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[ブログ] pH計測のIoT化 ー pHセンサの設置と保護

pH計測に使用するpHセンサは、Atlas Scientific社の pH Kit を採用しています。
何れのpHセンサにおいても同様かと思いますが、使用前にはpHセンサの校正が必要となります。ただ、弊社の亜鉛めっき槽での計測においては、校正作業をしなくとも、かなり正確な値が計測できています。

pH Kit では Pythonで記述された計測・校正用プログラムが提供されています。今回の製作でも、その Python プログラムをベースにオリジナルのプログラムを組んでいます。

亜鉛めっき槽に常設する上でのもっとも大きな懸念事項として、腐食にどう対応するかという点があります。めっき溶液は酸性（pH：約5.8 ～ 6.3）であるため、周辺の機材は酸の影響を受けます。そのため、pHセンサを保護する筐体を用意する必要があるのですが、今回は現場環境にうまく適合するような筐体を三次元CADおよび三次元プリンタを用いて、設計・プリントすることにしました。写真は、(ちょっとわかりにくいですが)今回作成した筐体の3次元CADのスクリーンショットです。

もう1点の懸念事項は、稼働している電気めっき槽内の磁界がpHセンサに影響を与える可能性です。電気めっきが行われているめっき槽内では、当然ながら電流が発生しており、それに伴い磁界が発生しています。その磁界内に置かれたpHセンサは磁界の影響を受けることになります。

※pHセンサ(pH電極)の原理は、測定対象の溶液とpH電極内の水素イオン数の差から発生する微弱な電流を測定することで実現しています。

懸念点は幾つかあるものの、ひとまず設置し、問題が発生した際には都度対応策を考えていきたいと思います。
次回も引き続き、pH計測の IoT化について報告します。


 

[ブログ] pH計測のIoT化 ー pHセンサと表示器

pH計測のIoT化を図るにあたり、IoT端末に取り付けるpHプローブおよびpHセンサは、Atlas Scientific社の pH Kit を採用しました。
pH Kitで提供されるpHプローブは、溶液に対し常に浸漬したままの状態で利用でき(常設できる)、ハンディタイプのpH測定器と比較してリーズナブルな価格設定であるにもかかわらず精度も良く、さらにpHセンサの通信方式はUART, I2Cに対応しており、とても取り扱いやすいpHセンサキットです。

pH Kitには Raspberry Pi用の Pythonスクリプトが用意されており、データ計測およびプローブのキャリブレーションを行うことができます。そのため、これから開発する計測システムにおいても開発言語は Python を使用します。

IoT端末は"Raspberry Pi Zero WH" を採用し、pHセンサとRaspberry Pi との接続はUART、小型ディスプレイ(0.91インチ OLED)との接続はI2Cにてそれぞれ実装しています。

Rasbian のインストールやI2C, UARTの有効化のための設定等については、既にインターネット上で多くの記事があり、それらを参考にしました。

写真は、亜鉛めっき槽から採取した溶液に浸漬し、計測している様子です。pHが少し高めに表示されていますが、pHセンサのキャリブレーションが必要なようです。（本来の pHは、約 5.8 ぐらいです。）

今回の端末には、現場でも目視で確認可能とするため小型ディスプレイを設置しますが、IoT化の目的は外部ホストからのデータ参照ができるようにすることにあるため、データの計測と同時にデータベースにも保存するようなシステムを構築していきます。

 

[ブログ] めっき速度 ー ファラデーの法則(亜鉛めっきの場合)

前回に引き続き、電気めっきの特徴になります。

めっき加工の生産現場においては、めっきにかかる時間の把握は、生産スケジュールおよび品質管理上、重要な要素となります。

めっきにかかる時間は、ファラデーの法則(ファラデーの電気分解の法則)による計算式から、析出する膜厚との関係性で割り出すことができます。
ファラデーの法則には、次の２つの法則があります。(出典：Wikipedia)

    [第一法則] 析出(電気分解)された物質の量は、流れた電気量に比例する。
    [第二法則] 電気化学当量は化学当量に等しく、同じものである。

これらの法則を元に、めっき金属の原子量とイオンの価数(原子価)、流した電流量とめっき時間から、析出量を求めることができます。(次式)


