[0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optimalen Stromerzeugung bei Prozessen
der elektrochemisch initiierten plasmachemischen Schichterzeugung. Sie ist vor allen
Dingen bei der plasmachemischen Umwandlung elektrochemisch vorgebildeter Schichten,
beispielsweise auf Leichtmetallen oder deren Legierungen, anwendbar.
Es ist allgemein bekannt, daß plasmachemische Prozesse als parasitäre Vorgänge bei
der Formierung von Elektrolytkondensatoren mit Gleichspannung stattfinden können.
Die Patentschriften DU 142 360 und DE-OS 23 60 630 und DE-OS 23 60 688 beschreiben
die gezielte Nutzung dieses Effektes beim Formieren, bzw. Nachformieren von Elektrolytkondensatoren.
Dabei wird nach dem Durchlaufen einer Formierspannung, die materialabhängig ist und
häufig kleiner als 100 V beträgt, die (Gleichspannung bis zum Einsetzen der Plasmaentladung
gesteigert. Nachteilig an dieser Lösung ist,
- daß die hergestellten Schichten beträchtliche Rauhigkeiten besitzen
- und unterschiedliche Schichtdicken aufweisen.
[0002] Um derartige Nachteile auszuschließen, wurde in der Patentschritt US 4.869.789 vorgeschlagen,
den Prozeß der elektrochemisch initiierten plasmachemischen Schichterzeugung mit Impulsstrom
zu betreiben.
Für eine Anzahl verschiedenartiger komplexer elektrochemischer Prozesse ist der Einsatz
von Einrichtungen zur Erzeugung von Strom- bzw. Spannungsimpulsen bekannt, beispielsweise
- zum Galvanisieren - DE-OS 25 41 528; DE-OS 26 04 628
- zum Anodisieren/Eloxieren - DE-OS 33 05 355
- zum elektrolytischen Ätzen - DE-OS 15 64 486
- zur Formierung von Kondensatorfolien - DE-OS 14 89 695
- zur elektroerosiven Bearbeitung - US 4 776 281
[0003] Für den Aufbau von Impulssystemen sind eine Reihe technischer Prinzipien bekannt.
Eine Variante davon sind netzgeführte Stromrichter ohne Gleichstromzwischenkreis und
Energiespeicherung nach dem Prinzip der Phasenanschnittssteuerung , z. B. zur Ansteuerung
von Motoren aller Leistungsklassen oder für Licht- und Heizungssysteme. Der Nachteil
dieser Lösung für die Anwendung bei der elektrochemisch initiierten plasmachemischen
Schichterzeugung besteht
- in der Abhängigkeit der Kurvenform der Ausgangsspannung von der jeweilig gewählten
Impulsgröße
- in der starren Verkettung der Frequenz der Ausgangsspannung mit der Netzfrequenz
- in der Abhängigkeit des Tastverhältnisses und der Impulsspannung voneinander
- in der ungleichmäßigen, ungünstigen Netzbelastung, obwohl die netzseitige Entstörung
derartiger Stromrichter technisch als gelöst gilt.
[0004] Eine andere Variante zum Aufbau von Impulssystemen sind fremdgeführte Stromrichter
mit Gleichstromzwischenkreis. Damit kann den Nachteilen der obigen Variante begegnet
werden.
Zur Erzeugung von Impulsen unterschiedlicher Impulsspannung bzw. -strom aus einer
durch die Netzgleichrichtung festgelegten Spannung ist der Einsatz von Speicherbauelementen
( im allgemeinen Induktivitäten mitunter auch in Kombination mit Kapazitäten) notwendig,
z. B. Sperrwandler, wie in der DE-OS 30 40 491 beschrieben. Sie werden genutzt, um
eine Versorgungsgleichspannung nach Gleichrichtung und Glättung der Impulse zu erzeugen
(Schaltnetzteile).
Für die Anwendung bei der elektrochemisch initiierten plasmachemischen Schichterzeugung
ergeben sich folgende Nachteile:
- Auftreten sehr unterschiedlicher Lastverhältnisse,
- Deshalb muß die in die Induktivität eingekoppelte Energie von den Lastverhältnissen
abhängig gemacht werden. Das führt zwingend zu einer von der Last in weiten Grenzen
abhängigen Arbeitsfrequenz, einem unterschiedlichen Tastverhältnis und einer nicht
exakt reproduzierbaren Beschichtungstechnologie. Die freie Wählbarkeit der Beschichtungsparameter
ist extrem eingeschränkt.
Der zeitliche Verlauf von Strom und Spannung ist bei kurzzeitigen Lastschwankungen,
wie sie für diese Prozesse bekannt sind, nicht ausgleichbar.
Es ist keine Sicherheit zur Begrenzung der im Impuls auftretenden Spannungsspitze
gegeben und deshalb sind lokale Defekte der Schicht unvermeidbar.
Die betriebsmäßig auftretenden Spannungsspitzen führen zu erhöhten Anforderungen an
die Schalterbauelemente (hohe Strombelastbarkeit in Verbindung mit hoher Spannungsfestigkeit).
[0005] Aus mündlichen Mitteilungen der Technischen Universität Chemnitz ist bekannt, bei
Verfahren der elektrochemisch initiierten plasmachemischen Schichterzeugung auf eine
Umrichtung völlig zu verzichten und das Elektrodensystem direkt mit Wechselstrom bzw.
Drehstrom zu beaufschlagen. Nachteilig an dieser Lösung ist im besonderen:
- der bereits in der ersten Variante des Aufbaus von Impulssystemen erörterte Einsatz
von Festfrequenzen,
- die sehr hohen notwendigen Symmetrieanforderungen an die verwendeten Elektroden (identische
Teile mit identischer Vorbehandlung)
- die durch Disproportionierungseffekte schlechte Reproduzierbarkeit der Schichten.
- Damit ist dieses Verfahren für Präzisionsteile in der Feingerätetechnik generell nicht
geeignet.
[0006] Es ist festzustellen, daß die elektrische Prozeßführung bei der elektrochemisch initiierten
plasmachemischen Schichterzeugung sehr unterschiedlich gehandhabt wird und in die
Bewertung der erzeugten Schichten unzureichend einbezogen wurde. Neben der Charakteristik
der eingesetzten Elektrolytsysteme ist sie jedoch die zweite wesentliche Einflußgröße
auf den Prozeß der elektrochemisch initiierten Plasmabeschichtung. Allgemein bekannt
ist, daß zwei Prozeßstufen existieren, die durch eine Steigerung der Elektrodenspannung
ineinander übergehen. Die erste Stufe ist die sogenannte Formierphase, die einen rein
elektrochemischen Prozeß darstellt und die meist bei Spannungen kleiner als 100 V
abläuft. Bei höheren Spannungen setzen dann Plasmaentladungen unter Funkenbildung
ein, die die eigentliche Schichtbildung realisieren. Der besondere Nachteil besteht
dabei im empirischen Charakter der bisher bekannten Prozeßführungsstrategien, der
die Festlegung definierter technologischer Bedingungen erschwert.
[0007] Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur kontinuierlichen
Stromversorgung bei Prozessen der elektrochemisch initiierten plasmachemischen Schichterzeugung
zu schaffen, die die Erzeugung von Schichten ohne lokale Defekte mit guter Reproduzierbarkeit
und unter definierten technologischen Bedingungen ermöglicht. Diese Schaltungsanordnung
soll sich selbst optimieren und die Netzrückwirkungen und Unsymmetrien minimieren.
Dieses Problem wird mit den Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung ist im Anspruch 2 angegeben, indem als Kondensator ein Elektrolytkondensator
eingesetzt ist.
[0008] Mit der Erfindung wird im Anwendungsfall eine ökonomisch vertretbare Lösung für eine
kontinuierliche Stromversorgung bei Prozessen der elektrochemisch initiierten plasmachemischen
Schichterzeugung und damit verbunden die Erzeugung von Schichten ohne lokale Defekte,
mit guter Reproduzierbarkeit und unter definierten technologischen Bedingungen im
Gegensatz zu den herkömmlich bekannten Lösungen erreicht.
