EP2006421A1

EP2006421A1 - Arbeitsvorrichtung für galvanische Abscheidungen

Info

Publication number: EP2006421A1
Application number: EP07405173A
Authority: EP
Inventors: Bruno Streuli
Original assignee: MDC Max Daetwyler AG
Current assignee: Daetwyler Global Tec Holding AG
Priority date: 2007-06-18
Filing date: 2007-06-18
Publication date: 2008-12-24

Abstract

Eine Arbeitsvorrichtung umfasst wenigstens ein Elektrolytbad und eine Anode für eine elektrochemische Abscheidung von metallischen Überzügen auf einem zu beschichtenden und elektrisch leitenden Werkstück, welches in einer Haltevorrichtung der Arbeitsvorrichtung fixiert ist. Zudem weist die Arbeitsvorrichtung wenigstens eine Anspritzvorrichtung zum Bespritzen des Werkstücks mit einer Elektrolytlösung während der elektrochemischen Abscheidung auf. Bevorzugt verfügt die Haltevorrichtung über einen Drehmechanismus, welcher es erlaubt, das zu beschichtende Werkstück während der Abscheidung um eine Drehachse zu rotieren.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Arbeitsvorrichtung, umfassend wenigstens ein Elektrolytbad und eine Anode für eine elektrochemische Abscheidung von metallischen Überzügen auf einem zu beschichtenden und elektrisch leitenden Werkstück, welches in einer Haltevorrichtung der Arbeitsvorrichtung fixiert ist. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Durchführung einer elektrochemischen Abscheidung von metallischen Überzügen auf einem Werkstück mit der Arbeitsvorrichtung.

Stand der Technik

In der Galvanotechnik werden Werkstücke durch elektrochemische Abscheidung aus einem Elektrolytbad mit metallischen Überzügen beschichtet. Arbeitsvorrichtungen für die Galvanotechnik weisen zusätzlich zum Elektrolytbad wenigstens eine Anode (Pluspol) auf. Zum Abscheiden und Beschichten des Werkstücks wird ein elektrischer Gleichstrom von der Anode durch das Elektrolytbad durch das als Kathode (Minuspol) geschaltete Werkstück geschickt. Dabei werden gelöste Metallionen aus der Elektrolytlösung an der Kathode bzw. dem Werkstück reduziert und als Metallschicht abgelagert. Je länger sich das Werkstück im Elektrolytbad befindet und je höher der durch das Werkstück fliessende elektrische Strom ist, desto dicker wird die Metallschicht.
Zwischen der Abscheiderate (bzw. der pro Zeit und Oberfläche abgeschiedenen Menge an Metall) und dem elektrischen Strom besteht im Idealfall ein linearer Zusammenhang, so dass sich die Abscheiderate prinzipiell in einfacher Weise durch eine Erhöhung des elektrischen Stroms steigern lässt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei höheren Stromdichten rauere Metallschichten abgeschieden werden, welche zur Rissbildung oder zu unkontrolliertem Abplatzen neigen.
Insbesondere bei Präzisionswerkstücken, wie z. B. bei Druckformen für Tiefdruckverfahren, ist dies nicht akzeptabel. Die Metallschichten von Tiefdruckzylindern werden beispielsweise mit einer Auflösung von mehreren tausend Punkten pro Inch (dpi) strukturiert. Risse oder Unebenheiten würden hier zu einer stark verminderten Auflösung führen. Um qualitativ hoch stehende Beschichtungen zu erzeugen, werden daher in heute bekannten Vorrichtungen zur Verzinkung oder Verkupferung von Tiefdruckzylindern die Stromdichten während der Abscheidung limitiert.
Die von der Firma MDC Max Daetwyler AG kommerziell vertriebene Verzinkungsanlage ZINCSTAR P 2414, welche zur Beschichtung von Tiefdruckzylindern geeignet ist, liefert beispielsweise eine maximale Stromdichte von 8 A/dm² und weist eine Abscheiderate von 55 µm pro 45 min auf. Aus ökonomischer Sicht wäre es jedoch wünschenswert, die Abscheiderate zu erhöhen.
Es besteht daher nach wie vor ein Bedarf an einer Vorrichtung für die elektrochemische Abscheidung von metallischen Überzügen, welche bei gleich bleibender Qualität der metallischen Überzüge höhere Abscheideraten ermöglichen.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörende Arbeitsvorrichtung zu schaffen, welche eine möglichst schnelle und gleichzeitig qualitativ einwandfreie Beschichtung von Werkstücken mit metallischen Überzügen ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäss der Erfindung weist die Arbeitsvorrichtung wenigstens eine Anspritzvorrichtung zum Bespritzen des Werkstücks mit einer Elektrolytlösung während der elektrochemischen Abscheidung auf.
Bei der Abscheidung aus wässrigen Elektrolytbädern wird als Nebenprodukt gasförmiger Wasserstoff (H₂) gebildet. Es hat sich dabei gezeigt, dass dieser Wasserstoff unter anderem in Form von kleinen Bläschen bevorzugt am zu beschichtenden Werkstück haften bleibt. Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass bei hohen Abscheideraten diese Wasserstoffbläschen während der Abscheidung teilweise in die Metallschicht eingeschlossen werden und zu raueren Überzügen führen. Die wenigstens eine Anspritzvorrichtung der erfindungsgemässen Arbeitsvorrichtung erlaubt es daher, das zu beschichtende Werkstück während der Abscheidung, zusätzlich zum Eintauchen in ein Elektrolytbad, mit wenigstens einem Flüssigkeitsstrahl aus einer Elektrolytlösung zu bespritzen. Dadurch werden die während der elektrochemischen Reaktion gebildeten Gasbläschen, wie beispielsweise Wasserstoffbläschen, durch einen Flüssigkeitsstrahl aus Elektrolytlösung von der Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks fortlaufend entfernt.
Es hat sich erwiesen, dass für das Elektrolytbad und die aufzuspritzende Elektrolytlösung bevorzugt identische Lösungen, insbesondere kupfer- oder zinkhaltige Lösungen, verwendet werden. Durch das Bespritzen mit identischen Lösungen wird sichergestellt, dass auch bei hohen Abscheideraten keine Metallionenverarmung im Abscheidebereich auf dem zu beschichtenden Werkstück eintritt, da durch den Flüssigkeitsstrahl aus Elektrolytlösung fortwährend Metallionen an die zu beschichtende Oberfläche gespritzt werden. Damit kann auf dem zu beschichtenden Werkstück beispielsweise ein Zink- oder Kupferüberzug abgeschieden werden. Derartige Überzüge werden insbesondere für Tiefdruckzylinder benötigt. Die Verwendung von identischen Lösungen für das Elektrolytbad und die aufzuspritzende Elektrolytlösung hat zudem den Vorteil, dass die Anspritzvorrichtungen z. B. direkt aus dem Elektrolytbad und/oder einem angelagerten Vorrats- und Ausgleichsbehälter gespiesen werden können. Damit entfällt eine teure und parallele Installation eines weiteren E-lektrolytreservoirs. Zudem lassen sich dadurch beispielsweise Tauchpumpen im Elektrolytbehälter zur Speisung der Anspritzvorrichtung verwenden, was die erfindungsgemässe Arbeitsvorrichtung weiter vereinfacht. Des Weiteren ist bei identischen Lösungen sichergestellt, dass nicht zusätzliche Verunreinigungen einer zweiten Lösung an die Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks gelangen, welche die Qualität der abgeschiedenen Überzüge beeinträchtigen können.
