Гальваника 3D-отпечатков

Хотите покрыть свои 3D-отпечатки металлом, чтобы улучшить внешний вид и повысить прочность — это возможно с помощью гальваники.

Гальваника — это процесс нанесения на предметы тонкого металлического слоя. Вы наверняка слышали о позолоченных ювелирных изделиях, которые стоят гораздо дешевле, чем украшения из чистого золота, но имеют почти такой же внешний вид.

Можно покрывать металл другим металлом и покрывать полимеры металлами; фактически, все, что обладает электропроводностью, можно покрывать гальваническим способом. Это относится и к 3D-печатным деталям из пластика, позволяя улучшить не только внешний вид детали, но и ее прочность и долговечность без необходимости идти по гораздо более дорогому пути 3D-печати из металла.

Гальваническое покрытие является экономически выгодной альтернативой для многих применений и компенсирует недостаток механических свойств пластиковыми и металлическими отпечатками, который даже NASA изучает для будущих космических применений.
Вопреки распространенному мнению, гальваническое покрытие не похоже на окрашивание краской или окунание деталей в металлический раствор; это химический процесс с использованием электричества, который можно провести дома или в лаборатории, но чаще всего он осуществляется на производстве.

В этой статье вы узнаете все, что нужно знать об этом процессе, его плюсах и минусах, о том, как он работает и кто использует его для 3D-печати деталей. В конце статьи у вас будет достаточно информации для самостоятельного нанесения покрытия, но если вы пока не хотите выкладывать деньги за набор для нанесения покрытия, вы всегда можете попробовать свои силы у поставщиков услуг 3D-печати и гальванического покрытия.

Понимание гальваники

Гальваника использует контролируемый электролиз для достижения электроосаждения ионов металла с положительно заряженного материала (анода) на отрицательно заряженную основу (катод). Другими словами и слишком упрощенно: Когда вы помещаете 3D-отпечатанный объект в раствор электролита с металлом, который вы хотите использовать в качестве покрытия, и подаете электричество, кусочки металла проходят через раствор и прилипают к 3D-отпечатанному объекту. Давайте рассмотрим это немного подробнее.

При подаче электрического заряда положительно заряженные ионы (катионы) растворяются в результате окисления и под действием электрического тока наносят слой металла на деталь. Наиболее распространенными металлами, используемыми для нанесения гальванических покрытий, являются медь, никель, золото, серебро, палладий, олово, цинк и хром.

При нанесении на слабые пластиковые материалы эти металлы могут придать конечной детали улучшенные механические свойства, такие как модуль упругости при растяжении и прочность на разрыв, хотя и не такие хорошие, как у полностью напечатанных на 3D-принтере металлических деталей. Поэтому гальванические объекты можно рассматривать как нечто среднее между пластиковыми и металлическими 3D-отпечатками, где гальваническое покрытие может удвоить предельную прочность 3D-отпечатков из смолы.

Три основных метода гальванического производства в резервуарах — это бочковое, стеллажное и барабанное гальваническое покрытие. При бочкообразном гальваническом покрытии основа перемещается в бочке, что способствует равномерному покрытию. Поскольку в бочку можно поместить много деталей, этот метод удобен для крупносерийного производства. При нанесении покрытия на стеллаже детали подвешиваются на стойке. Этот метод используется для сложных или хрупких деталей, не подходящих для галтовки в бочках. Метод гальванического покрытия на стойке также наиболее близок к гальваническому покрытию «сделай сам», поскольку нужная деталь закрепляется на месте с помощью проволоки. Последний процесс — нанесение покрытия на барабан — идеально подходит для нанесения покрытия на определенный участок подложки. Он экономичен при больших объемах работ и эффективен благодаря высокой скорости нанесения покрытия.
Каждый процесс происходит при погружении в проводящий раствор электролита, который обычно содержит соли металла, который вы хотите покрыть, серную кислоту и растворители, а также другие добавки, такие как кислоты, основания или отбеливатели. Обращайтесь с раствором очень осторожно, так как он очень едкий. Всегда надевайте соответствующие средства индивидуальной защиты, такие как перчатки и защитные очки, и никогда не выливайте отработанный электролит в канализацию, а утилизируйте его в соответствующем месте сбора!

