Iterationszyklus Datenerarbeitung

Vorbemerkung: Simulation am Beispiel von Elsy (2D)

Zum besseren Verständnis der in der Arbeit dargestellten Rechnungen wird nachfolgend eine stark zusammengefasste Beschreibung der Hauptaspekte der genutzten Software gegeben.

Das von Elsy genutzte Potenzialmodell stellt eine Vereinfachung dar, bei der Konzentrati-onsgradienten im Elektrolyt vernachlässigt werden. Die Stromdichte ergibt sich daraus in Übereinstimmung mit dem Ohm’schen Gesetz. Es können als zusätzliche Randbedingun-gen für die Elektrodenreaktionen z. B. eine Butler-Volmer-Gleichung vorgegeben werden.

(Elsyca NV 2006, S. 15–20)

Die Modellerstellung erfolgt in Elsy über die Vorgabe von Punkten anhand von Koordina-ten in einem 2D-KoordinaKoordina-tensystem. Die KoordinaKoordina-ten werden entweder als Absolutwerte vorgegeben oder über Parameter und Gleichungen berechnet. Für rotationssymmetrische

Geometrien wird die y-Achse als Rotationsachse angenommen, für alle anderen Aus-gangssituationen wird das Modell als Querschnitt mit einer vorzugebenden Zelltiefe be-rechnet. Über die Punkte werden Linien definiert, welche die Geometrie des Modells dar-stellen und den Simulationsraum begrenzen. Für jede Linie kann die Anzahl der Elemente und deren Verteilung vorgegeben werden, aus denen das Netz generiert wird. Außerdem wird jeder Linie deren Typ (Elektrode, Isolator etc.) zugewiesen, anhand diesem werden spätere Vorgaben von Randbedingungen (Stromstärke, Potenzial) ermöglicht. (Elsyca NV 2006)

Für die Elektroden kann als Randbedingung ein Stromwert oder ein Spannungswert vor-gegeben werden. Bei der Berechnung der primären Stromdichteverteilung kann der Vor-gabewert fast beliebig gewählt werden, da dies nur Auswirkungen auf die Absolutwerte der primären Stromdichtverteilung erzeugt, die relativen Verhältnisse jedoch gleich blei-ben. Es ist daher für eine einfachere Bewertung die Vorgabe eines Werts sinnvoll, welcher eine Prozentuale Auswertung erlaubt (z. B. Sollstromdichte auf den Bauteilflächen von durchschnittlich 1 A/dm² oder 100 A/dm²). Bei der Berücksichtigung der elektrochemi-schen Einflüsse über die Butler-Volmer-Gleichung (sekundäre Verteilung) ist der Absolut-wert durchaus relevant, hier müssen die realen Werte des betrachteten Elektrolyten vor-gegeben werden (sowohl für die Gleichung als auch für die Randbedingungen Spannung / Stromdichte), um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten. Die Berechnungsergebnisse können für die einzelnen Elektroden als Darstellung der Stromdichte über die abgewi-ckelte Länge einer Elektrode oder im Modell durch verschiedene Visualisierungsmöglich-keiten dargestellt werden. Eine genauere Analyse und die Interpretation müssen ggfs.

durch den Benutzer in weiteren Arbeitsschritten durchgeführt werden.

Datenerarbeitung

Wie in 3.2.2 beschrieben, ist der Profilkörper ein Bauteil mit rechteckigem Querschnitt (37,5 mm x 10,25 mm), welches auf einer Seite symmetrisch zur Mitte über die gesamte Höhe (80 mm) von vier Nuten durchzogen ist. Die Nuten sind dabei unterschiedlich breit und tief, an verschiedenen Punkten stellen sich somit unterschiedliche Stromdichten für die Beschichtung ein. Die Position der Messpunkte und die zugehörige simulierte primäre Stromdichteverteilung sind in Abbildung 7.5 dargestellt.

Abbildung 7.5: Zusammenhang zwischen Messpunkten des Profilkörpers zur primären Stromdichte. Messpunkte 20-22 sind optional und werden standardmäßig nicht ausge-wertet.