Die aktive Entfernung der Gasbläschen führt dazu, dass die Abscheiderate beim Aufbringen der Überzüge deutlich erhöht werden kann, da nicht wie bei herkömmlichen Arbeitsvorrichtungen die Abscheiderate, bzw. die pro Zeit und Fläche abgeschiedene Menge an Metall, durch das passive und relativ langsame Wegdiffundieren der Gasbläschen beschränkt ist.
Es hat sich insbesondere gezeigt, dass sich mit der erfindungsgemässen Arbeitsvorrichtung die Stromdichte während der Abscheidung gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen signifikant steigern lässt, ohne dass die Qualität der Metallüberzüge vermindert wird. Insbesondere kann während der Abscheidung von Zink ein elektrischer Strom durch eine im Elektrolytbad eingetauchte Oberfläche des Werkstücks mit einer Stromdichte von wenigstens 10 A/dm², bevorzugt wenigstens 12 A/dm² und insbesondere wenigstens 15 A/dm^2, fliessen. Grosse Stromdichten führen zu höheren Abscheideraten, was die Abscheidezeiten reduziert und daher einen effizienteren und rentableren Betrieb der Arbeitsvorrichtungen ermöglicht.
Als erwünschter Nebeneffekt werden zudem auch Schmutzteile oder Verunreinigungen in Form von Partikeln, welche z. B. im Elektrolytbad vorliegen und durch Diffusion zum Werkstück gelangen, direkt von der Oberfläche des Werkstücks entfernt. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass die Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks während der gesamten Zeit der Abscheidung sauber bleibt, da keine unerwünschten Nebenprodukte der elektrochemischen Reaktion oder Verunreinigungen haften bleiben. Durch die erfindungsgemässe Anspritzvorrichtung, lassen sich dadurch äusserst homogene, glatte und reine Überzüge auf den zu beschichtenden Werkstücken aufbringen.
Die Anspritzvorrichtung zum Bespritzen des Werkstücks kann beispielsweise Bestandteil des Elektrolytbehälters und/oder einer Anode der Arbeitsvorrichtung sein. Insbesondere das Anbringen an der Anode, welche meist nahe am zu beschichtenden Werkstück angebracht ist, ermöglicht kurze Spritzdistanzen, was die Erzeugung von starken und gerichteten Flüssigkeitsstrahlen aus Elektrolytlösung vereinfacht. Zudem wird dadurch auch eine kompakte Bauweise der Arbeitsvorrichtung erreicht.
Insbesondere bei der Abscheidung von Zink (Verzinkung) sind mit Vorteil unlösliche Anoden in der Arbeitsvorrichtung vorgesehen, welche fest in der Arbeitsvorrichtung installiert sind und während dem Abscheiden vollständig intakt bleiben. Damit der Metallgehalt im Elektrolytbad während dem Abscheiden trotzdem konstant gehalten werden kann, können die Metalle z. B. in einem externen Metalllöseabteil stromlos in einem Lösungsmittel aufgelöst und dem Elektrolytbad automatisch in der richtigen Menge zudosiert werden. Es können aber auch lösliche Anoden verwendet werden, beispielsweise in Form von Feststoffen bzw. Anodenclippings aus abzuscheidendem Metall. Diese Variante ist z. B. bei der Abscheidung von Kupfer bevorzugt zu wählen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Haltevorrichtung einen Drehmechanismus auf, so dass das zu beschichtende Werkstück um eine Drehachse rotierbar gelagert ist und während der Abscheidung kontinuierlich rotiert werden kann. Dabei ist die Drehachse insbesondere horizontal ausgerichtet. Dadurch kann mit einem räumlich eng begrenzten Flüssigkeitsstrahl aus Elektrolytlösung eine grosse Oberfläche des Werkstücks regelmässig mit Elektrolytlösung bespritzt werden. Insbesondere kann somit auf baulich aufwändige Aufsprühvorrichtungen, welche das gesamte Werkstück umgeben, verzichtet werden. Zudem lässt sich die Abscheidung eines homogenen Überzugs bei einem rotierenden Werkstück einfacher erreichen, da eine gleichmässigere Anspritzung des Werkstücks erreicht wird. Es reicht demnach grundsätzlich aus, die Anspritzvorrichtungen nur an einer Seite des Werkstücks anzubringen. Es kann aber auch vorteilhaft sein, mehrere Anspritzvorrichtungen an verschiedenen Seiten des Werkstücks vorzusehen, um beispielsweise die Abscheiderate weiter zu steigern und/oder die Homogenität der Überzüge zu verbessern.
Wie sich erwiesen hat, erfolgt die Rotation des Werkstücks bevorzugt mit einer Umfanggeschwindigkeit von wenigstens 80 m/min und insbesondere von wenigstens 150 m/min. Geringere Umfanggeschwindigkeiten sind grundsätzlich auch möglich, die unerwünschten Gasbläschen werden dann aber unter Umständen weniger effektiv von der Oberfläche entfernt.
Insbesondere bei rotationssymmetrischen Werkstücken, z. B. Zylindern bzw. Tiefdruckzylindern, können mit der erfindungsgemässen Vorrichtung Überzüge abgeschieden werden, welche durchwegs eine konstante Dicke aufweisen und vollständig homogen sind.
Bei einer Rotation des Werkstücks während der Abscheidung wird die Abscheiderate unter anderem durch die Eintauchtiefe des Werkstücks bestimmt, da nur die eingetauchte Oberfläche des Werkstücks in direktem Kontakt mit den für die Abscheidung benötigten Metallen und/oder Metallverbindungen im Elektrolytbad steht. Bevorzugt ist die Haltevorrichtung an der Arbeitsvorrichtung daher so angebracht, dass das zu beschichtende Werkstück teilweise und bevorzugt mit 50 - 80% seines Volumens in das Elektrolytbad eingetaucht ist. Damit ist sichergestellt, dass während der Abscheidung jederzeit ein grosser Anteil der Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks mit dem Elektrolytbad in Kontakt steht, wodurch sich eine effiziente und ökonomische Abscheidung ergibt. Durch ein nur teilweises Eintauchen verlässt die Oberfläche des rotierenden Werkstücks zugleich bei jeder Umdrehung das Elektrolytbad und kommt mit der über dem Elektrolytbad vorliegenden Atmosphäre in Kontakt. Dadurch resultieren kurze und periodische Unterbrechungen während der Abscheidung, was das Wachstum der metallischen Überzüge begünstigen kann.