[0009] Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Figur 1 bis 3 erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- das Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
- Fig. 2
- die Wirkung der erfindungsgemäßen Schaltung im Diagramm; zeitlicher Verlauf von Strom
und Spannung
- Fig. 3
- im quasistationären Fall den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung im Badkreis
[0010] In Figur 1 sind als steuerbare Gleichspannungsquelle ein stellbarer Drehstrom-Transformator
1 mit einem Steuerausgang und nachgeschalteter 6-Puls-Gleichrichterschaltung 2 mit
einem Ausgang stromquellenseitig und einem Ausgang stromsenkenseitig angeordnet. Der
stromquellenseitige Ausgang der 6-Puls-Gleichrichterschaltung 2 liegt über eine Strombegrenzungsdrossel
3, über ein Impulsanalysator 4, der zu dem Bad 5 zur Prozeßdurchführung parallel geschaltet
ist, über ein Schalterbauelement 6 und über ein Stromsensor 7 am stromsenkenseitigen
Ausgang der 6-Puls-Gleichrichterschaltung 2 an. Außerdem ist der stromquellenseitige
Ausgang der 6-Puls-Gleichrichterschaltung 2 zweifach als Brückenschaltung mit seinem
stromsenkenseitigen Ausgang verzweigt. Die erste Brückenschaltung, die aus einem parallel
geschalteten Kondensator 8 zu einem Spannungssensor 9 besteht, liegt über einen Knotenpunkt
K am stromquellenseitigen Ausgang der 6-Puls-Gleichrichterschaltung 2 und über den
anderen Knotenpunkt zwischen Schalterbauelement 6 und Stromsensor 7 an. Die zweite
Brückenschaltung, die eine Freilaufdiode 10 enthält, liegt nach dem Knotenpunkt K
am Eingang der Strombegrenzungsdrossel 3 und vor dem Schalterbauelement 6 an. Dem
Bad 5 zur Prozeßdurchführung ist ein optoelektronischer Sensor 11 zugeordnet. Jeweils
ein weiterer Ausgang des Impulsanalysators 4, des optoelektronischen Sensors 11, des
Spannungssensors 9 und des Stromsensors 7 liegt an Eingängen der Steuerelektronik
12 an. Die Steuerelektronik 12 ist dem Drehstrom-Transformator 1 zugeordnet und ein
Ausgang liegt am Schalterbauelement 6 an.
Als Kondensator 8 ist ein Elektrolytkondensator eingesetzt.
[0011] Die Schaltung wirkt in nachstehender Weise und wird mit dem Diagramm in Fig. 2 näher
erläutert. Die steuerbare Gleichspannungsquelle ist als stellbarer Drehstrom-Transformator
1 mit nachgeschalteter 6-Puls-Gleichrichterschaltung 2 ausgelegt. Es wird damit eine
steuerbare Gleichspannung von 0 V bis 500 V bei geringer Restwelligkeit mit geringem
Aufwand erzeugt. Die Ansteuerung des Stellmotors wird von der Steuerelektronik 11
übernommen.
In Abhängigkeit vom gewählten Elektrolyt mit dem zu beschichtenden Material wird für
das Schalterbauelement 6 eine Einschaltzeit t
an = 10 ms > t
an 20 µs festgelegt. Mit einer Spannungsanstiegsgeschwindigkeit
dU = 5 V · s⁻¹ >
dU > 0,2 V · s⁻¹ wird mittels des stellbaren Drehstrom-Transformators 1 und der 6-Puls-Gleichrichterschaltung
2 eine von 0 V linear steigende Gleichspannung erzeugt, die den Formierprozeß bewirkt.
Eine Abschaltung der Impulsansteuerung des Schalterbauelementes 6 und der Betrieb
des Bades 5 zur Prozeßdurchführung mit Gleichstrom ist möglich, erweist sich jedoch
als nicht vorteilhaft. Die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit
dU wird so gewählt, daß mittlere Stromdichten
I zwischen 0,005 A · cm⁻² und 0,5 A · cm⁻² realisiert werden. Bei gegebener Spannungsanstiegsgeschwindigkeit
dU ist der einstellende Formierstrom I
F ein Maß für die wirksame Oberfläche und kann daher in der Relation I
P = const · I
F für den eigentlichen Beschichtungsprozeß zur Bestimmung des optimalen Betriebsstromes
I
P während der Plasmaentladungen herangezogen werden. Mit Erreichen des Zeitpunktes
t
F für die Formierzeit, kenntlich am Einsetzen der Funkenentladungen - Registrierung
mit dem optoelektronischen Sensor 11 im NIR-Gebiet, in dem die meisten Elektrolyten
durchlässig sind, bzw. mit dem Erreichen der Spannung U
F -maximale Formierspannung ohne Plasmaentladung, wird die Gleichspannung so gesteuert,
daß sich stets der konstante mittlere Strom I
P einstellt. Dies führt zum Ansteigen der Spannung bis zum gewählten Endwert, der in
Abhängigkeit von Material und Schichtdicke zwischen 180 V und 500 V liegt. Ab diesem
Zeitpunkt t
P = Zeit der Plasmaentladungen bei konstantem Strom wird die Spannung konstant gehalten,
bis der Strom auf den vorgewählten Endwert I
E = Abschaltstromstärke abgeklungen ist, der zwischen 10% und 80% des Wertes I
P liegen soll. Danach erfolgt die Abschaltung der Spannungsquelle und der Beschichtungsprozeß
ist beendet. Durch die Steuerelektronik 12 wird die Ausarbeitung dieses Steuerregimes
garantiert.
