1 angedeutet ist, unter kleiner werdenden Strom- und Spannungsschritten fort, bis man U und damit die günstigste Stromdichte J₀ ausreichend genau erreicht hat.

Diese Vorgänge, also die Messung der Zwischenwerte /₂. /3... und die nachfolgende Einstellung der Zwischenspannungswerte Ui, Ui... führt zweckmäßigerweise der das Netzgerät steuernde Leitrechner aus. und zwar unter Zugrundelegung der seinem Speicher eingegebenen Funktion F.

Beim vorher erläuterten Einstellvorgang werden die Spannungs- und Stromschritte bis zum Erreichen von Ia bzw. Ua₁ stetig kleiner, wobei im Prinzip die Anzahl der Regelschritte unbegrenzt sein könnte. Hinzuweisen ist bei dieser Gelegenheit allerdings darauf, daß man den »Suchvorgang« zweckmäßigerweise auf eine festgelegte und in den Rechner einprogrammierte Anzahl von Schritten begrenzen sollte. Außerdem könnte dem Rechner eingegeben werden, daß er das Netzgerät jeweils um konstante Beträge für die Zwischenwerte von U oder / nachstellt Außerdem wäre eine zeitlich festgelegte Folge von Meß- und Regelschritten möglich.

Hierbei ergeben sich Fälle, bei denen Lf₂ > F(I₂). Bei dieser Methode wäre das Verfahren dann abzubrechen, wenn der sich einstellende Stromwert I_n* 1 kleiner wäre als der nach dem Verlauf von Fzu Ungehörende Strom, so daß gilt

1„_+]<F(U_N),
Dann gilt die Beziehung

so daß man sich auch nach diesem Verfahren dem Wert Ia in geeigneter Weise beliebig genau annähern kann.
Die Gründe für das Ansetzen des relativ niedrigen

in Anfangswertes U\ < Ua wurden teilweise schon erläutert. Ausgeschlossen werden soll allerdings nicht der Weg. daß man sich dem Wert Ua bzw. Ia von höheren Spannungswerten aus nähert, wobei also U\ > Ua gelten wird. Weniger günstig erscheint diese Möglichkeit aber dann, wenn man durch eine höher als Ua liegende Anfangsspannung U\ den Abscheidungsvorgang ungünstig beeinflussen wird. Im übrigen sollte aus gleichen Gründen schließlich U\ auch nicht aiizu niedrig unter Ua angesetzt werden.

Weiterhin sei erwähnt, daß man nach dem beschriebenen Verfahren auch konstante Ströme als Zwischenwerte vorgeben kann, indem man etwa /1 < Ia am Netzgerät einstellt, die sich ergebende Spannung Ui< Ua mißt, anschließend einen nach der Funktion F zu lh gehörenden Strom h einregelt und sich so ebenfalls schrittweise Ua und damit der Optimalstromdichte/o nähert.

Die F i g. 2 zeigt vereinfacht eine Galvanisieranlage, die zur Durchführung der beschriebenen Verfahren

jo geeignet ist. Sie besteht aus einem Netzgerät 1, an dessen negativer Klemme das Galvanisiergut 2 liegt, das sich mit den beiden an die positive Netzgeräteklemme angeschlossenen Anoden 3 im Elektrolyten 4 befindet.

Das Netzgerät 1 wird mit einem Leitrechner 5

J5 gesteuert, der über die Meßleitungen 6, 7 den Galvanisierstrom und/oder über die Leitungen 7, 8 die jeweilige Galvanisierspannung mißt und auf vorher bereits- beschriebene Weise diese Werte mit der in seinen Speicher 9 eingegebenen Funktion F in

•to Beziehung setzt, um schrittweise das Netzgerät 1 über die zu diesem führenden Steuerleitungen 10, 11 nachzuregeln bis schließlich U oder Ua vorliegt.

Der Leitrechner 5 wird zweckmäßigerweise durch einen Prozeßrechner dargestellt, der auch in der Lage sein soll, auf verschiedenen Arbeitsebenen mehrere Meß- und Regelvorgänge zu steuern, wobei auch die Möglichkeit gegeben sein soll, daß der Rechner mehrere Netzgeräte regelt Außerdem kann der Prozeßrechner Aufgaben erfüllen, die nicht nur mit der Steuerung der Netzgeräte im Zusammenhang stehen. Hierbei wird es u. a. um die Steuerung der gesamten Anlage sowie um die Überwachung des Elektrolyten gehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Regelung der kathodischen Stromdichte in galvanischen Bädern von insbeson- "> dere automatischen Galvanisieranlagen mit mindestens einem steuerbaren Netzgerät, mit dem der Galvanisierstrom /bzw. die Galvanisierspannung LJ unter Berücksichtigung der für das jeweilige Galvanisierbad optimalen Stromdichte /o und der Fläche A der zu galvanisierenden Teile auf die zur Erzeugung von /o erforderlichen Werte Ua bzw. Ia einregelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfsfunktion F für die gegenseitige Abhängigkeit der Galvanisierspannung U und des H Galvanisierstromes / mit der Stromdichte /o als Parameter rechnerisch und/oder meßtechnisch ermittelt wird und daß, ausgehend von eine'n frei gewählter: Anfangswert U\ oder A, auf iterativem Weg und unter Einstellung von aus der Funktion. F ermittelten Zwischenwerten U oder / der Galvanisierstrom Ia oder die Galvanisierspannung Ua schrittweise und zumindest mit vorbestimmter Annäherung eingeregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion FaIs

U= f (I)₁₀ oder I=r(U)_!a

in einen das Netzgerät steuernden Leitrechner eingespeis« ^-vird, der die aus jeweils vorausgegangenen Werten für U oder / zu ermittelnden Zwischenwerte iterativ unter Verwendung der Funktion F berechnet und am Netzgerät bis zum Erreichen von Ua oder U einstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schrittweise einzuregelnden Sprünge der Galvanisierspannung U oder des Galvanisierstromes / auf eine festgelegte Anzahl und/oder auf feste Werte eingestellt werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Regelschritte ^für die Zwischenwerte von i/und /in zeitlich wählbarer Folge durchgeführt werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Funktion F « in das galvanische Bad Galvanisiergut mit definierten unterschiedlichen Flächen A eingebracht wird, daß die aus den jeweils behandelten Flächen A und der für das Bad optimalen Stromdichte / Is Parameter zu ermittelnden Stromwerte I=J_oxA am Netzgerät eingestellt werden und daß die sich hierbei ergebenden Galvanisierspannungen U gemessen werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion F aus der ■» Kenntnis eines Wertes von U und Ua für eine bestimmte Stromdichte rechnerisch ermittelt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis &, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Funktion F vor oder während des eigentlichen Gälvanisiervorganges änl Arbeitsbad selbst oder an einem parallel betriebenen Pilotbad vorgenommen wird-

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Funktionen F mit verschiedenen optimalen Stromdichten /0 als Parameter ermittelt und im Rechner als Fünktionsscharen eingespeichert Werden.

9. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, bestehend aus wenigstens einem regelbaren Netzgerät, an das die Anode bzw. Anoden und das als Kathode geschaltete Galvanisiergut anzuschließen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Netzgerätes ein Leitrechner mit einem Speicher vorgesehen ist, in den die Hilfsfunktion F-dngespeichert ist, und daß der Rechner die aus den jeweils eingestellten Zwischenwerten folgenden Galvanisierspannungen oder Galvanisierströme mißt, in Vergleich zu den aus der Funktion Fabzuleitenden Sollwerten setzt und das Netzgerät schrittweise auf die Sollwerte bis zum Erreichen der Endwerte U oder Ua nachstellt