In einer bevorzugten Ausführung ist die Arbeitsvorrichtung so ausgestaltet, dass sie mindestens einen gerichteten Flüssigkeitsstrahl aus Elektrolytlösung erzeugt, welcher insbesondere an einer Auftreffstelle unterhalb einer Flüssigkeitsoberfläche des Elektrolytbads auf das Werkstück trifft. Der Flüssigkeitsstrahl weist an der Auftreffstelle bevorzugt einen Winkel von 90 - 175°, bevorzugt 95 - 170°, oder einen Winkel von 185 - 270°, bevorzugt 190 - 265°, zu einem Normalenvektor der Werkstückoberfläche auf. Befindet sich die Auftreffstelle des Flüssigkeitsstrahls z. B. oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche des Elektrolytbads bzw. ausserhalb des Elektrolytbads, kommt es beim Auftreffen auf die Werkstückoberfläche zu einem starken Verspritzen des Flüssigkeitsstrahls in alle Richtungen. In der Folge müssen an der Arbeitsvorrichtung zusätzliche Spritzschutzvorrichtungen angebracht werden, was aus ökonomischen Gründen nach Möglichkeit vermieden werden soll. Das Problem kann dadurch gelöst werden, die Auftreffstelle des Flüssigkeitsstrahls unterhalb einer Flüssigkeitsoberfläche des Elektrolytbads bzw. im Elektrolytbad vorzusehen. Dadurch wird das Verspritzen verhindert. Es hat sich zudem gezeigt, dass bei einem Auftreffen des Flüssigkeitsstrahls an der Auftreffstelle in einer Richtung verschieden von einer inversen Richtung eines Normalenvektors der Werkstückoberfläche eine bestmögliche Entfernung der Gasbläschen und/oder Schmutzpartikel erreicht wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die unerwünschten Fremdstoffe aufgrund der tangentialen bzw. seitlichen Richtungskomponente des Flüssigkeitsstrahls seitlich entlang der Werkstückoberfläche abgestreift werden können.
Vorteilhaft ist die wenigstens eine Anspritzvorrichtung im Elektrolytbad so angebracht, dass sie vollständig in das Elektrolytbad eintaucht. Dies ist insbesondere bevorzugt, falls die Auftreffstelle des Flüssigkeitsstrahls aus Elektrolytlösung auf dem Werkstück unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche des Elektrolytbads liegt. Dadurch wird erreicht, dass der erzeugte Flüssigkeitsstrahl keine Phasengrenzen (gasförmig-flüssig) durchdringen muss. Beim Übertritt von einer Gasphase (z.B. über dem Elektrolytbad) in das Elektrolytbad kommt es an der Phasengrenze meist zu unerwünschten Aufweitungen und Zerstäubungen des Flüssigkeitsstrahls, welche z. B. durch Streuprozesse hervorgerufen werden. Es ist aber auch denkbar, die Anspritzvorrichtung ausserhalb des Elektrolytbads anzubringen und den Flüssigkeitsstrahl aus Elektrolytlösung auf die nicht eingetauchte Oberfläche des Werkstücks zu richten.
Bevorzugt ist die Anspritzvorrichtung mit einer Hochdruck erzeugenden und Elektrolyt fördernden Vorrichtung, insbesondere einer Pumpe, verbunden. Als Pumpe kann z. B. eine Tauchpumpe, welche bevorzugt direkt im Elektrolytbad angeordnet ist, verwendet werden. Alternativ kann die Elektrolyt fördernde Vorrichtung auch extern angebracht sein und über Schlauch- und/oder Rohrleitungen mit den Anspritzvorrichtungen verbunden sein. Bei mehreren Anspritzvorrichtungen hat sich insbesondere eine gemeinsame Zuleitung mit einer einzigen Hochdruck erzeugenden und Elektrolyt fördernden Vorrichtung für alle Anspritzvorrichtungen als vorteilhaft erwiesen. Dadurch wird erreicht, dass in sämtlichen Anspritzvorrichtungen die zu verspritzende Elektrolytlösung unter identischem Druck vorliegt. Dies führt insbesondere zu homogeneren Überzügen, da dadurch sämtliche erzeugten Flüssigkeitsstrahlen identische Stärken aufweisen und daher die vom Flüssigkeitsstrahl getroffenen Stellen an der Oberfläche des Werkstücks in gleicher Weise bespritzt werden.
Bei der Abscheidung von metallischen Überzügen kann es zudem vorteilhaft sein, wenn der wenigstens eine Flüssigkeitsstrahl aus Elektrolytlösung an der Auftreffstelle auf dem rotierenden Werkstück in einer Richtung entgegen einer Vektorkomponente einer Bewegungsrichtung der Auftreffstelle auftrifft. Damit wird eine höhere Relativgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls bezogen auf die rotierende Oberfläche des Werkstücks erreicht, was die Wirkung des Flüssigkeitsstrahls erhöht.
Bevorzugt ist die wenigstens eine Anspritzvorrichtung so ausgestaltet, dass sie einen fächerförmigen Flüssigkeitsstrahl erzeugt und dass bei mehreren derartigen Anspritzvorrichtungen die Anspritzvorrichtungen so angeordnet sind, dass die fächerförmigen Flüssigkeitsstrahlen, bevorzugt an ihren Randbereichen, überlappen. Damit wird das Werkstück auf einer gesamten Länge mit Elektrolytlösung bespritzt. Es hat sich gezeigt, dass dadurch die Gasbläschen und unerwünschten Fremdstoffe während der Abscheidung lückenlos auf der gesamten Länge des Werkstücks weggespritzt werden können, was wiederum die Bildung von durchgehend homogenen, glatten und reinen Überzügen vereinfacht.
Dabei eignen sich als Anspritzvorrichtungen beispielsweise Sprühdüsen, bevorzugt Fächersprühdüsen, und/oder Rohre, welche einen Längsschlitz aufweisen. Bei mehreren Anspritzvorrichtungen sind bevorzugt alle Anspritzvorrichtungen auf einer horizontalen Linie im Elektrolytbad und/oder parallel zu einer Längsrichtung des Werkstücks angeordnet. Mehrere Anspritzvorrichtungen sind zudem insbesondere entlang einer gesamten horizontalen Länge des zu beschichtenden Werkstücks, bevorzugt in regelmässigen Abständen von 25 - 35 mm, angebracht. Damit liegt z. B. bei zylindrischen Werkstücken ein konstanter Abstand zwischen Anspritzvorrichtungen und Werkstück vor und das Werkstück kann somit entlang seiner gesamten Länge mit Flüssigkeitsstrahlen von gleicher Stärke bespritzt werden.
