Methoden- und Modellentwicklung zur Simulation von Schichtdickenverteilungen auf komplex geformten Bauteilen bei galvanischer Schichtabscheidung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Lampke
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524933028

Durch galvanisches Beschichten sind Oberflächeneigenschaften in weiten Grenzen einstellbar. Dazu müssen die Schichten insbesondere hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und Dicke definierten Anforderungen entsprechen. Die numerische Simulation der Schichtdickenverteilung von galvanisch abgeschiedenen Schichten gehört zu den herausfordernden Aufgaben der Prozess- und Elektrolytauslegung, insbesondere auf komplex geformten Bauteilen. Derzeit verwendete Modelle treffen eine Vielzahl an vereinfachenden Annahmen. So wird beispielsweise die Reaktionskinetik im Bad, an der Anode und an der Kathode nicht vollumfänglich berücksichtigt. Dies liegt darin begründet, dass die nötigen physikalischen Parameter wie Diffusionskoeffizienten und Ratenkonstanten der Reaktionen für den konkreten Abscheideprozess in der Regel unbekannt sind. Jedoch müssen diese Reaktionen insbesondere für alkalische Elektrolyte beachtet werden, da die hier zugegebenen Komplexbildner freie Metallionen reaktiv binden und diese für den Schichtbildungsprozess nicht zur Verfügung stehen. Durch eine vollständige Berücksichtigung der Badreaktionen ist eine Prädiktion der Schichtdickenverteilung mit der erforderlichen Genauigkeit möglich. Dazu werden im Projektvorhaben auf Basis vorheriger, eigener Forschungsarbeiten ein numerisches Modell aufgestellt, das diese Erweiterungen enthält, und die erforderlichen Methoden zur effizienten mathematischen Lösung entwickelt. Die Bestimmung der notwenigen physikalischen Parameter erfolgt durch numerische Modellierung in Kombination mit adaptierten experimentellen Methoden. Diese Vorgehensweise eröffnet eine gute Übertragbarkeit auf weitere bzw. neue Elektrolyte. Exemplarisch werden die Experimente, die Modelle und die Software an einem praxisrelevanten Zitronensäure-Nickel-Elektrolyten kalibriert und nachfolgend am System Zitronensäure-Kobalt validiert. Die numerische Modellentwicklung nutzt moderne mathematische und numerische Methoden (z. B. adaptive FEM), sodass eine gesteigerte Genauigkeit der Vorhersage der Schichtdickenverteilung bei einer Vielzahl von Elektrolyten auch auf komplex geformten Bauteilen mit akzeptablen Rechenzeiten möglich wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen