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电镀工艺的最优化设计

作者:Simwe    来源:中仿科技    发布时间:2012-08-29    收藏】 【打印】  复制连接  【 】 我来说两句:(0逛逛论坛

从当今金属价格动态上可以看出,金属都可以用"珍贵"来形容。因此,像PEM这样的电镀公司都在寻求减少电镀过程中金属用量的办法。 通过COMSOL Multiphysics的学习和使用,PEM工程师取得了重要的进展,成功地把电解过程中金属用量降低了10%~30%。

卷轴组件
 
PEM公司主要涉及表面的处理和修整,特长是卷对卷电镀, 2007年的销售额将近有2千万欧元。可以为客户提供从几百到几千米长的卷轴,卷带上通过电镀上一系列连续的金属镀层。在工厂加工过程中,首先展开卷轴上的卷带或者传送带,然后卷带经过一些列精密的加工过程,包括清洗、电镀、冲洗三个阶段。加工过程的速度一般在1~20m/min(图1)。
 
 
1 工厂中卷到卷的电镀装置。实心卷轴或者异形金属板通过电解池,根据
电流的分布以及防护罩的安置位置来控制金属在卷带的表面沉积。
 
在金属电镀过程中,卷带要通过一个反应池,反应池中有源源不断的电解液补充进来。卷带连接在电源一端充当阴极,与电镀池中电解液一起构成完整的电路回路。
 
要获得均匀的电镀层相对来说是很困难的。因为卷带(阴极)是竖立着阳极位于它的两侧,电势场的分布沿卷带一侧上升,卷带顶部形成环路,从卷带另一侧下降。电流密度沿着法向梯度方向集中分布在切向梯度方向(图2)。这就常说的边缘效应。
 
 
2 卷带两侧电镀层厚度的对比。蓝色曲线是没有防护罩时卷带表面金属镀层的厚度。
使用了防护罩消除了边缘效应后,如图中红色曲线所示,金属镀层厚度和均匀性都有了提高。
 
为了防止边缘效应,PEM公司设计了绝缘的防护罩,卷带通过电镀池的同时穿过防护罩。由于防护罩是绝缘材料,所以不会对电镀池产生影响,防护罩的设计使得电势线必须沿着平行卷带宽的方向,以及卷带表面的梯度方向。图2中红色曲线展示了增加了防护罩之后的镀层改变。
 
没有蓝本的防护罩设计
 
 防护罩的形状与卷轴上的组件形状、电镀材料以及镀层厚度、电解液浓度、卷带传输速度密切有关。实验上开发防护罩需要制作许多样式的样本,并且要耗费大量的时间进行测试甄别。所以PEM利用COMSOL Multiphysics软件帮助他们更好的理解现象内潜在的机理,从而为不同的电镀过程设计合适的防护罩。
 
多物理场模型考虑了多种效应:电流的传导介质、电解液斯托克斯流动、电动流模拟质量输运过程。PEM公司的研究人员利用COMSOL Multiphysics中的化工模块来处理这些问题。
 
节省大量的材料
 
PEM公司成功的设计了防护罩,解决了大部分产品电镀过程中的问题。他们下一步的目标是利用 COMSOL Multiphysics研究极限电流效应并设计在阴极表面具有很高流速的电镀池,进而提高电镀过程的生产效率。如果能够更好的实现金属离子的补充,就可以提高电流密度和生产效率(图3)。
 
图3 为了理解几何效应、流体流动以及防护罩位置对电镀过程的影响,PEM公司工程师创建了这个仿真模型。
上图展示了防护罩接触范围内金沉积的情况。在接触最高点金的沉积量最多,在防护罩弯曲的圆形区域
地方金的沉积量最少。下图是上图弯曲区域的局部放大图,二维图像揭示了在金沉积最少区域电解液流动
情况,以及沉积金离子的浓度。这个区域内是不良反应可能出现的区域。
 
此外,电势必须处处相等,这样就不会出现诸如电解液电解产生氢气等局部不良反应,从而避免金属沉积空白区域或者“卷带烧伤”的出现。因此在尽可能提高电镀过程的同时也要避免整个镀层表面极限电流的出现。电镀池的尺寸、以及电解液注入中断引起的卷带摆动,是模型建立时面临的主要问题。精确的模拟结果将会成为影响未来反应装置设计的主要因素之一。
 
对于PEM公司的工程师来说,模拟仿真只是工作的一部分。对于没有真正的数学模拟经历的人来说,初始的问题不在于COMSOL Multiphsics的学习,因为软非常容易学习,技术支持也非常有效率。而真正的问题在于潜在物理原理的把握。然而COMSOL Multiphsics能够帮助快速直观的理解物理原理。不必是模拟仿真的专家,只要拥有足够的求知欲和积极性,在COMSOL Multiphysics的帮助下就能取得成功。
 
COMSOL在中国,中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)凭借个性化的解决方案、成熟的CAE产品线、专业的市场推广能力以及强有力的技术支持服务赢得了国内众多科研院所以及企业的一致认可,目前国内几乎所有知名大学以及中国科学院下属各研究所都已选择使用COMSOL Multiphysics作为其科研分析的CAE主要工具。随着中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)在全国各地的分公司、CAE技术联合中心、CAE培训中心的成立,为广大客户提供更专业、更周到的本地化技术服务,众多企业也纷纷选用COMSOL Multiphysics作为企业的分析工具,应用全球最先进制造技术,最终增强企业的核心竞争力,保证了企业持续发展。
 
关于COMSOL Multiphysics和开发团队
 
COMSOL Multiphysics是一款业界领先的科学仿真软件,主要是利用偏微分方程来对系统建模和仿真。它的特别之处在于它的多物理场耦合处理问题的能力。从事专业科学研究的科研人员也可以开发具有专业用户界面和方程设置的附加模块;现在已经有的模块有化工、地球科学、电磁场、热传导、微机电系统、结构力学等模块。软件可以在多种操作系统上使用,包括Windows、Linux、Solaris、HP-UX等系统。其他可选软件包有CAD输入模块、以及COMSOL化学反应工程实验室等。更详细的介绍可参看中仿科技网站:www.cntech.com.cn
 
COMSOL公司是1986年在瑞典斯德哥尔摩成立,现在已经在多个国家(比利时、荷兰、卢森堡、丹麦、芬兰、法国、德国、挪威、瑞士、英国、美国)成立分公司及办事处。详细信息请登陆www.comsol.com
 
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