Bevorzugt wird das Werkstück mit einem Anspritzdruck von 4 - 12 bar, insbesondere von 5 - 9 bar, bespritzt. Ein derartiger Anspritzdruck stellt sicher, dass die Flüssigkeitsteilchen im Flüssigkeitsstrahl genügend kinetische Energie aufweisen, um die aufgrund von Adhäsion haftenden Gasbläschen und/oder unerwünschten Fremdstoffe von der Oberfläche des Werkstücks wegzuspritzen. Höhere Drücke sind auch möglich, bedingen aber die Verwendung von teureren Pumpsystemen und können unter Umständen zu unerwünschten Verwirbelungen im Elektrolytbad führen. Geringere Drücke funktionieren ebenfalls, hierfür muss jedoch die Abscheiderate reduziert werden, um eine vergleichbare Qualität der metallischen Überzüge zu erhalten, was weniger wirtschaftlich ist.
Besonders bevorzugt wird das Werkstück pro 1 m² Werkstückoberfläche mit 0.6 - 1.1 Liter/min, insbesondere mit 0.7 - 0.9 Liter/min, an Elektrolytlösung bespritzt. Dieser Volumenstrom an Elektrolytlösung stellt sicher, dass auch bei hohen Abscheideraten, und damit verbundener starker Gasbildung an der Oberfläche des Werkstücks, genügend Flüssigkeit pro Oberfläche zur Verfügung steht, um sämtliche Gasbläschen zu entfernen. Höhere Volumenströme sind ebenso möglich, können aber zu unerwünschten Verwirbelungen im Elektrolytbad führen. Bei geringeren Volumenströmen muss ebenfalls die Abscheiderate reduziert werden, da ansonsten insbesondere ein Teil der Gasbläschen an der Oberfläche des Werkstücks haften bleibt.
Zur Durchführung einer Abscheidung wird das zu beschichtende Werkstück in eine Arbeitsvorrichtung eingebracht, das Elektrolytbad der Arbeitsvorrichtung befüllt, die Anspritzvorrichtung eingeschaltet und die Rotation des Werkstücks gestartet. Zudem wird eine elektrische Gleichstromquelle zur Erzeugung eines errechneten elektrischen Stroms durch das Elektrolytbad und das Werkstück während einer errechneten Zeitdauer eingeschaltet. Bevorzugt erfolgt dabei das Einschalten der Anspritzvorrichtung erst nach der Befüllung des Elektrolytbads. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die von der Anspritzvorrichtung erzeugten Flüssigkeitsstrahlen nicht unkontrolliert in externe Bereiche der Arbeitsvorrichtung verspritzen.
Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Eine dreidimensionale Ansicht einer erfindungsgemässen Arbeitsvorrichtung.
Fig. 2: Einen Querschnitt durch die Arbeitsvorrichtung entlang der Linie A - B in Fig. 1.
Fig. 3: Einen Längsschnitt durch die Arbeitsvorrichtung entlang der Linie C - D in Fig. 2.
Fig. 4: Einen Längsschnitt durch die Arbeitsvorrichtung entlang der Linie E - F in Fig. 2.
Fig. 5: Den Auftreffwinkel des Flüssigkeitsstrahls bezüglich der Werkstückoberfläche im Querschnitt.
Fig. 6: Die Auftreffrichtung des Flüssigkeitsstrahls auf der Werkstückoberfläche bezüglich der Drehrichtung des Werkstücks im Querschnitt.

Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist eine dreidimensionale Ansicht einer erfindungsgemässen Arbeitsvorrichtung 1 gezeigt. Die Arbeitsvorrichtung 1 umfasst eine quaderartige und längliche Arbeitswanne 2, welche nach oben vollständig offen ist und im oberen Bereich vertikal verlaufende und rechtwinklig zueinander stehende Seitenwände aufweist. Im untersten Viertel knicken die beiden Längsseiten der Arbeitswanne je unter einem Winkel von ca. 60° zur Vertikalen ab, so dass sich die Arbeitswanne 2 im unteren Bereich in Querrichtung symmetrisch verjüngt. Die Vorderseite und die nicht gezeigte Hinterseite der Arbeitswanne 3 sind als sechseckige Flächen ausgebildet und verlaufen durchgehend vertikal. Die Arbeitswanne 2 weist ein inneres Volumen von 1650 Liter auf und ist nahezu vollständig mit einem Elektrolytbad 3 befüllt, welches nachstehend näher spezifiziert wird.
In der Arbeitswanne 2 befindet sich ein zylinderförmiges Werkstück 4 in Form eines Tiefdruckzylinders mit einer Länge von 1'000 mm und einem Umfang von 800 mm. Das zylindrische Werkstück 4 ist bezüglich seiner Längsachse bzw. Drehachse 4.2 parallel zur Arbeitswanne, mit ca. 60% seines Volumens, in das Elektrolytbad 3 eingetaucht. An seinen Endflächen wird das zylindrische Werkstück 4 je durch eine Haltevorrichtung 5.1, 5.2 getragen. Die beiden Haltevorrichtungen 5.1, 5.2 sind als längliche Hohlträger ausgestaltet, welche von oben in vertikaler Richtung in die Arbeitswanne 2 hinein ragen. Im Inneren der beiden Haltevorrichtungen 5.1, 5.2 ist je eine nicht gezeigte Antriebseinheit mit einem Getriebe angeordnet. Die Getriebe treiben je eine aus den unteren Bereichen der Haltevorrichtungen 5.1, 5.2 in Richtung des Werkstücks herausragende und rotierbare Kupplungswelle 5.1.1, 5.2.1 an. Die beiden Kupplungswellen 5.1.1, 5.2.1 sind konzentrisch zur Drehachse 4.2 angeordnet und erzeugen auf beide Endseiten des Werkstücks 4 aufgrund eines nicht dargestellten Federmechanismus eine Klemmwirkung. Damit kann das Werkstück 4 durch die Antriebsvorrichtungen und die Getriebe in den Haltevorrichtungen 5.1, 5.2 angetrieben und rotiert werden. Die beiden Haltevorrichtungen 5.1, 5.2, wie auch die Arbeitswanne 2, sind an einer nicht dargestellten gemeinsamen Tragvorrichtung befestigt.
Das zylindrische Werkstück 4 wird im Elektrolytbad 3 im Bereich seiner Mantelfläche von einer unlöslichen Anode 6 aus einem Lochblech aus Stahl umgeben. Die Anode 6 ist als U-förmiges Profil ausgeformt und weist zum Werkstück 4 in allen Bereichen einen ungefähr gleichmässigen Abstand auf. Im Bereich der beiden Enden sind am rechten Schenkel der Anode 6 zwei Befestigungsvorrichtungen 7.1, 7.2 angebracht. Die beiden Befestigungsvorrichtungen 7.1, 7.2 sind so ausgestaltet, dass sie die Arbeitswanne 2 an der oberen Kante der rechten Seitenfläche formschlüssig umgreifen, wodurch die Anode 6 an der Arbeitswanne 2 befestigt ist.