[0012] Weiterhin sind noch folgende Schutzfunktionen eingebunden:
1. Durch Bewertung des Ausgangssignales des Stromsensors 7 wird das Schalterbauelement
6 beim Überschreiten eines kritischen Stromwertes (Kurzschluß oder Überlast) verriegelt,
gleichzeitig erfolgt die Absenkung der durch den Drehstrom -Transformator 1 erzeugten
Gleichspannung. Nach Beseitigung der Fehlerursache erfolgt ein erneuter Systemstart.
2. Bei mangelhafter Kontaktierung des Werkstückes kann ein stabiler Stromfluß und
damit eine korrekte Schichterzeugung nicht garantiert werden. Darüber hinaus entsteht
bei plötzlichem Wiedereinsetzen der Kontaktierung unter den Bedingungen einer erhöhten
Spannung eine extreme Belastung des Schalterbauelementes 6. Bei Indikation dieser
Art von Störung durch den Stromsensor 7 wird ebenfalls das Schalterbauelement 6 verriegelt
und die Spannung abgesenkt. Nach Beseitigung der Fehlerursache erfolgt ein erneuter
Systemstart. Frequenzen und Tastverhältnis des Ansteuersignals für das Schalterbauelement
6 werden nach folgenden Gesichtspunkten optimiert.
Die Frequenz sollte aus physiologischen Gründen sich von 1 kHz unterscheiden, um den
subjektiven Schalteindruck beim Betrieb des Verfahrens so gering als möglich zu halten.
Andererseits ist mit einer Erhöhung der Frequenz bis zu einem systemabhängigen Grenzwert
eine Verbesserung der Schichteigenschaften zu verzeichnen, da durch häufiges Löschen
der Plasmaentladung "Einbrenneffekte" vermieden werden.
[0013] Die Wahl der Tastverhältnisse und der einzelnen Teilzeiten wird anhand von Fig. 3
erläutert. Fig. 3 zeigt im quasistationären Fall den zeitlichen Verlauf von Strom
und Spannung im Badkreis. Beim Zuschalten der Impulsspannung zum Zeitpunkt t
O efolgt aufgrund des extremen kapazitiven Verhaltens derartiger Anordnungen in Elektrolyten
ein intensiver Stromanstieg, der durch die Strombegrenzungsdrossel 3 limitiert wird.
Danach stellt sich ein stabiler Impulsstrom ein. Beim Erreichen des Zeitpunktes t₁
wird das Schalterbauelement 6 abgeschaltet. Die in der Strombegrenzungsdrossel 3 gespeicherte
Energie wird im System über die Freilaufdiode 10 umgesetzt und die Systemkapazität
sehr schnell auf einen Wert entladen, bei dem die Plasmaentladungen aussetzen, Zeitpunkt
t₂ = Energieabbau des elektrochemischen Systems beendet; Übergang zur parasitären
Entladung des "Elektrolytkondensators" des Systems. Zum Zeitpunkt t₃ wird der Zyklus
erneut gestartet.
Die Zeitdauer t
aus muß so gewählt werden, daß die Plasmaentladungen sicher verlöschen. Zur Indikation
des Erlöschens der Plasmaentladungen ist der optoelektronische Sensor 11 eingesetzt,
ebenso wird das Ausgangssignal des Impulsanalysators 4 verwendet. Im Falle vorhandener
Kenntnisse über die aktuellen Zeitverläufe im System, bezogen auf die eingesetzte
Elektrolyt-Werkstoffpaarung, können der optoelektronische Sensor 11 und der Impulsanalysator
4 entfallen.
