Diese geometrisch definierten, zellularen Hohlstrukturen wie beispielsweise die Schwarz-P-Struktur aus Wachs/Polypropylen/Phasenwechselmaterial-Verbundwerkstoffen bieten ein höheres Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis als herkömmliche Wärmetauscher. Das macht sie für das Wärmemanagement äußerst effizient und ermöglicht gleichzeitig eine Miniaturisierung, Massereduktion und eine größere Design-Flexibilität im Vergleich zu stochastisch geformten Schäumen. Das Hauptaugenmerk der Arbeiten an der TU Chemnitz lag auf der homogenen galvanischen Kupferabscheidung auf diesen komplexen Geometrien. Aufgrund ihrer komplizierten Formen waren maßgeschneiderte Galvanisierungsstrategien unerlässlich, um eine gleichmäßige Metallabdeckung zu gewährleisten. Die Ergebnisse unterstreichen die entscheidende Rolle von Hilfsanoden und die Notwendigkeit, den elektrochemischen Aufbau auf der Grundlage der Struktur und der Eigenschaften des Substrats zu optimieren.
Geometrisch definierte Schwarz-P-Hohlstrukturen weisen zwei separierte Volumen auf, wodurch sie als Wärmetauschen fungieren können. Wenn eines der Volumen mit einer Mischung gefüllt wird, die Phasenwechselmaterial (PCM) enthält, ist ein Abpuffern von Wärmespitzen oder eine Kurzzeitwärmespeicherung möglich. Die komplexen Geometrien wurden zunächst im 3D-Druck aus Wachs hergestellt, um die chemischen und galvanischen Beschichtungsprozesse zu entwickeln. Die türkischen Partner produzierten nachfolgend stapelbare Ebenen im Spritzguss aus einem Verbundwerkstoff Wachs/Polypropylen (PP) mit PCM. Abbildung 1 zeigt eine derartige, einvolumige Struktur vor und nach der Kupferbeschichtung. Numerische Simulationen bestätigten, dass auf Basis der räumlichen Stromdichteverteilung eine Einheitszellengröße von 2 cm bei dieser Schwarz-P-Struktur zielführend ist, um eine gleichmäßig dicke Kupferschicht zu erreichen. Zum Steigern der Adhäsion der zunächst chemisch abgeschiedenen Kupfer-Grundschicht wurde das Substrat aufgeraut. Aufgrund der hohen chemischen Beständigkeit des Wachs/PP/PCM-Verbunds kam dafür Korundstrahlen zum Einsatz. Anschließend erfolgte eine Standardvorbehandlung mit Zinnchlorid und Palladiumchlorid zur Aktivierung der Oberfläche. Eine anschließende chemische Kupferabscheidung mit einem alkalischen Elektrolyten, der eine geringe Konzentration von Formaldehyd als Reduktionsmittel enthielt, führte zu einer gleichmäßigen 4–6 µm dicken Kupferschicht (Abbildung 2).
Abbildung 2: Chemisch mit Kupfer beschichtete Einzellage (A) und zugehörige Querschliffaufnahme (B)
Die Homogenität der galvanischen Schicht, vor allem im Inneren der komplexen Struktur, hängt maßgeblich vom Beschichtungsaufbau ab. Hierzu kam ein 3D-gedruckter Probenhalter zum Einsatz, der die Position der Probe fixiert, einen Elektrolytdurchfluss ermöglicht und die Hilfsanoden basierend auf den simulativ vorhergesagten Parametern ausrichtet (Abbildung 3). Dies gewährleistet eine homogene Verteilung des elektrischen Feldes über die gesamte Struktur.
Die experimentellen Ergebnisse zeigen, wie wichtig Hilfsanoden im Inneren der Struktur für eine gleichmäßige Kupferabscheidung auf komplexen 3D-Geometrien sind, da die äußeren Anoden erwartungsgemäß in erster Linie die Beschichtung der nach außen gewandten Flächen bewirken. Die gemessene Schichtdicke korreliert gut mit der simulierten Stromdichteverteilung (Abbildung 4). Die Analyse einer Schwarz-P-Einheitszelle mit einer Zellgröße von 2 cm, die nur mit einer inneren Hilfsanode beschichtet wurde, zeigt einen signifikanten Dickengradienten – von etwa 350 µm in der Nähe der Anode bis zu etwa 20 µm bei größeren Anodenabständen (Abbildung 4 C). Diese Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, sowohl die äußeren als auch die inneren Hilfsanoden auf Basis von Simulationen sorgfältig zu positionieren, um überlappende elektrische Felder zu erreichen. Mit einem optimierten Aufbau konnte eine homogene Kupferdicke von bis zu 300 µm erreicht werden – weit mehr als die definierte Mindestanforderung von 100 µm.
Wie in Abbildung 2 dargestellt ist, wurden die einzelnen Ebenen der Schwarz-P-Struktur separat chemisch mit Kupfer beschichtet und dann gestapelt. Dieser Stapelansatz ermöglicht die Schaffung größerer Strukturen aus leicht herzustellenden Einzelebenen. Die Parameter der nachfolgenden galvanischen Abscheidung wurden dafür speziell optimiert, sodass zuverlässige Verbindung und Lückenfüllung zwischen den gestapelten Schichten gewährleistet sind. Darüber hinaus zeigt die erfolgreiche Beschichtung dieser komplexen Geometrie die Übertragbarkeit des Verfahrens auf andere Strukturen unterschiedlicher Größe und Topologie (Abbildung 5). Die im Projekt erforschten Strukturen und die erreichten homogenen Schichtdicken >> 100 µm bestätigen deren Potenzial für die skalierbare Nutzung sowohl in Wärmetauschern als auch für die Wärmekurzzeitspeicherung und die Pufferung von Temperaturspitzen bei Verwendung von PCM.
Zur Person:
Das Vorhaben wurde an der TU Chemnitz federführend von Mohammad Dodangi, M.Sc., begleitet. Herr Dodangi arbeitet an der Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik der Technischen Universität Chemnitz. Er befasst sich mit dem Design und der Implementierung galvanischer Prozesse auf komplex geformten und elektrisch nichtleitenden Substraten.
Kontakt:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Lampke
Mohammad Dodangi, M.Sc.
mohammad.dodangi(at)mb.tu-chemnitz.de
Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik
Technische Universität Chemnitz
Daten zum Vorhaben:
IGF-Vorhaben-Nr.: 01 IF 00348 C
Laufzeit des Vorhabens: 01.04.2023 - 31.03.2025
Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags
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