Am linken Schenkel der U-förmigen Anode 6 ist im oberen Bereich ein Sprührohr 21 angebracht. Dieses befindet sich auf einer Höhe zwischen der Drehachse 4.2 und dem in vertikaler Richtung untersten Bereich des Werkstücks 4. Das Sprührohr 21 verläuft in horizontaler Richtung zwischen der Anode 6 und dem Werkstück 4 und ist vollständig in das Elektrolytbad 3 eingetaucht. An seinem hinteren (nicht sichtbaren) Ende ist das Sprührohr 21 fluiddicht verschlossen. Auf der Mantelfläche des Sprührohrs 21 sind entlang einer horizontalen Linie dreiunddreissig, in Fig. 1 nur teilweise sichtbare, Fächersprühdüsen 20.1 - 20.33 aus Polyvinylchlorid (PVC) angeordnet, welche zum Werkstück 4 ausgerichtet sind. Das Sprührohr 21 dient dabei als gemeinsame Zuleitung für die dreiunddreissig Fächersprühdüsen 20.1 - 20.33. Ein flexibler Schlauch 22 aus Polyvinylchlorid (PVC) verbindet das vordere offene Ende des Sprührohrs 21 mit einer auf der Bodenfläche der Arbeitswanne 2 stehenden Tauchpumpe 23, welche vollständig im Elektrolytbad 3 eingetaucht ist. Die Tauchpumpe 23 weist an ihrer vorderen Seite eine Ansaugöffnung 23.1 auf und erreicht einen maximalen Arbeitsdruck von 12 bar sowie eine Förderleistung von 100 Liter pro Minute. Im Betrieb saugt die Tauchpumpe 23 Elektrolytlösung durch die Ansaugöffnung 23.1 aus dem Elektrolytbad an und fördert die Flüssigkeit über den Schlauch 22 in das Sprührohr 21. Das Sprührohr 21 kommuniziert wiederum mit sämtlichen Fächersprühdüsen 20.1 - 20.33, durch welche die Elektrolytlösung austritt.
In Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie A - B in Fig. 1, senkrecht zur Drehachse 4.2 des Werkstücks 4, dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber ist die Querschnittsfläche des Elektrolytbads 3 nicht schraffiert dargestellt, sondern lediglich durch die obere Begrenzung bzw. die Flüssigkeitsoberfläche des Elektrolytbads 3 markiert. Die im Querschnitt U-förmige Anode 6 ist auf ihrer rechten Seite in einem oberen Bereich an der Aussenseite durch die rechteckige Befestigungsvorrichtung 7.2 an der inneren Seite der rechten Seitenwand der Arbeitswanne 3 eingehängt. Die U-förmige Anode 6 sowie das Werkstück 4 sind dabei bezüglich einer horizontalen Breite der Arbeitswanne 3 ungefähr mittig ausgerichtet. Die Arbeitswanne 2 ist nahezu bis zu ihrem oberen Ende mit dem Elektrolytbad befüllt, so dass die Anode 6 vollständig in das Elektrolytbad 3 eintaucht. Die zentrale Längsachse 4.2 des im Querschnitt kreisrunden Werkstücks 4 liegt dabei ebenfalls unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche des Elektrolytbads 3, so dass das Werkstück 4, wie bereits erwähnt, zu ungefähr 60% seines Volumens in das Elektrolytbad 3 eingetaucht ist.
Das Sprührohr 21, welches sich im Bereich zwischen Anode 6 und Werkstück 4 befindet, weist einen kreisrunden Querschnitt auf und ist in vertikaler Richtung auf einer Höhe wenig unterhalb der Höhe der Drehachse 4.2 des Werkstücks 4 an der Anode 6 angeschraubt. Im dargestellten Querschnitt ist die vierte Fächersprühdüse 20.4 zu sehen, welche direkt in das Sprührohr 21 eingeschraubt ist. Die anderen zweiunddreissig hier nicht sichtbaren Fachersprühdüsen 20.1 - 20.3, 20.5 - 20.33 sind identisch ausgestaltet und in gleicher Weise befestigt. Der innere Hohlraum des Sprührohrs 21 kommuniziert dabei mit der Fächersprühdüse 20.4, welche einen zum Werkstück 4 hin und nach unten gerichteten Auslasskanal 20.4.1 aufweist. Sobald das Sprührohr 21 mit unter Druck stehender Elektrolytlösung beschickt wird, erzeugt die Fächersprühdüse 20.4 einen Flüssigkeitsstrahl 30.4 aus Elektrolytlösung, welcher eine Richtung von ca. 45° zu einer horizontalen Richtung aufweist und im unteren Viertel des Werkstücks 4 unter einem flachen Winkel auf die Werkstückoberfläche 4.1 trifft. Der Flüssigkeitsstrahl 30.4 weist in der Ebene senkrecht zur Drehachse 4.2 des Werkstücks 4 eine Auffächerung von ca. ± 7.5° bezogen auf die Längsrichtung des Auslasskanal 20.4.1 auf, was durch die drei geradlinigen Pfeile in Fig. 2 angedeutet ist.
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch die erfindungsgemässe Arbeitsvorrichtung 1 entlang der Linie C - D in Fig. 2, mit Blickrichtung vom Zentrum der Arbeitsvorrichtung 1 auf die Fächersprühdüsen 20.1 - 20.33. Die Darstellung ist dabei in horizontaler Richtung unterbrochen, was durch die doppelte Zick-Zacklinie angedeutet wird. Der Übersichtlichkeit halber ist auch hier die Querschnittsfläche des Elektrolytbads 3 nicht schraffiert dargestellt, sondern lediglich durch die obere Begrenzung bzw. die Flüssigkeitsoberfläche des Elektrolytbads 3 markiert. Die Anode 6, welche als Lochblech ausgestaltet ist, weist dabei eine Vielzahl von hexagonal angeordneten kreisrunden Löchern 6.1 auf, welche über die gesamte Oberfläche der Anode 6 verteilt sind. Diese Löcher ermöglichen eine gute Flüssigkeitszirkulation im Elektrolytbad 3. Das Sprührohr 21 ist im oberen Bereich der Anode 6 angeschraubt und verläuft in horizontaler Richtung parallel zur oberen Kante der Anode 6, wobei das Sprührohr 21 die Anode 6 auf beiden Seiten überragt. Am rechten Ende 21.1 ist das Sprührohr 21 fluiddicht verschlossen. Am entgegen gesetzten Ende ist das Sprührohrs 21 mit der Tauchpumpe 23 durch den Schlauch 22 aus Polyvinylchlorid (PVC) verbunden. Sämtliche dreiunddreissig Fächersprühdüsen 20.1 - 20.33 sind auf einer horizontalen Linie parallel auf dem Sprührohr 21, in regelmässigen seitlichen Abständen von 30 mm, angebracht.