Помните, что гальваника — это балансирование между нанесением металла на деталь и током и электролитом, разъедающим только что нанесенное покрытие. Это требует терпения и экспериментов. Успех гальванического покрытия зависит от различных факторов, наиболее важными из которых являются продолжительность выдержки, геометрия детали и сила электрического тока.

Сотрудники компании Prusa Research попробовали свои силы в нанесении гальванического покрытия для одной из статей в своем блоге и не побоялись задокументировать все, что может пойти не так. «Имейте в виду, что вам может понадобиться немного терпения, потому что результаты, вероятно, не будут идеальными сразу же»

Если вы хотите напечатать комплект, подобный тому, что представлен на сайте Prusa, файлы деталей (выделены черным цветом) находятся на сайте Printables.
Обратите внимание, что деталь должна быть токопроводящей, чтобы обеспечить поток катионов металла от положительного полюса к отрицательному. Поэтому непроводящие пластиковые отпечатки должны быть соответствующим образом настроены для обеспечения успешного нанесения покрытия. Как именно это можно сделать, будет рассказано далее.

Подготовка и меры безопасности

Помимо раствора электролита, с которым следует обращаться аккуратно и утилизировать, подготовка 3D-печатных деталей и нанесение на них гальванического покрытия всегда должны выполняться с использованием соответствующих средств защиты — необходимо иметь соответствующую одежду, перчатки, очки и респираторную маску. Напыление и гальванику также следует выполнять в хорошо проветриваемом помещении, чтобы избежать вдыхания вредных веществ. Как всегда, следуйте инструкциям по обращению и хранению используемых материалов. Но сейчас давайте рассмотрим необходимые шаги перед нанесением покрытия.

3D-печать детали

При пластиковой 3D-печати для нанесения гальванических покрытий чаще всего используются технологии SLA и FDM, но SLS и струйная обработка материалов также возможны, но более дороги. SLA-печать имеет конкурентное преимущество благодаря достижимому разрешению деталей. В обоих случаях, чем лучше разрешение принтера и меньше толщина слоя, тем меньше требуется постобработка детали. Что касается материала, то 3D-печатью может быть охвачено все, к чему прилипает проводящая краска. Некоторые специализированные поставщики услуг могут даже печатать и наносить пластины на промышленные материалы, такие как нейлон и полиэфирэфиркетон.

Шлифовка детали

Одно из самых элементарных требований к гальваническому покрытию — гладкая поверхность для получения хороших результатов от хрупкой пленки толщиной всего в несколько сотен микрон. Чем более гладкая поверхность, тем более блестящим будет конечное металлическое покрытие. Особенно для деталей, напечатанных по технологии FDM, это означает несколько раундов тщательной шлифовки и напыления шпатлевки. Полиуретановый лак также помогает заполнить все пробелы в отпечатке.

Очистка детали

Не менее важно, чем гладкая поверхность, — это чистая поверхность, причем не только перед началом процесса гальванизации, но и между всеми этапами. Пыль и жир — смертельные враги гальваники, поскольку они не позволяют наполнителю, проводящей краске и последующим металлическим покрытиям равномерно скрепляться с деталью. Тщательно очистите и обезжирьте деталь перед помещением в ванну и очищайте ее дистиллированной водой между этапами нанесения гальванического покрытия.

Придание детали электропроводимости

Чтобы сделать деталь проводящей, нанесите на нее слой проводящей краски. Чаще всего используется медная или никелевая краска, но гораздо более дешевая графитовая краска также подойдет, если ее еще раз отшлифовать перед погружением в электролит. Однако не каждый наполнитель совместим с графитовой краской. На Youtube у создателя HEN3DRIK есть грозный учебник по нанесению графитовых гальванических покрытий, а также множество других ресурсов по гальванике. Также были попытки печатать токопроводящими нитями, чтобы избежать необходимости наносить слой токопроводящей краски, но результаты оказались неоднозначными, поэтому рекомендуется идти по пути спрея, особенно новичкам.