   [計算式]　析出量 = 1g当量 × 電気量 / 96500


さらに単位面積あたりの析出量を密度で割ると、めっき厚さに換算できます。

例えば、めっき時間を20分間(1200秒) とした場合、以下のような数式によりめっき膜厚を算出できます。

 

【亜鉛めっきの場合の計算に使用する値】

亜鉛の密度	7.14[g/㎥]
亜鉛の原子量	65.38
亜鉛の原子価	2
ファラデー定数	1[F] = 96500[C]
亜鉛の電流密度(酸性浴)	2[A/㎠]
電流を流す時間	1200[s]

 式： 析出量 = 1g当量 × 電気量 / 96500 = 65.38/2 × 2[A]×1200/96500=0.814[g/100㎠]


上記式で算出した値は 100[㎠] あたりの析出量になるため、単位をそろえた上で亜鉛密度で除算することで膜厚を算出します。


 式： 膜厚 = "析出量" / "亜鉛密度" = 0.814[g] / 100[㎠] / 7.14[g/㎥] = 0.00114[cm] = 0.0000114[m] = 11.4[μm]


このように電流を流す時間から膜厚を算出することができますが、めっき金属やめっき浴の種類(酸性かアルカリ性か)、析出時のイオン価数やめっきの電流効率を考慮する必要があり、多くの場合、このような計算式から算出される理論値と実際の膜厚とは異なります。膜厚をどのようにコントロールするかは、各生産現場でのノウハウとなります。



[参考文献]
図解 めっき技術の基礎 (株式会社ナツメ社) (ISBN978-4-8163-6183-8)
図解入門 よくわかる最新めっきの基本と仕組み (株式会社秀和システム) (ISBN978-4-7980-4560-3)

[ブログ] 様々なめっき方式

久しぶりの更新になります。本日、関東・甲信越地方には雪が見込まれる予報でしたが、幸運にも積雪はなく、スタッフ一同、無事に出勤できました。それでは、今日は、様々なめっき方式について紹介していきます。

めっき法は、大きく「湿式めっき」と「乾式めっき」に分けられます。現在、最も多く利用されているのは「湿式めっき」で、電気めっきと無電解めっきがあります。

湿式めっき

・電気めっき
電気分解(電解)の応用で、めっき液中の金属イオンを電気化学的に還元し、金属皮膜を生成させる手法です。ニッケルめっきの場合、ニッケルイオンを含んだめっき液に、金属ニッケルを陽極、めっきの対象物を陰極に設定し、直流電流を通すと、陽極ニッケルは溶解してニッケルイオンになり、陰極ではニッケルイオンが電子を得て金属ニッケルの被膜が形成されます。

・無電解めっき
イオン化傾向の違いを応用した置換法は、皮膜が厚くならない欠点があります。これを克服するため、現在、還元剤を使う自己触媒めっきが普及しています。めっき金属自体を還元剤の酸化反応(電子の放出)を促す触媒として機能させて金属イオンの析出を図るもので、還元剤にホルマリン等を使った無電解銅めっきや、次亜リン酸塩を使った無電解ニッケルめっきが普及しています。


乾式めっき

・溶融めっき
溶融した金属(スズや亜鉛、アルミニウムなど融点の低い金属)に鋼材を浸し、付着させる方法で、短時間で厚いめっきができます。

・溶射法
溶融しためっき素材を圧縮空気で微粒子状にし、めっき対象物に溶射して皮膜を形成する方法です。

・気相めっき
物理的気相めっき法(PVD)と、化学的気相めっき法(CVD)の２つの方法があります。

[PVD] 真空中で金属を蒸発させて対象物に付着させる真空蒸着法が知られますが、析出速度が遅いため、蒸発金属を＋、めっき対象物を ーに帯電させて効率化を図ったイオンプレーティング法や、アルゴンガスに高電圧をかけて電離させ、そのイオンをめっき金属に衝突させることで金属原子を放出させてめっきするスパッタリング法が開発されています。

[CVD] めっき金属の蒸気を含んだ混合気体の中にめっき対象物を置き、加熱し、熱化学反応によって皮膜の生成を得る方法です。例えば、塩化チタン蒸気と水素の混合気体の中でめっき対象物を加熱すると、表面に金属チタンの皮膜が形成されます。