Ein weiterer Längsschnitt durch die Arbeitsvorrichtung 1 ist in der Fig. 4 gezeigt. Die Schnittfläche verläuft dabei horizontal entlang der Linie E - F in Fig. 2 und stellt eine Ansicht von oben dar. Die Darstellung ist ebenfalls in Längsrichtung unterbrochen, was durch die doppelte Zick-Zacklinie angedeutet wird. Im Zentrum der Arbeitswanne 2 befindet sich das zylindrische Werkstück 4, welches an den seitlichen Enden durch die zentrisch anliegenden Kupplungswellen 5.1.1, 5.2.1 gehalten wird. Die beiden Kupplungswellen 5.1.1, 5.2.1 sind drehbar gelagert und bilden eine Antriebsverbindung zu den zwei nicht dargestellten Antriebsvorrichtungen und Getrieben in den beiden Haltevorrichtungen 5.1, 5.2. Dadurch kann das zylindrische Werkstück um seine Drehachse 4.2 rotiert werden. Die Anode 6 mit den Löchern 6.1 wird vom teilweise darüber liegenden Werkstück 4 verdeckt und ist an der unteren Längsseite über die zwei Befestigungsvorrichtungen 7.1, 7.2 mit der Arbeitswanne 2 verbunden. Auf der gegenüber liegenden Seite der Anode 6 ist das Sprührohr 21 befestigt, welches die dreiunddreissig Fächersprühdüsen 20.1 - 20.33 trägt. Jede Fächersprühdüse 30.1 - 30.33 erzeugt dabei einen Flüssigkeitsstrahl 30.1 - 30.33. Die Flüssigkeitsstrahlen 30.1 - 30.33 weisen in der Schnittebene der Darstellung eine Auffächerung von ca. ± 60° bezüglich der Hauptspritzrichtung bzw. einer Richtung senkrecht zum Sprührohr 21 auf, was durch die jeweils vier Pfeile pro Fächersprühdüse 30.1 - 30.33 in Fig. 4 angedeutet ist. In einem Bereich kurz vor der Werkstückoberfläche 4.1 überlappen dadurch jeweils zwei benachbarte Flüssigkeitsstrahlen 30.1 - 30.33, so dass die Werkstückoberfläche 4.1 entlang der gesamten Länge des Werkstücks 4 lückenlos mit Flüssigkeitsstrahlen 30.1 - 30.33 bespritzt wird.
Fig. 5 zeigt eine Detailansicht des Querschnitts aus Fig. 2 im Bereich der Auftreffstelle 4.3 des Flüssigkeitsstrahls 30.4 auf die Werkstückoberfläche 4.1. Der von der links oben angeordneten vierten Fächersprühdüse 20.4 erzeugte Flüssigkeitsstrahl 30.4 trifft dabei unter einem Winkel 40 von 100° bezüglich des Normalenvektors 4.4 zur Zylinderoberfläche an der Auftreffstelle 4.3 auf das zylindrische Werkstück 4. Die Auftreffstelle befindet sich dabei wie bereits vorstehend erwähnt unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche des Elektrolytbads 3.
In Fig. 6 ist die eine weitere Detailansicht des Querschnitts aus Fig. 2 im Bereich der Auftreffstelle 4.3 des Flüssigkeitsstrahls 30.4 auf die Werkstückoberfläche 4.1 dargestellt. Analog zu Fig. 5 trifft der Flüssigkeitsstrahl 30.4 aus der links oben angeordneten vierten Fächersprühdüse 20.4 auf die Auftreffstelle 4.3 an der Werkstückoberfläche 4.1. Da das zylindrische Werkstück 4 eine Drehrichtung 4.5 im Uhrzeigersinn aufweist, besitzt die Auftreffstelle 4.3 ein Geschwindigkeitsvektor 4.6 mit Richtung einer Kreistangente des im Querschnitt kreisrunden Werkstücks 4. Eine Projektion des Geschwindigkeitsvektors 4.6 auf den Flüssigkeitsstrahl 30.4 ergibt eine zur Richtung des Flüssigkeitsstrahls antiparallele Geschwindigkeitskomponente 4.6.1.
Die in Fig. 1 - 6 dargestellte und vorstehend beschriebene Arbeitsvorrichtung 1 wurde in einem Verzinkungsprozess zur Abscheidung einer Zinkschicht auf der Oberfläche eines ersten Tiefdruckzylinders eingesetzt. Dabei wurde in einem ersten Schritt ein Tiefdruckzylinder mit einem Stahlkern, einer Länge von 1'000 mm und einem Umfang von 800 mm an beiden Endflächen zwischen die Kupplungswellen 5.1.1, 5.2.1 der beiden Haltevorrichtungen 5.1, 5.2 eingespannt. Anschliessend wurde die Arbeitswanne 2 mit einem Elektrolytbad 3 befüllt, so dass der Tiefdruckzylinder zu 60% seines Volumens in das Elektrolytbad 3 eintauchte. Das Elektrolytbad 3 wies dabei eine Temperatur von 30°C, eine Konzentration von 160 g/l NaOH, 80 g/l Zink und einen pH Wert von 12 auf.
In einem nächsten Schritt wurde die Tauchpumpe 23 eingeschaltet, wodurch Elektrolytlösung aus dem Elektrolytbad 3 durch die Ansaugöffnung 23.1 über den Schlauch 22 in das Sprührohr 21 und damit zu den Fächersprühdüsen 20.1 - 20.33 gepumpt wurde. Die Durchflussmenge pro Fächersprühdüsen 20.1 - 20.33 betrug dabei 3 Liter/min, bei einem Flüssigkeitsdruck von 5 bar im Inneren der Fächersprühdüsen 20.1 - 20.33.
Der Tiefdruckzylinder wurde dadurch, wie in Fig. 4 gezeigt, durch die von den Fächersprühdüsen 20.1 - 20.33 erzeugten Flüssigkeitsstrahlen 30.1 - 30.33 unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche des Elektrolytbads 3 bespritzt. Gleichzeitig wurde, gemäss der Darstellung in Fig. 2, die Rotation des Tiefdruckzylinders im Uhrzeigersinn gestartet und zwar mit einer Umfanggeschwindigkeit von 160 m/min. Darauf wurde der positive Pol einer Gleichstromquelle mit der Anode 6 und der negative Pol der Gleichstromquelle mit dem metallischen Tiefdruckzylinder elektrisch leitend verbunden. Durch Einschalten der Gleichstromquelle wurde der Verzinkungsprozess gestartet, wobei eine Stromdichte durch den Tiefdruckzylinder von 15 A/dm² eingestellt wurde. Während dem Verzinkungsprozess wurde dem Elektrolytbad 3 kontinuierlich Zink aus einem externen Löseabteil zudosiert, so dass die Zinkkonzentration im Elektrolytbad konstant blieb. Nach einer Zeitdauer von 22 min wurde ein Zinküberzug mit einer Dicke von 55 µm erhalten.
