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Numerische Simulation des Beschichtungsprozesses von Ni/PU-Hybridschäumen
Kontakt
Projektträger
DFG - Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektnummer: DI430/35-1
Kooperationen
Prof. Dr.-Ing. Dr. rer. nat. Anne Jung
Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg
Projektnummer: JU2962/8-1
Projektbeschreibung
Poröse Materialien sind weit verbreitet und spielen in vielen Aspekten unseres täglichen Lebens eine Rolle. Sie bestehen aus einer kontinuierlichen festen Phase, die das poröse Gerüst bildet, und einer fluiden Phase (Gas oder Flüssigkeit), die die Poren in diesem Feststoff füllt.
Offenporige Schäume haben ein miteinander verbundenes 3D-Netzwerk von Poren, die für Flüssigkeiten durchlässig sind. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften wie niedrige Dichte, hohe spezifische Steifigkeit, gutes Energieabsorptionsvermögen und gute Dämpfungseigenschaften werden sie in verschiedenen Industriezweigen häufig eingesetzt. Anwendungsfelder sind unter anderem Leichtbau, Crash-Energieabsorption und Schwingungsdämpfung.
Trotzdem gibt es einige Nachteile wie teures Herstellungsverfahren, schlechte Reproduzierbarkeit und geringe Festigkeit, die zu ihrer begrenzten Anwendung führen können.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, werden Hybridmetallschäume eingeführt, bei denen es sich im Wesentlichen um Schäume handelt, die mit einer Metallschicht beschichtet sind (Abbildung 1). Der Hauptvorteil dieser Behandlung besteht darin, dass die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung und die Beschichtungsdicke die gewünschten mechanischen Eigenschaften der Schäume verbessern können.
Die Beschichtung der Polyurethanschäume mit Nickel kann zur Herstellung von Ni/PU-Hybridschäumen führen, die einen breiten Anwendungsbereich bieten. Dieser Vorgang erfolgt durch galvanische Abscheidung. Der PU-Schaum wird als Kathode verwendet, die in einen wässrigen Elektrolyten eingetaucht ist (Abbildung 2). Durch Anlegen eines elektrischen Stroms werden dann die Nickelionen im Elektrolyten entladen und auf dem Schaum abgelagert.
Die Stofftransportbeschränkung während des galvanischen Abscheidungsprozesses führt jedoch zu inhomogenen Schichtdicken und damit zu einer unerwünschten, inhomogenen Verteilung der lokalen mechanischen Eigenschaften.
Der Transformationsmechanismus besteht aus 3 Hauptkopplungsmechanismen:
- Konvektion
- Diffusion
- Migration
Jeder dieser Mechanismen enthält unterschiedliche Parameter, die einen signifikanten Einfluss auf die Qualität des Beschichtungsprozesses haben können. Das Erreichen des besten und effizientesten Parametersatzes allein durch Experimente erfordert enorme zeit-, energie- und geldintensive Anstrengungen.
Eine gemeinsame Zusammenarbeit zwischen Experiment, Modellierung und numerischer Simulation des Prozesses kann daher zu einem besseren Verständnis des Prozesses sowie zu besseren Einsichten und Vorhersagen über die Auswahl der optimalen Parameter führen (Abbildung 3).
Der Beschichtungsprozess kann mithilfe von Kontinuitätsgleichungen modelliert werden, die die Auswirkungen von Konvektion, Diffusion, Migration und Senk/Quell-Term überlagern.
Das System kann durch die Mischungstheorie als 3-Phasen-Modell beschrieben werden (Abbildung 4).
Für die Kombination der oben genannten Verfahren wurden bereits Modelle des galvanischen Abscheidungsprozesses implementiert. Diese Modelle weisen jedoch immer noch Mängel und Einschränkungen aufweisen, die verbessert werden müssen.
In der aktuellen Forschungsstudie wird ein gekoppeltes Modell zur Simulation des Beschichtungsprozesses entwickelt und numerisch über die Finite-Differenz-Methode (FDM) implementiert. Die Felder, die gekoppelt werden müssen, sind die Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten, das elektrische Feld sowie die Verteilung der Senkterme, die die tatsächliche Ablagerung von Nickel aus dem Elektrolyten auf dem Schaumgerüst beschreiben. In diesem Modell wird die Geschwindigkeitsverteilung über den Schaum über das Darcy-Gesetz mit der Druckverteilung korreliert. Daher werden die gesamten Feldgleichungen entsprechend diesem spezifischen Problem neu definiert, indem ein thermodynamisch zulässiger Satz konstitutiver Gleichungen eingeführt wird. Ziel ist es, die Verteilung des Drucks und der Nickelionenkonzentration über den Schaum zu berechnen.
Für die Kombination der oben genannten Verfahren wurden bereits Modelle des galvanischen Abscheidungsprozesses implementiert. Diese Modelle weisen jedoch immer noch Mängel und Einschränkungen aufweisen, die verbessert werden müssen.
In der aktuellen Forschungsstudie wird ein gekoppeltes Modell zur Simulation des Beschichtungsprozesses entwickelt und numerisch über die Finite-Differenz-Methode (FDM) implementiert. Die Felder, die gekoppelt werden müssen, sind die Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten, das elektrische Feld sowie die Verteilung der Senkterme, die die tatsächliche Ablagerung von Nickel aus dem Elektrolyten auf dem Schaumgerüst beschreiben. In diesem Modell wird die Geschwindigkeitsverteilung über den Schaum über das Darcy-Gesetz mit der Druckverteilung korreliert. Daher werden die gesamten Feldgleichungen entsprechend diesem spezifischen Problem neu definiert, indem ein thermodynamisch zulässiger Satz konstitutiver Gleichungen eingeführt wird. Ziel ist es, die Verteilung des Drucks und der Nickelionenkonzentration über den Schaum zu berechnen.