上記のように、めっき方法にはいくつかの手法が存在しますが、弊社では電気めっきによる加工を取り扱っていますので、今後のブログでも電気めっきを中心に説明していきます。



参考文献：図解 めっき技術の基礎 (株式会社ナツメ社) (ISBN978-4-8163-6183-8)




 

[ブログ] めっきの目的

こんにちは。
週に一度のペースで、ブログの更新ができればと思います。

さて、今回はめっきの「目的」について、用途別にお話して参ります。

めっき加工の大半は、錆を防ぐ目的(防食), もしくは装飾目的で行われていますが、対象物に対し特性を付与する目的でもめっきが活用されています。前回と同様、「図解 めっき技術の基礎」(株式会社ナツメ社)を参考にしながら、進めます。

◆用途A◆ 防食めっき
　素材の腐食を防ぐために施されるめっきで、多くは鉄鋼の防食を目的としています。(亜鉛めっき、ニッケルめっき、スズめっきなど)

◆用途B◆ 装飾めっき
　アクセサリーや宝飾品、家庭で使われる生活用具や自動車などの工業製品のめっきにも利用されています。(金めっき、銀めっき、クロムめっきなど)

◆用途C◆ 耐摩耗性を付与するめっき [特性付与]
　自動車や航空機等の機械部品の煽動部分にクロムめっきが利用されています。(硬質クロムめっき)

◆用途D◆ 電気的特性を付与するめっき [特性付与]
　積層プリント回路基板に半導体部品を実装するために導電性を与えたり、高周波障害予防のための電磁波シールドを施すなどの特殊なめっきです。

◆用途E◆ 光・熱特性を付与するめっき [特性付与]
　部品の耐熱性を高めるため、ニッケルやタングステン、クロムなどのめっきが施されます。また、熱伝導や放熱性の向上や高熱の反射には銅や銀のめっきが、ソーラー部品の熱の吸収にはクロムなどの黒色めっきが用いられます。

◆用途F◆ プラスチック/セラミックへのめっき
　ニッケルや銅の無電解めっき技術による、金属以外の素材(プラスチックなど)へのめっきが可能です。自動車部品への応用では、耐候性や耐膨張性、耐収縮性を高めています。
　

以上の例からもわかるように、既に、私たちの身の回りのいたるところにめっき技術が活かされていて、今後も新たな目的のために応用範囲はさらに広がっていくものと考えられます。




参考文献：図解 めっき技術の基礎 (株式会社ナツメ社) (ISBN978-4-8163-6183-8)



 

[ブログ] ブログ始めました！

こんにちは！
この度、ブログを始めました。
弊社の生業であるめっきとそれに纏わる様々なトピック(特に IoT とか、スマートファクトリーとか)について発信できればと思います。

初回のテーマは........、やはりめっきです。

初回らしく、めっきの歴史についてお話しできればと思います。

すでに多くの文献やインターネット上の記事にて紹介されていますが、わが国、日本におけるめっき(鍍金)の始まりは、古墳時代(3世紀～6世紀)と考えられており、青銅に装飾目的の金めっきを施した冠などが多く出土しているそうです。
752年に建立された奈良 東大寺の大仏には、アマルガム法というめっき手法を使った金めっきが施されていたことが、大仏建立の経過が記録された碑文からも判明しています。
アマルガム法や、イオン化傾向の差を利用した置換法は、「無電解めっき法」という、めっきを行うにあたり、電気を使用しない手法に分類されます。
現代におけるめっき技術の主流である「電気めっき法」は、1855年に薩摩藩 藩主・島津斉彬が甲冑に施した金めっきおよび銀めっきが国内初の電気めっきといわれています。

歴史の話からは変わり、IoT的なお話をしますと、現代では、工業化に伴い、生産性および作業従事者の安全性の観点から、機械式自動めっき装置の導入が進んでいます。
ただ、自動機自体はそれぞれが独立で動作しており、生産調整等については、人の判断に委ねられています。
もし各自動機がネットワークで繋がれば、相互で最適な稼働スケジュールを自動的に算出するようなアルゴリズムの開発が可能となり、生産性の向上や不具合発生時のリカバリーに役立つものと考えます。



参考文献：図解 めっき技術の基礎 (株式会社ナツメ社) (ISBN978-4-8163-6183-8)