Pinnoitusprosessien+mallinnus

=Pinnoitusprosessien mallinnus=

Metallipinnoitteet
Metallimateriaalit ovat hyvien mekaanisten, sähköisten, ja lämmönjohto-ominaisuuksiensa ansiosta erottamaton osa modernia teollista yhteiskuntaa. Kovuudestaan ja lujuudestaan huolimatta metallit kuitenkin altistuvat ankarissa olosuhteissa korroosiolle ja kulumiselle, mitä voidaan estää tehokkaasti pinnoittamalla metalliesine ohuella, kestävämmästä metallista muodostuvalla suojakerroksella. Vaikka pinnoitustekniikoiden historia onkin suhteellisen pitkä, menetelmiä on yhä tärkeää kehittää pinnoitteiden kohonneiden laatuvaatimusten täyttämiseksi ja pinnoitusprosessien ympäristöhaittojen vähentämiseksi. Varsinkin nanoteknologian kehittyminen ja tietokonemallinnuksen tuomat helpotukset suunnittelutyöhön tarjoavat huimia mahdollisuuksia pinnoitusprosessien kehittämiseen.

Metallipinnoitteet jaetaan yleensä kahteen pääluokkaan, toiminnallisiin ja koristepinnoituksiin [1]. Toiminnalliset pinnoitteet ovat suhteellisen paksuja (kymmeniä tai satoja mikrometrejä) ja niitä käytetään pinnoitettavan kappaleen pintaominaisuuksien muuttamiseen. Hyötyihin, joita toiminnallisilla pinnoitteilla voidaan saavuttaa, lukeutuvat mm. kasvanut kovuus, parempi korroosion- ja kulumisenkesto, parantuneet kitkaominaisuudet ja helpompi puhdistettavuus. Koristepinnoitukset puolestaan ovat ohuita (korkeintaan muutamia mikrometrejä) ja niiden päätarkoituksena on tehdä pinnasta houkuttelevamman näköinen.

Eräs yleisimmistä metallipinnoitusmenetelmistä on elektrolyyttinen pinnoitus, joka perustuu sähkövirran aiheuttamaan hapetus-pelkistysreaktioon elektrolyyttisessä kennossa. Prosessissa kaksi johtavaa kappaletta upotetaan elektrolyytiksi kutsuttuun metallisuoloja sisältävään vesiliuokseen ja niiden välille kytketään jännite siten, että pinnoitettava kappale on kennon positiivinen elektrodi (katodi) ja toinen kappale negatiivinen elektrodi (anodi). Elektrolyytti sisältää positiivisia metalli-ioneja, jotka kulkeutuvat sähkökentän vaikutuksesta katodille ja muodostavat siellä ohuen kerroksen katodin pinnalle pelkistysreaktioiden kautta. Perinteisessä prosessiasetelmassa anodi toimii positiivisten ionien lähteenä ja liukenee hapetusreaktioiden kautta, jolloin pinnoitekerros muodostuu anodimateriaalista. Vaihtoehtoisessa asetelmassa, jota käytetään mm. kromipinnoituksessa, anodi on kemiallisesti passiivinen ja toimii vain virran kulkuväylänä. Tässä tapauksessa elektrolyytin täytyy sisältää pinnoitemateriaalin ioneja ja niiden kuluminen prosessin aikana täytyy kompensoida. Teollisessa mittakaavassa elektrolyyttinen pinnoitus toteutetaan tyypillisesti suurissa, jopa satojen litrojen vetoisissa altaissa, ja pinnoitettavat kappaleet tuodaan altaaseen metallisiin ripustimiin asetettuina.

Kehitystarpeet
Nykyisiä elektrolyyttisiä pinnoitusprosesseja voidaan kehittää monilla tavoilla. Tärkeitä kehityskohteita ovat mm. pinnoitteiden laadun ja työturvallisuuden parantaminen sekä ympäristökuormitusten pienentäminen, joihin pystytään vaikuttamaan innovatiivisten pinnoitteiden, laitteistojen ja menetelmien avulla. Laadun osalta on erityisen tärkeää parantaa pinnoitteiden suojaavia ominaisuuksia, koska siten voidaan saavuttaa monenlaisia säästöjä. Näitä ovat mm. ohuemmat pinnoitepaksuudet, pinnoitteen sekä pinnoitetun kappaleen pitempi elinkaari ja mahdollisuus käyttää halvempia terästyyppejä pohjamateriaalina myös haastavissa olosuhteissa. Toinen tärkeä kehityskohde on pinnoitepaksuuden tasaisuuden parantaminen monimutkaisten kappaleiden tapauksessa, koska pinnoite pyrkii kertymään kappaleen särmiin, teräviin kulmiin ja ulkoneviin osiin. Tällöin pinnoitepaksuus saattaa kasvaa näillä alueilla liian suureksi, kun taas syvennykset saattavat jäädä jopa kokonaan ilman pinnoitetta.

Pinnoitusteollisuuden työturvallisuudessa ja ympäristökuormituksessa on nykyisellään paljon kehittämistä, sillä laitekanta on vanhentunut ja käytössä on monia hyvin myrkyllisiä kemikaaleja. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi tarvitaan ympäristöystävällisempien kemikaalien sekä helppokäyttöisempien ja energiatehokkaampien laitteiden käyttöönottoa. Esimerkiksi kromipinnoituksessa on käsillä merkittävä murros, kun myrkyllinen kuusiarvoinen kromi ollaan kieltämässä ja korvaamalla selvästi vähemmän haitallisella kolmiarvoisella kromilla. Myös edellä mainitut pinnoitteen laatua parantavat tekijät edistävät ympäristökuormitusten vähentämistä, koska ohuemmat ja kestävämmät pinnoitteet tuottavat materiaalisäästöjä. Uusien tekniikoiden jalkauttaminen suomalaiseen pinnoitusteollisuuden auttaa parantamaan sen kilpailukykyä, joka on tällä hetkellä suhteellisen alhainen vanhentuneen laitekannan ja menetelmien vuoksi.

