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Samstag, 27 August 2022 12:00

Wie Stromschwankungen die Streufähigkeit beeinflussen…

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Geschätzte Lesezeit: 3 - 6 Minuten

... und die Qualität der Beschichtung

Die Bedeutung der Kontrolle des Stromflusses

Wenn Strom von Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt wird, fließt der Strom in Wellenform. Genauso wie ein Licht, das mit einem solchen Strom betrieben wird, flackern würde, werden auch elektrochemische Prozesse beeinträchtigt, indem sie entweder verlangsamt oder gestoppt werden, wenn auch nur für Millisekunden – und für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar. Dieser Artikel zeigt, wie die Schwankungsbreite dieser Wellen – hoch oder niedrig – einen erheblichen Einfluss auf die Homogenität und Streufähigkeit, die Beschichtungsqualität und die für die Metall-veredelung erforderlichen Ressourcen hat.

Numerische Messwerte zeigen Durchschnittsspannung an

Die Spannungsanzeige auf einer Gleichrichtertafel ist nur ein Durchschnittswert. Was wirklich zählt, ist der Prozentsatz der Nennspannung, der tatsächlich genutzt wird. Zum Beispiel entsprechen 7,3 V eines 18-V-Gleichrichters 40,4 %. Das Schaubild in Abbildung 1 zeigt, wie die Realität hinter diesem Durchschnitt aussieht und was tatsächlich passiert. Hier sehen wir den Stromausgang über einen silikongesteuerten Gleichrichter (SCR) oder Thyristor bei 100 % (in blau) und 40,4 % (in dunkelblau). Jede Welle, oder Restwelligkeit, dauert etwa 3 Millisekunden. Wenn die Ausgangsspannung 100 % der Nennspannung beträgt, sind die Restwelligkeiten gering. Aber solche hohen Spannungen würden zu hohe Ströme für die Hartverchromung erzeugen – über 1000 bis 1200 ASF (Ampere pro Quadratfuß). Bei einem Wert unter 100 % werden die Spitzen und Senken der Stromversorgung jedoch deutlicher. Bei einem Durchschnittswert von 40,4 % schwankt die Stromwelligkeit also etwa alle 3 Millisekunden zwischen 0 und etwa 840 ASF – eine enorme Schwankung, die sich auf die Beschichtungsleistung auswirkt.

Abb. 1: SCR-Gleichrichter-Wellenformen bei verschiedenen AusgangssollspannungenAbb. 1: SCR-Gleichrichter-Wellenformen bei verschiedenen Ausgangssollspannungen

Abb. 2: Theoretische Wellenformen von SCR- und Schaltgleichrichtern bei verschiedenen AusgangssollspannungenAbb. 2: Theoretische Wellenformen von SCR- und Schaltgleichrichtern bei verschiedenen Ausgangssollspannungen

 

Siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCR) reduzieren die Restwelligkeit etwas, indem sie teure Filter verwenden, die im besten Fall eine Restwelligkeit von 5 % bei 100 % der Nennspannung des Geräts versprechen (die sich mit sinkender Ausgangsspannung verschlechtert). Ein Schaltgleichrichter von KraftPowercon aus Surte in Schweden, liefert nur ~1% Restwelligkeit, unabhängig von der Ausgangsspannung, was wesentlich geringer ist als bei herkömmlichen Gleichrichtern. In dem Diagramm in Abbildung 2 zeigt die grüne Linie die Restwelligkeit eines Schaltgleichrichters. Beide Gleichrichter zeigen eine durchschnittliche Spannung von etwa 44 % des Nennwerts an (z. B. etwa 5 V von einem 12-V-Gleichrichter), aber es gibt einen großen Unterschied zwischen dem Dunkelblauen (SCR) und dem Grünen (Switch Mode). Durch den Einsatz des Schaltgleichrichters hat sich die Restwelligkeit deutlich verringert, und sie fällt nie unter 400 ASF (Ampere pro Quadratfuß).

Die Auswirkungen der Restwelligkeit auf die Qualität der Beschichtung

Abb. 4: Zonen mit hoher Stromdichte vs. Zonen mit niedriger Stromdichte vs. Schwellenwert für den PflanzstromAbb. 4: Zonen mit hoher Stromdichte vs. Zonen mit niedriger Stromdichte vs. Schwellenwert für den PflanzstromDie Erzielung einer gleichmäßigen Oberfläche kann eine Herausforderung sein, insbesondere bei der Beschichtung komplexer Formen. Scharfe Kanten ziehen beispielsweise mehr Ablagerungen an und können den „Hundeknochen“-Effekt hervorrufen, bei dem die Dicke der Beschichtung an diesen Kanten und Enden zunimmt. In ähnlicher Weise ist es wahrscheinlicher, dass Bereiche, die sich näher an der Anode befinden, höhere Abscheidungen erzeugen, während weiter entfernte Bereiche (z. B. vertiefte Bereiche) schwieriger zu beschichten sind. Je höher die Schwankung innerhalb der Stromwelligkeit ist, desto ausgeprägter wird dieser Effekt (Abb. 3). Das Diagramm in Abbildung 4 zeigt, wie sich der Ripple-Effekt (RestwelligkeitsEffekt) auf die Endbearbeitung von Zonen mit hoher Stromdichte (HCDZ) und Zonen mit niedriger Stromdichte (LCDZ) bei Verwendung eines SCRs auswirkt – wobei zu berücksichtigen ist, dass auch einfach geformte Teile Zonen mit höherer Stromdichte haben. Wenn die Schwankungen der Welligkeit hoch sind, ist die Abscheidung nicht gleichmäßig, was zu einer inhomogenen Oberfläche und niedriger Qualität führt.