Проверить цену Токопроводящего покрытия на основе графита

Яндекс.Маркет

Погружение детали

Создайте электрическую цепь, подключив электроды к источнику питания. Анод должен быть подключен к металлу, на который наносится покрытие. Катод будет подключен к детали. Отрежьте металлическую проволоку по длине и придайте ей такую форму, чтобы ваша 3D-печатная, загрунтованная и очищенная деталь могла в нее поместиться. Некоторые 3D-печати хотят плавать, поэтому при необходимости придерживайте их проволокой. Не забывайте периодически менять положение детали во время нанесения покрытия, иначе она приварится к проволоке. Заполните стеклянную или пластиковую емкость соответствующим электролитом и убедитесь, что деталь, на которую наносится покрытие, полностью погружена в него.

Проверить цену Набора реагентов для электролита

Яндекс.Маркет

Нанесение гальванического покрытия на деталь

Все готово, и можно включать источник питания. Необходимый ток зависит от толщины модели, площади поверхности и объема резервуара. Существуют онлайн-калькуляторы, которые помогут вам определить необходимое напряжение. Для достижения наилучших результатов имеет смысл увеличивать мощность по мере постепенного утолщения наносимого слоя. Слишком большая сила тока приведет к неравномерному покрытию с грубым и зернистым слоем и ускорит разрушение электролита. Слабый ток приведет к недостаточному осаждению металла, что приведет к тонкому или неравномерному покрытию.

Дальнейшая обработка детали

На гальваническую деталь можно нанести покрытие из других металлов, таких как никель, золото или палладий. Это можно сделать либо с помощью дальнейшего электролиза, либо другими методами, например, нанесением покрытия кистью. Деталь также может быть подвергнута химической очистке для дальнейшего увеличения отражающей способности пленки.

Поиск и устранение неисправностей гальванического покрытия

Гальваника — сложный процесс, требующий высокого уровня усердия и опыта для получения удовлетворительных результатов. В этом разделе приведены некоторые из наиболее распространенных дефектов, объясняется, как они возникают и что можно сделать, чтобы их избежать.

Дефекты и проблемы, связанные с геометрией детали

Геометрия детали играет решающую роль в обеспечении успеха гальванического покрытия. Традиционные подложки, изготовленные методом литья пластмасс под давлением или металлического литья, часто имеют неровности поверхности, которые затрудняют даже осаждение металла. Например, «холодные швы» возникают, когда материалы затвердевают на разных этапах процесса впрыска, оставляя после себя видимые следы или линии. Еще одна распространенная проблема — питтинг — представляет собой небольшие отверстия на поверхности подложки.

Их эквивалентами в сфере 3D-печати являются линии слоев и проблемы с недостаточной или избыточной экструзией материала. Эти специфические для данного процесса явления вызывают отклонения от конечных размеров детали. Их необходимо устранять путем шлифовки и грунтовки перед нанесением гальванического покрытия, поскольку такие значительные неровности невозможно исправить после осаждения металлической пленки.

Даже преднамеренная геометрия деталей, например острые края или сложные конструкции, такие как решетки, могут вызвать проблемы при нанесении покрытия из-за проблем с распределением тока. Плотность тока выше на острых краях, а значит, в этих местах образуется избыточное покрытие, что приводит к образованию хрупкого слоя, который легко разрушается. Противоположным явлением является затенение, которое можно понять аналогично тому, как солнце отбрасывает тень. Части подложки, закрытые от анодов, получат меньше осадка. Эту проблему можно решить, переставляя аноды или постоянно поворачивая подложку в электролите для распределенного воздействия на детали.

Плохая адгезия

Плохая адгезия между основой и металлическим покрытием может иметь несколько причин. Во-первых, если пластиковая деталь и проводящее покрытие плохо сцепляются друг с другом, они отделяются, а вместе с ними и металлическое покрытие, даже если оно было нанесено как положено. Поиск правильного сочетания пластика и лакокрасочного покрытия имеет решающее значение. Помимо хорошего сцепления, рабочая поверхность также должна быть очищена от жира, пыли или окисления — все это ухудшает адгезию. Поскольку пластик и металл по-разному расширяются под воздействием тепла, даже идеальное покрытие может со временем потрескаться и отслоиться, если деталь подвергается воздействию такой среды. В этом случае лучшим решением может стать нанесение гальванического покрытия с использованием другой комбинации материалов или переход на металлическую 3D-печать.