In der Standardauswertung werden 11 Punkte gemessen, die Nummerierung der Punkte ergibt sich durch entfallene Zwischenpunkte. Die Punkte 20-21 der Rückseite werden nur in Sonderfällen mit ausgewertet und wurden im vorliegenden Fall nicht genutzt. Die Ver-suche werden mit einstellbarer Drehzahl durchgeführt, die Rotation erfolgt dabei immer in gleicher Richtung.

Die primäre Stromdichte der dargestellten Punkte 1-19 beträgt im Mittelwert nahezu exakt 100 %, die an diesen Punkten gemessene Schichtdicke stimmt damit in etwa mit der mittleren Schichtdicke des Bauteils überein. Der Wertebereich liegt zwischen fast 0 % in der tiefsten Nut und 166 % an den äußeren Stegen. Eine Übersicht ist in Tabelle 7.3 gelistet.

Tabelle 7.3: Stromdichtewerte der Simulationsrechnung für die Profilkörpermesspunkte Messpunkte 4&16 8&12 10 6&14 1&19 2&18 Ø prim. Stromdichte [%] 0,1 45,9 88,5 140,2 157,2 166,4 100,7 Für die reine Auswertung der Schichtdicke besteht auch die Möglichkeit einer zerstörungs-freien Messung der oberen Punkte 2, 8, 10, 12 und 18, beispielsweise über Röntgenfluo-reszenzanalyse (RFA). Hauptvoraussetzung hierfür ist eine geeignete maximale Schichtdi-cke, welche material- und geräteabhängig ist. Diese fünf Punkte weisen einen primären

Stromdichtemittelwert von 102,6 % auf und können damit näherungsweise ebenfalls zur Bestimmung der mittleren Schichtstärke zusammengefasst werden.

Die nachfolgend angeführten Ergebnisse auf Profilkörpern erfolgten während der parallel laufenden Verfahrensentwicklung mit dem Beschichtungsstand und wurden über Quer-schliffe metallografisch ausgewertet. Es wurden die Werte des später in der Anlage ein-gesetzten Elektrolyten genutzt. Die Profilkörper inkl. der Positionierung der Messpunkte wurden nicht während dieser Arbeit erstellt, sondern sind am Fraunhofer IPA in früheren Entwicklungen entstanden. Die nachfolgend beschriebenen Analysen zur Korrekturfakto-rermittlung und die entsprechende Anwendung entstanden im Rahmen dieser Arbeit.

Die Schichtdicke der einzelnen Messpunkte wurde jeweils in einen prozentual normierten Wert umgerechnet, dieser ist auf die mittlere Schichtdicke bezogen. Dies erlaubt auch einen Vergleich mit deutlich unterschiedlichen Beschichtungsdauern bzw. Schichtstärken (Tabelle 7.4). Die Ergebnisse von Versuchen mit identischen Stromdichten wurden zu Mit-telwerten zusammengefasst.

Tabelle 7.4: Normierte Schichtdickenwerte bei verschiedenen Nennstromdichten für den in Entwicklung befindlichen NiW-Elektrolyten (Werte in Prozent)

Messpunkt 1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 19

Bereits in der normierten Auswertung werden Tendenzen sichtbar, anhand der vorliegen-den Daten kann mit zunehmender durchschnittlicher Stromdichte eine schlechtere Streufähigkeit erkannt werden. Dies wird insbesondere an den Messpunkten der tiefsten Nut (Punkte 4 und 16) mit den stark abnehmenden relativen Schichtstärken deutlich.

Ebenso wird an den äußeren Stegen (Punkte 2 und 18) eine starke Asymmetrie sichtbar.

Dies ist durch die unterschiedliche Hydrodynamik der eindrehenden und ausdrehenden Seiten bei der Rotation des Profilkörpers zu erklären.

Die Datenerarbeitung ist im Rahmen der Methodik als Iterationszyklus angelegt, da sie erst abgeschlossen ist, wenn ausreichende Datenmengen in der benötigten Qualität vor-liegen. Bei der Auswertung ist nach guter wissenschaftlicher Praxis vorzugehen und die Belastbarkeit der Daten sicherzustellen. Dies bedeutet wiederum, dass bei einem nicht eindeutigen Bild im Rahmen der Datenauswertung weitere Wiederholungsversuche vor-zusehen sind, bis zufällige Einflüsse ausgeschlossen werden können.