Die Zeitdauer t
an bestimmt den maximal möglichen Energieumsatz und die erreichbare Frequenz. Beide
Größen reagieren gegenläufig. Während bei erhöhtem Energieumsatz ein stärkeres Schichtwachstum
zu verzeichnen ist, führt die höhere Frequenz zu qualitativ besseren Schichten.
[0014] Zur Beschichtung eines Aluminiumwerkstoffes mittels elektrochemisch initiierter plasmachemischer
Schichterzeugung wird eine Impulsfrequenz von 500 Hz gewählt und ein Tastverhältnis
1:4 eingestellt. Für die Regelung wird als kritische Stromdichte der Wert von 0,09
A · cm⁻² angewandt, die Beschichtungsendspannung beträgt 300 V. Nach Absinken der
Stromdichte kleiner als 0,01 A · cm⁻² wird die Impulsspannung abgeschaltet. Die erzeugte
Schicht besitzt eine extrem feine Morphologie mit einer Schichtdicke von 17 µm, die
ausgezeichnete optische und vakuumhygienische Eigenschaften aufweist.
1. Schaltungsanordnung zur Stromversorgung bei Prozessen der elektrochemisch initiierten
plasmachemischen Schichterzeugung, bestehend aus einer steuerbaren Gleichspannungsquelle,
einem Bad zur Prozeßdurchführung und zugehöriger Steuerelektronik, dadurch gekennzeichnet,
a) daß als steuerbare Gleichspannungsquelle ein stellbarer Drehstrom-Transformator
(1) mit nachgeschalteter 6-Puls-Gleichrichterschaltung (2) eingesetzt ist, wobei der
stellbare Drehstrom-Transformator (1) einen Steuereingang und die 6-Puls-Gleichrichterschaltung
(2) einen Steuerausgang stromquellenseitig und einen Ausgang stromsenkenseitig trägt,
b) daß der stromquellenseitige Ausgang der 6-Puls-Gleichrichterschaltung (2) über
eine Strombegrenzungsdrossel (3), über ein zu einem Impulsanalysator (4) parallel
geschaltetes Bad (5) zur Prozeßdurchführung, über ein Schalterbauelement (6) und über
einen Stromsensor (7) am Ausgang stromsenkenseitig der 6-Puls-Gleichrichterschaltung
(2) anliegt,
c) daß der stromquellenseitige Ausgang der 6-Puls-Gleichrichterschaltung (2) zweifach
als Brückenschaltung mit seinem stromsenkenseitigen Ausgang verzweigt ist,
d) wobei die erste Brückenschaltung, bestehend aus einem parallel geschalteten Kondensator
(8) mit einem Spannungssensor (9) über einen Knotenpunkt (K) am stromquellenseitigen
Ausgang der 6-Puls-Gleichrichterschaltung (2) zwischen Schalterbauelement (6) und
Stromsensor (7) anliegt,
e) und die zweite, eine Freilaufdiode (10) enthaltende Brückenschaltung nach dem Knotenpunkt
(K) am Eingang der Strombegrenzungsdrossel (3) und zwischen Schalterbauelement (6)
und Parallelschaltung des Impulsanalysators (4) mit dem Bad (5) zur Prozeßdurchführung
anliegt,
f) daß dem Bad (5) zur Prozeßdurchführung ein optoelektronischer Sensor (11) zugeordnet
ist,
g) und daß jeweils ein weiterer Ausgang des Impulsanalysators (4), des optoelektronischen
Sensors (11), des Spannungssensors (9) und des Stromsensors (7) an Eingängen der Steuerelektronik
(12) anliegt,
h) daß die Steuerelektronik (12) dem stellbaren Drehstrom-Transformator (1) zugeordnet
ist,
i) und daß ein Ausgang der Steuerelektronik (12) am Schalterbauelement (6) anliegt.
2. Schaltungsanordnung zur Stromerzeugung bei Prozessen der elektrochemisch initiierten
Schichterzeugung, dadurch gekennzeichnet,
daß als Kondensator (8) ein Elektrolytkondensator eingesetzt ist.