Неравномерное покрытие

Предположим, что готовое покрытие не только тусклое, но и шероховатое. В этом случае электролит может быть деградирован и загрязнен твердыми частицами, которые оседают на подложке, оставляя после себя неровное покрытие. Поможет фильтрация или замена электролита.

Чрезмерный ток также приводит к неравномерному покрытию, поэтому уменьшение тока часто помогает решить проблему. Образование пузырьков на подложке обычно является тревожным признаком. Однако если ток слишком мал, покрытие может быть слишком тонким или даже неравномерным и неполным. Нахождение правильного баланса — один из самых важных аспектов успеха гальванического производства.

Тусклое и мутное покрытие

Бывает неприятно, когда гальваническое покрытие успешно, но не имеет желаемого блеска и отражающей способности. Существует множество причин, по которым это может произойти. Причиной может быть химический дисбаланс, например, слишком большое количество сульфата, хромовой кислоты или загрязняющих веществ, растворенных в электролите, поэтому замена электролита может улучшить результаты. Еще одной причиной может быть неправильная температура. Температура между 130 и 140°F является идеальной как для ванны, так и для основы.

Неправильная плотность тока или неисправный источник питания, приводящий к прерыванию тока, также могут быть первопричиной. Кроме того, деталь может быть расположена слишком высоко в контейнере. Убедитесь, что она находится не менее чем на четыре дюйма ниже поверхности. Наконец, недостаточная промывка между этапами гальванического покрытия может привести к образованию остатков химикатов или грязи и последующей тусклости. Если ни одно из этих средств не дает желаемых результатов, использование осветлителя также может помочь улучшить конечный результат, поскольку он останавливает образование крупных кристаллов на детали, делая ее более блестящей.

Преимущества и недостатки гальваники

Как и любая другая технология, гальваника имеет свои плюсы и минусы, некоторые из которых уже упоминались в статье и будут кратко изложены здесь. В дополнение к общим соображениям, касающимся гальваники, при совмещении ее с 3D-печатью необходимо учитывать еще несколько. В следующем списке перечислены все преимущества и недостатки.

Кто использует гальванику?

Поскольку гальваническое покрытие является хорошо зарекомендовавшей себя технологией отделки, большинство отраслей производства, включая аддитивное производство, используют его в отдельных областях для улучшения характеристик деталей, таких как электропроводность, долговечность, визуальное улучшение или прочность. К таким отраслям относятся автомобильная, аэрокосмическая, электронная, медицинская и модная промышленность. В последней из них она используется дизайнерами обуви и ювелирами, чтобы придать своим изделиям более роскошный вид и ощущение. Гальваническое покрытие пластикового или металлического кольца микроскопическим слоем золота будет гораздо доступнее, но обеспечит такой же элегантный вид. Кроме того, этот способ позволяет производителям, не имеющим доступа к ювелирному оборудованию, обновить свои 3D-печатные пластиковые детали при относительно небольших затратах.

Это также относится к любителям, например, производителям моделей и миниатюр, которые хотят превратить свои 3D-печатные SLA-проекты в блестящие, более тяжелые фигурки или реалистичные реквизиты, напоминающие полированный металл. Многие художники также сочетают универсальность 3D-печати с потрясающим внешним видом гальванических покрытий для создания произведений искусства, таких как «Пустота акулы» Michael Cardacino, полая 6-футовая скульптура акулы, которая была напечатана SLS на EOS P730 из нескольких частей, собрана и покрыта гальваническим покрытием из меди и никеля от Repliform.

Переходя к промышленной 3D-печати и гальванике, компания Elliptika, специализирующаяся на радиочастотных и микроволновых продуктах и решениях, использует аддитивное производство для разработки сложных радиочастотных антенн, которые на 80 % легче при тех же характеристиках, что и их цельнометаллические аналоги. Компании также удалось напечатать высокопроизводительные детали антенн в 3D-формате по цене на 90 % ниже, чем при использовании традиционных методов, что делает производство небольших партий деталей более быстрым и экономически эффективным. В автомобильной промышленности гальваническое покрытие также часто используется для улучшения визуальной привлекательности концепт-каров или для производства репродукций запасных частей для классических моделей автомобилей.