Zu Vergleichszwecken wurden zwei weitere und identische Tiefdruckzylinder in der vorstehend beschriebenen Weise mit einem Zinküberzug versehen, wobei jedoch die Stromdichten während dem Verzinkungsprozess variiert wurden. Beim zweiten Tiefdruckzylinder wurde eine Stromdichte von 12 A/dm² eingestellt, wodurch sich die Zeitdauer der Abscheidung eines 55 µm dicken Zinküberzugs auf 26 min erhöhte. Beim dritten Tiefdruckzylinder dauerte die Abscheidung eines 55 µm dicken Zinküberzugs bei einer Stromdichte von 8 A/dm² entsprechend noch länger, nämlich 36 min.
Zum Vergleich mit dem Stand der Technik wurde ein vierter Tiefdruckzylinder bei einer Stromdichte von 8 A/dm² und zusätzlich bei abgeschalteter Tauchpumpe, d. h. ohne Anspritzen mit Flüssigkeitsstrahlen, mit einem Zinküberzug versehen. Die Abscheidung des Zinküberzugs mit einer Dicke von 55 µm dauerte 36 min.
Eine Analyse der Oberfläche der vier Tiefdruckzylinder bezüglich Oberflächenrauhigkeit, Riss- und Blasenbildung hat keine messbaren Unterschiede ergeben. Alle vier Tiefdruckzylinder wiesen glatte Oberflächen auf und entsprachen den Qualitätsanforderungen, welche bei Tiefdruckverfahren gefordert werden.
In zwei weiteren Vergleichsversuchen wurden ein fünfter und ein sechster Tiefdruckzylinder bei ausgeschalteter Tauchpumpe, d. h. wiederum ohne Anspritzen mit Flüssigkeitsstrahlen, und hohen Stromdichten je mit einem Zinküberzug versehen. Die Abscheidung eines Zinküberzugs mit einer Dicke von 55 µm bei einer Stromdichte von 12 A/dm² dauerte beim fünften Tiefdruckzylinder 26 min. Beim sechsten Tiefdruckzylinder benötigte die Abscheidung eines Zinküberzugs von ebenfalls 55 µm Dicke bei einer Stromdichte von 15 A/dm² 22 min.
In einer Oberflächenanalyse des fünften und des sechsten Tiefdruckzylinders hat sich gezeigt, dass beide Zylinder stark raue Oberflächen aufwiesen. Insbesondere zeigten die Oberflächen eine Vielzahl von feinen Rissen und flächigen Abplatzungen mit mehreren Millimetern Durchmessern. Diese Zylinder sind zur Verwendung in einem Tiefdruckverfahren nicht geeignet.

Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht der vorstehend beschriebenen Abscheidungen auf den sechs Tiefdruckzylindern:

Zylinder Nr.	Anspritzvorrichtung	Stromdichte	Zeitdauer für Zinküberzug von 55 µm Dicke	Oberflächenqualität des Zinküberzugs
1	Ein	15 A/dm²	22 min	Glatt (gut)
2	Ein	12 A/dm²	26 min	Glatt (gut)
3	Ein	8 A/dm²	36 min	Glatt (gut)
4	Aus	8 A/dm²	36 min	Glatt (gut)
5.	Aus	12 A/dm²	26 min	Rau (unbrauchbar)
6	Aus	15 A/dm²	22 min	Rau (unbrauchbar)

Die vorstehend beschriebene Ausführungsform ist lediglich als illustratives Beispiel für die Ausführung der Erfindung zu sehen und kann erweitert oder abgewandelt werden.
Die Fächersprühdüsen 20.1 - 20.33, welche z. B. in Fig. 3 dargestellt sind, können auch durch andere Düsentypen ersetzt werden, welche die Erzeugung von Fluidstrahlen ermöglichen. Das Sprührohr 21 kann beispielsweise durch ein Rohr mit mehreren unterbrochenen oder einem durchgehendem Längsschlitz ausgestaltet sein. Auch können baulich unterschiedliche Fächersprühdüsen verwendet werden, welche eine Auffächerung verschieden von ± 60° in der Schnittebene der Fig. 3 aufweisen. Bei Fächersprühdüsen mit einer grösseren Auffächerung kann der Abstand zwischen den Düsen und damit ihre Anzahl bei gleicher Länge des Werkstücks 4 verringert werden. Umgekehrt ist bei der Verwendung von Fächersprühdüsen mit geringerer Auffächerung die Anzahl der Fächersprühdüsen zu erhöhen.
Ebenso lassen sich zusätzliche Sprührohre 21 mit darauf angebrachten Fächersprühdüsen 20.1 - 20.33 an weiteren Seiten des Werkstücks 4 anbringen. So kann es beispielsweise vorteilhaft sein, zusätzliche Sprührohre 21 mit Fächersprühdüsen 20.1 - 20.33 am rechten Schenkel oder an am untersten Punkt der U-förmigen Anode 6 vorzusehen. Damit können die an der Oberfläche 4.1 des Werkstücks 4 während dem Abscheideprozess gebildeten Gasbläschen noch effizienter weggespritzt werden. Die Sprührohre 21 können dabei anstelle des kreisrunden Querschnitts auch einen vieleckigen Querschnitt, insbesondere einen rechteckigen Querschnitt, aufweisen. Eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft sein, falls die Platzverhältnisse in der Arbeitswanne 2 stark begrenzt sind.
Je nach chemischen Eigenschaften des abzuscheidenden Metalls, kann es auch vorteilhaft sein, die Sprührohre 21 anstatt aus Stahl aus Kunststoffen, wie z. B. aus Polypropylen (PP), zu fertigen.
In einer weiteren Abwandlung der Ausführungsform kann die Anode 6 als inwendig hohler und fluidleitender Körper mit definierten Öffnungen, z. B. in Form von Längsschlitzen, ausgeformt sein. Damit wird die Funktion des Sprührohrs 21 und der Fächersprühdüsen 20.1 - 20.33 direkt in die Anode integriert, was eine kompakte Bauweise erlaubt.
Auch ist es möglich, auf eine unlösliche Anode 6 zu verzichten und stattdessen eine lösliche Anode in Form von abzuscheidenden metallischen Feststoffen bzw. Clippings anzubringen. Diese Variante ist bei einer Verkupferung bevorzugt zu wählen, indem Kupfer-Anodenclippings verwendet werden.
