Entwicklung und Untersuchung einer Bypass-Messzelle zur Onlinemessung der Geschwindigkeit von Metallabscheidungen

In der Galvanotechnik werden zur gezielten Eigenschaftsverbesserung metallische Schich­ten auf Werkstückoberflächen abgeschieden. Dazu werden die Werkstücke in Prozess­lösungen getaucht, in denen es durch elektrochemische Vorgänge zur Metall­abscheidung kommt. Die Geschwindigkeit, mit der diese Abscheidung abläuft, ist eine wichtige Prozess­größe, da von ihr die Schichtdicke und andere wichtige Qualitätsparameter bestimmt werden. Bisher ist die Abscheidegeschwindigkeit während der Oberflächen­behandlung nicht genau bekannt, da sie in vielfältiger Weise von verschiedenen Prozess­parametern abhängt und ein prozesstaugliches Messverfahren fehlt.

Am Institut für Automatisierungstechnik entstand ein neuartiges Verfahren zur Online­messung der Geschwindigkeit der Metallabscheidung. Dabei wurde ein longitudinal schwin­gender Sensor­stab entwickelt, der in die Prozesslösung des Oberflächenbehandlungs­prozesses taucht und auf dessen Spitze eine prozessadäquate Abscheidung stattfindet. Als Alternative zur direkten Messung im Behandlungsprozess soll nun eine Messung in einem Bypass entwickelt werden. Eine solche Bypass-Messung wird notwendig, wenn eine direkte Messung in der Behandlungsstufe nicht möglich ist. Ferner lassen sich im Bypass besser konstante Verhält­nisse für den Messprozess realisieren. Im Rahmen der Arbeit soll eine Bypassmesszelle entworfen, realisiert und experimentell untersucht werden.

Folgende Teilaufgaben sind zu bearbeiten:

• Analysieren der Anforderungen an die Messung der Abscheidegeschwindigkeit in einer Bypass-Messzelle
• Entwurf einer kontinuierlich durchströmten Messzelle
• Realisierung und Inbetriebnahme eines Versuchsaufbaus zur Untersuchung der Messeinrichtung
• Funktionsnachweis der Messung in der Bypass-Messzelle
• Regelungs- und gerätetechnische Optimierung des Messverfahrens

Ansprechpartner:
Dr.-Ing. E. Giebler (Fa. Somonic Solutions GmbH)

Modellierung und Simulation des Schwingungsverhaltens eines Sensors zur Messung von Masseänderungen

Am Institut für Automatisierungstechnik wurde ein Messverfahren entwickelt, das die Onlinemessung der Geschwindigkeit einer Metallabscheidung ermöglicht. Bei diesem Verfahren taucht ein stabförmiger Schwingungssensor in die Prozesslösung einer galvanotechnischen Beschichtungsstufe, sodass auf der Sensorspitze eine prozessadäquate Abscheidung stattfindet. Die durch die Metallabscheidung hervorgerufene Masseänderung bewirkt die Verschiebung der Eigenfrequenz des Schwingungssystems. Durch eine Phasenregelung wird das Schwingungssystem fortlaufend in seiner Eigenfrequenz angeregt. Aus dem Verlauf der Eigenfrequenzschwingung kann der Verlauf der Sensormasse bzw. die Geschwindigkeit der Masseänderung abgeleitet werden.

Im Mittelpunkt der Arbeit steht die konstruktive Optimierung des Sensors. Diese soll durch die Modellierung und Simulation des Sensorverhaltens systematisch unterstützt werden. Ziel ist dabei, die Optimierung effektiv und mit einer geringst möglichen Anzahl an Sensor-Funktionsmustern durchzuführen. Ausgehend von existierenden Mustern des Stabsensors sollen Modelle gebildet und rechentechnisch umgesetzt werden. Durch geeignete Experimente müssen die Modelle validiert und nötige Parameter gewonnen werden. Die Modelle sollen anschließend zur Sensoroptimierung genutzt werden, bei der sowohl konstruktive Parameter als auch unterschiedliche Werkstoffe zu untersuchen sind.

Folgende Teilaufgaben sind zu bearbeiten:

• Analysieren der Anforderungen an das Sensorsystem
• Modellierung des Schwingungsverhaltens des Stabsensors
• Experimentelle Validierung und Parametergewinnung
• Optimierung des Sensorverhaltens durch Variation konstruktiver Parameter
• simulative Untersuchung verschiedener Werkstoffe

Vorkenntnisse: Grundkenntnisse FEM-basierter Simulation

Ansprechpartner:
Dr.-Ing. E. Giebler (Fa. Somonic Solutions GmbH)

Ursachen und Kompensationsmöglichkeiten thermischer Effekte bei der Onlinemessung der Abscheidegeschwindigkeit

Ein am Institut für Automatisierungstechnik entwickeltes neuartiges Messverfahren ermög­licht die Onlinemessung der Geschwindigkeit der Metallabscheidung. Bei diesem Verfahren taucht ein Schwingungssensor in die Prozesslösung einer galvanotechnischen Prozessstufe, sodass auf der Sensorspitze eine prozessadäquate Abscheidung stattfindet. Die dadurch hervorgerufene Masseänderung bewirkt die Verschiebung der Eigenfrequenz des Schwingungssystems. Durch eine Phasenregelung wird das Schwingungssystem fortlaufend in seiner Eigenfrequenz angeregt. Aus dem Verlauf der Eigenfrequenzschwingung kann der Verlauf der Sensormasse bzw. die Geschwindigkeit der Masseänderung abgeleitet werden.

Bei der in Vorgängerarbeiten entstandenen Realisierung des Messverfahrens sind nicht unerhebliche Querempfindlichkeiten zur Temperatur zu beobachten. Hierfür kann es verschiedene physikalische und elektrisch/elektronische Ursachen geben. Im Rahmen der Arbeit sollen die Ursachen der Temperaturempfindlichkeit im Detail geklärt werden. Dazu sind geeignete Versuche durchzuführen. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse sollen Möglichkeiten zur Verminderung der Temperaturempfindlichkeit gefunden werden. Für die verbleibende Querempfindlichkeit zur Temperatur ist eine passende Kompensation zu entwerfen.

Folgende Teilaufgaben sind zu bearbeiten:

• Analysieren der Anforderungen an die Messung der Abscheidegeschwindigkeit
• Analyse des Temperaturverhaltens der mechanischen und elektronischen Komponenten des Sensorsystems
• Entwurf geeigneter Experimente zur Untersuchung des statischen und dynamischen Temperaturverhaltens
• konstruktive Optimierung des Stabsensors bezüglich des Temperaturverhaltens
• Optimierung der Messelektronik bezüglich des Temperaturverhaltens
• Entwicklung einer Temperaturkompensation für die Messung der Abscheidegeschwindigkeit

Ansprechpartner:
Dr.-Ing. E. Giebler (Fa. Somonic Solutions GmbH)