Abb. 3: Je höher die Schwankung innerhalb der Stromwelligkeit ist, desto ausgeprägter wird der HundeknocheneffektAbb. 3: Je höher die Schwankung innerhalb der Stromwelligkeit ist, desto ausgeprägter wird der Hundeknocheneffekt

Bei Stromdichten von weniger als 288 ASF (für Hartverchromungslösungen bei 130 °F bzw. 54 °C , in lila dargestellt) wird die Chromablagerung milchig und matt. Jedes Mal, wenn die Restwelligkeit unter die Mindestschwelle sinkt, wird nichts abgeschieden. Die durchschnittliche Dichte ist der auf dem Amperemeter abgelesene Strom, geteilt durch die Gesamtoberfläche des zu beschichtenden Teils (in blau dargestellt). Der Strom, der in die Zonen mit hoher Stromdichte (HCDZ) fließt, wird durch die blaue Linie dargestellt, und die Zonen mit geringerer Stromdichte (LCDZ) sind in Grün dargestellt. Innerhalb jeder Phase der Welligkeit fallen beide auf Null, so dass die Mindestschwelle für die Beschichtung nicht erreicht wird.

Restwelligkeitsschwankungen beeinflussen Verarbeitungsqualität

Das Diagramm in Abbildung 5 vergleicht nun die ungefilterte Restwelligkeit eines 6-pulsigen SCR mit der Leistung eines getakteten Gleichrichters.

Abb. 5: Ausfallzeit von Netzteilen mit hoher Restwelligkeit im Vergleich zu solchen mit geringer RestwelligkeitAbb. 5: Ausfallzeit von Netzteilen mit hoher Restwelligkeit im Vergleich zu solchen mit geringer Restwelligkeit

Wie wir bereits gesehen haben, fällt die SCR-Stromversorgung bei jeder Welligkeit von 950+ ASF auf Null, sowohl bei LCDZ als auch bei LHDZ. Dies zeigt, dass der Beschichtungsvorgang ständig unterbrochen wird, die Spitzenwerte zu viel Material und Energie verbrauchen und die Tiefstwerte unter den Mindestschwellenwert fallen. Im Gegensatz dazu erreicht der Schaltgleichrichter einen konstanten Wert von 314-460 ASF. Und im Gegensatz zu SCRs fällt die Stromversorgung nie auf Null.

Auswirkungen besserer Stromversorgung und Beschichtungsqualität auf die Produktion

Durch die Verbesserung der Stromversorgung – Reduzierung der Restwelligkeit durch einen Schaltgleichrichter – wird die Streufähigkeit verbessert. Die Beschichtung von Zonen mit niedriger Stromdichte wird um etwa 15 % dicker sein, was die Prozesse beschleunigt und den Energieverbrauch entsprechend reduziert. Der Zeit- und Arbeitsaufwand für das Schleifen von Zonen mit hoher Stromdichte sinkt, da ca. 12,7 % weniger Material abgetragen werden muss – eine erhebliche Verringerung der Materialverschwendung bei gleichzeitiger Senkung der Arbeitskosten und der Produktionszeit. Dies ist besonders wertvoll bei der Beschichtung mit Hartchrom auf teuren Automobil- und Luft- und Raumfahrtkomponenten. Schwierige und komplexe Formen können erfolgreicher und effizienter beschichtet werden.

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Abb. 6: Hier erfolgte die Beschichtung mit einem Kraftpowercon Schaltgleichrichter. Es war nur minimale Nacharbeit erforderlich

In dem Beispiel in Abbildung 6 führte die Verwendung eines siliziumgesteuerten Gleichrichters dazu, dass die zentrale Kernfläche der Helix nicht beschichtet wurde. Nachdem dieser gegen einen KraftPowercon-Schaltgleichrichter ausgetauscht worden war, konnte das gesamte Bauteil erfolgreich beschichtet werden – es war nur eine minimale Nachbearbeitung erforderlich, um die Verbrennungen an den äußeren Bereichen zu entfernen.

Wenn mit einem Schaltgleichrichter eine Charge in kürzerer Zeit mit höherer Qualität beschichtet werden kann als mit einem herkömmlichen Gleichrichter, führt dies zwangsläufig zu einer Verringerung der Arbeitsstunden, der Energiekosten und des Chemikalienverbrauchs und optimiert nachhaltig und reproduzierbar Ihre Wertschöpfung.

ZUR INFO

Kraftpowercon

Energiespar-Onlinerechner für den Umstieg von KraftPowercon FlexKraft-Gleichrichtern von Thristor- auf Switch-Mode-Technologie: calculator.kraftpowercon.com

 

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 8
  • Jahr: 2022
  • Autoren: Felipe Atti

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