Eräs lupaavimmista uudenaikaisista pinnoitustekniikoista on elektrolyyttinen nanopinnoitus ENC (Electrolytic Nano Coating), jossa perinteisiin pinnoitusmateriaaleihin seostetaan nanopartikkelimuodossa olevia synteettisiä nanotimantteja. Menetelmää tutkittiin jo vuosina 2008-2010 [|ENC-hankkeessa] (Savonia-ammattikorkeakoulu, Itä-Suomen yliopisto) ja nanotimanteilla huomattiin olevan useita positiivisia vaikutuksia pinnoitteiden suorituskykyyn ja toiminnallisiin ominaisuuksiin, kuten kovuuteen, korroosion- ja kulumisenkestoon sekä kitkaominaisuuksiin [2]. Muita lupaavia pinnoitteiden suorituskykyä parantavia tekniikoita ovat mm. pulssivirran ja lisäaineiden käyttö, jotka parantavat pinnoitteen laatua mikrorakenteen muutosten avulla [3], ultraäänen käyttö, joka parantaa pinnoitusprosessin massansiirtoa ja reaktionopeutta [4], sekä apuelektrodien käyttö, joka edistää pinnoitepaksuuden tasaisempaa jakautumista [5]. Lisäksi jo pelkkä prosessialtaan geometrian ja komponenttien keskinäisen sijoittelun optimointi auttaa kehittämään nykyisiä pinnoitusprosesseja.

Mallinnuksen mahdollisuudet
Tietokonemallinnus on kasvattanut jatkuvasti merkitystään suunnittelun ja optimoinnin välineenä, koska laskentatehon kasvu on tehnyt mahdolliseksi myös monimutkaisten systeemien mallinnuksen ilman liikaa yksinkertaistusta. Pinnoitustekniikoiden kehitystyössä ja optimoinnissa mallinnusmenetelmien käyttö tarjoaa monia merkittäviä etuja, kuten vähentynyt tarve valmistaa mallikappaleita ja suunnitteluparametrien muutosten vaivaton testaus. Tällöin voidaan saavuttaa merkittäviä aika-, materiaali- ja kustannussäästöjä perinteisiin yritys-erehdys-menetelmiin verrattuna.

Pinnoitusprosesseja on mallinnettu tietokoneella ainakin 1980-luvulta lähtien, mutta mallinnusmenetelmien käytössä on edelleen valtavasti kehitysmahdollisuuksia. Tyypillinen mallinnuskohde on mikropiirien urien ja läpivientien pinnoitus, jolloin mallissa käytettynä pinnoitemateriaalina on yleensä kupari. Sen sijaan muiden pinnoitemateriaalien käyttöä tai teollisia pinnoitusprosesseja kokonaisvaltaisemmin kuvaavia malleja on vaikeampi löytää. Varsinkin pinnoitusaltaan allasjärjestelyjen, kuten elektrodien ja ripustimien geometrian sekä sijoittelun mallinnusta on tehty vain vähän.

Tyypillinen tapa mallintaa pinnoitusprosessia on rakentaa prosessia kuvaava makromittakaavan malli jotakin elementtimenetelmää (esim. FEM, BEM, FDM tai FVM) käyttäen. Tällaisella mallilla voidaan tarkastella kohtalaisen laajoja kokonaisuuksia, kuten pinnoitepaksuuden jakaumaa yksittäisten kappaleiden pinnalla tai pinnoitusaltaaseen muodostuvaa sähkökenttää. Toinen lähestymistapa on mikromittakaavan malli, jossa pinnoitekerroksen muodostumista mallinnetaan Monte Carlo -menetelmillä hiukkanen kerrallaan. Tämä tapa ottaa huomioon prosessin stokastisen luonteen ja mahdollistaa esimerkiksi pinnoitteen tekstuurin tai pinnoitekerrokseen jäävien huokosten mallintamisen. Kirjallisuudesta löytyy myös joitakin mielenkiintoisia esimerkkejä makro- ja mittakaavan mallien yhdistämisestä nk. monimittakaavamalliksi. Joissakin tapauksissa nämä mallit sisältävät vielä kolmannen mallinnusmittakaavan makro- ja mikromittakaavojen välistä.

[1] C. M. Cotell, //ASM handbook. Volume 5, Surface engineering,// ASM International, Materials Park (OH) (1994). [2] //Pinnoitustekniikan investointi- ja kehittämishankkeen hankesuunnitelma//, Savonia-ammattikorkeakoulu, Itä-Suomen yliopisto (2011). [3] D. Landolt et al., //Microstructure and composition of pulse-plated metals and alloys//, Surf. Coat. Technol., **169** (2003), 8-13. [4] J. Lorimer et al., //The effect upon limiting currents and potentials of coupling a rotating disc and cylindrical electrode with ultrasound//, Electrochim. Acta, **43** (1998), 449-455. [5] Y. Litovka et al., //Numerical calculation of the electric field in an electroplating bath with bipolar electrodes//, Theor. Found. Chem. Eng., **40** (2006), 305-310.