Falls erwünscht, kann die Tauchpumpe 23 in Fig. 1 durch eine externe Pumpe ersetzt werden, welche nicht im Elektrolytbad 3 integriert ist. Damit kann in der Arbeitswanne 2 zusätzlich Platz gewonnen werden. Eine externe Pumpe kann z. B. zum Ansaugen von Elektrolytlösung mit einem weiteren Schlauch mit dem Elektrolytbad 3 verbunden werden.
Ebenso kann die in den Figuren 1 - 3 dargestellte Anode 6 mit U-förmigem Profil in Form eines vieleckigen Profils ausgestaltet sein, welches den Gegebenheiten der Arbeitswanne 2 angepasst ist. Auch die Geometrie der Arbeitswanne 2 kann z. B. aufgrund gehäusebedingter Anforderungen unterschiedlich ausgestaltet sein.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass eine neuartige Arbeitsvorrichtung entwickelt wurde, welche es ermöglicht, metallische Überzüge von hoher Qualität bei hohen Stromdichten abzuscheiden. Daraus resultieren höhere Abscheideraten, was wiederum zu kürzeren Beschichtungszeiten führt und daher wirtschaftlichere Abscheidungen ermöglicht.

Claims

Arbeitsvorrichtung, umfassend wenigstens ein Elektrolytbad und eine Anode für eine elektrochemische Abscheidung von metallischen Überzügen auf einem zu beschichtenden und elektrisch leitenden Werkstück, welches in einer Haltevorrichtung der Arbeitsvorrichtung fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsvorrichtung wenigstens eine Anspritzvorrichtung zum Bespritzen des Werkstücks mit einer Elektrolytlösung während der elektrochemischen Abscheidung aufweist.
Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung einen Drehmechanismus aufweist, so dass das zu beschichtende Werkstück um eine Drehachse rotierbar gelagert ist, wobei die Drehachse insbesondere horizontal ausgerichtet ist.
Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung so angebracht ist, dass das zu beschichtende Werkstück teilweise und bevorzugt mit 50 - 80 % seines Volumens in das Elektrolytbad eingetaucht ist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Anspritzvorrichtung im Elektrolytbad eingetaucht ist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Anspritzvorrichtung mit einer Hochdruck erzeugenden und Elektrolyt fördernden Vorrichtung, bevorzugt einer Pumpe, verbunden ist und dass bei mehreren Anspritzvorrichtungen insbesondere eine gemeinsame Zuleitung mit einer einzigen Hochdruck erzeugenden und Elektrolyt fördernden Vorrichtung für alle Anspritzvorrichtungen vorgesehen ist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Anspritzvorrichtung so ausgestaltet ist, dass sie mindestens einen gerichteten Flüssigkeitsstrahl aus Elektrolytlösung erzeugt, welcher insbesondere an einer Auftreffstelle unterhalb einer Flüssigkeitsoberfläche des Elektrolytbads auf das Werkstück trifft und dass der Flüssigkeitsstrahl an der Auftreffstelle bevorzugt einen Winkel von 90 - 175°, insbesondere 95 - 170°, oder einen Winkel von 185 - 270°, insbesondere 190 - 265°, zu einem Normalenvektor der Werkstückoberfläche aufweist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Anspritzvorrichtung so ausgestaltet ist, dass sie einen fächerförmigen Flüssigkeitsstrahl erzeugt und dass bei mehreren derartigen Anspritzvorrichtungen die Anspritzvorrichtungen so angeordnet sind, dass die fächerförmigen Flüssigkeitsstrahlen, bevorzugt an ihren Randbereichen, überlappen, so dass das Werkstück auf einer gesamten Länge mit Elektrolytlösung bespritzt wird.
Verfahren zur Durchführung einer elektrochemischen Abscheidung von metallischen Überzügen aus einem Elektrolytbad auf einem zu beschichtenden Werkstück, insbesondere mit einer Arbeitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zu beschichtende Werkstück während der Abscheidung mit wenigstens einen Flüssigkeitsstrahl aus einer Elektrolytlösung bespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück während der Abscheidung um eine Drehachse rotiert wird, bevorzugt mit einer Umfanggeschwindigkeit von wenigstens 80 m/min und insbesondere von wenigstens 150 m/min.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück während der Abscheidung wenigstens teilweise und bevorzugt mit 50 - 80% seines Volumens in das Elektrolytbad eingetaucht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück während der Abscheidung entlang einer gesamten Länge des Werkstücks mit Elektrolytlösung bespritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Flüssigkeitsstrahl aus Elektrolytlösung an einer Auftreffstelle unterhalb einer Flüssigkeitsoberfläche des Elektrolytbads auf dem Werkstück auftrifft und dass der Flüssigkeitsstrahl an der Auftreffstelle bevorzugt einen Winkel von 90 - 175°, insbesondere 95- 170°, oder einen Winkel von 185 - 270°, insbesondere 190 - 265°, zu einem Normalenvektor der Werkstückoberfläche bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Flüssigkeitsstrahl aus Elektrolytlösung an der Auftreffstelle auf dem rotierenden Werkstück in einer Richtung entgegen einer Vektorkomponente einer Bewegungsrichtung der Auftreffstelle auftrifft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück mit einem Anspritzdruck von 4 - 12 bar, bevorzugt von 5 - 9 bar, bespritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück pro 1 m² Werkstückoberfläche mit 0.6 - 1.1 l/min, bevorzugt mit 0.7 - 0.9 l/min, an Elektrolytlösung bespritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zu beschichtende Werkstück in eine Arbeitsvorrichtung eingebracht wird, das Elektrolytbad der Arbeitsvorrichtung befüllt wird, eine Anspritzvorrichtung eingeschaltet und die Rotation des Werkstücks gestartet wird und dass eine elektrische Gleichstromquelle zur Erzeugung eines errechneten elektrischen Stroms durch das Elektrolytbad und das Werkstück während einer errechneten Zeitdauer eingeschaltet wird, wobei das Einschalten der Anspritzvorrichtung bevorzugt erst nach der Befüllung des Elektrolytbads erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 - 16, dadurch gekennzeichnet, dass für das Elektrolytbad und die aufzuspritzende Elektrolytlösung identische Lösungen, bevorzugt kupfer- oder zinkhaltige Lösungen, verwendet werden und dass auf dem zu beschichtenden Werkstück insbesondere ein Zink- oder Kupferüberzug abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 - 17, dadurch gekennzeichnet, dass während der Abscheidung von Zink ein elektrischer Strom durch eine im Elektrolytbad eingetauchte Oberfläche des Werkstücks mit einer Stromdichte von wenigstens 10 A/dm², bevorzugt wenigstens 12 A/dm² und insbesondere wenigstens 15 A/dm², fliesst.