Гальваническое покрытие 3D-печатных моделей
С распространением трёхмерной печати множество любителей получили уникальные возможности, которые, однако, ограничены свойствами самого материала — пластиковой основы. В одной из прошлых статей мы рассказывали об интересном способе изготовления металлических отливок из 3D-печатных моделей, используя плавление металлов в обычной домашней микроволновке.
Однако не всегда требуется изготовление сверхмонолитных металлических деталей сложными способами, так как существует гораздо более простой вариант…
И этот, широко известный способ, — гальванопластика! То есть покрытие металлами, растворёнными в виде солей в электролите, при пропускании через него электрического тока.
Способ достаточно интересный, так как при грамотной организации позволяет осаждать металлы даже на труднодоступных частях поверхностей, а самодельщик получает в своё распоряжение относительно лёгкий способ создания любых объектов, которые выглядят как металлические.
Особенно это актуально с появлением и широким распространением недорогих фотополимерных 3D-принтеров, разрешение отпечатков которых вполне позволяет создавать достаточно интересные статуэтки «из металла», которые незнающий человек практически не сможет отличить. Особенно если в статуэтках предусмотрены пустоты для заполнения их неким утяжелителем, например охотничьей свинцовой дробью, смешанной с эпоксидной смолой или иным связующим.
Внимание: гальванопластика предполагает работу с электричеством и реактивами, что может быть достаточно опасно. Вся последующая информация даётся для общего развития. Автор не призывает ни к чему и не отвечает за результат любых опытов, если вы захотите их провести.
▍ Общее описание
Процесс гальванопластики представляет собой движение ионов солей металлов, так как при растворении их в электролите они проходят электролитическую диссоциацию, то есть превращаются в набор ионов с положительными и отрицательными зарядами.
Для этого процесса необходимо в ванну с растворёнными в электролите солями опустить два контакта (отрицательный и положительный) и подключить их к соответствующим выводам источника питания:
Картинка из книги «Занимательная гальванотехника», Н.В. Одноралов
При появлении электрического тока на контактах ионы в электролите начинают движение: с положительным зарядом двигаются к отрицательному контакту, с отрицательным зарядом — к положительному. Нанесение покрытий происходит при подаче напряжений в диапазоне от 1 до 5–6 вольт.
При этом на отрицательном контакте происходит осаждение чистого металла, а на положительном — выделение кислотного остатка. Количество металла, осевшего на отрицательном электроде, прямо пропорционально тому количеству тока, который был использован для его осаждения. То есть, если сказать проще, много ампер осаждают больше металла за меньшее время, а меньшее число ампер осаждают меньше металла за большее время.
Но это если сказать в очень общих словах, так как нужно принимать в расчёт ещё и площадь поверхности детали, на которую требуется осадить металл, так как большая сила тока для небольшой поверхности приведёт к повреждению покрытия. Для этого есть хорошая таблица, которая позволяет рассчитать количество осаждаемого металла:
Картинка из книги «Занимательная гальванотехника», Н.В. Одноралов
Для расчёта количества металла, которое осадится за определённое время, необходимо взять величину из последней колонки таблицы и умножить на силу тока и время проведения электролиза.
Например, в приведённой в конце статьи литературе есть следующий расчёт:
1,186×8 х 3 = 28,464 г.
Но так как просто некое количество металла неинтересно, а интересна толщина получаемой на конкретной поверхности и за определённое время плёнки, здесь требуется следующий расчёт: полученное количество делится на плотность металла (8,9 г/куб. см для меди), осаждённого электролитическим способом, а также на площадь поверхности. Например, если площадь поверхности равна 100 кв. см (1 кв. дм), получившаяся толщина металлической плёнки составит 0,31 мм. Это информация из литературы и этот подход можно даже улучшить в наше время, если ваш слайсер, CAD или иной 3D-редактор может подсчитать площадь поверхности 3D-модели.
▍ Электролит и ванна
В качестве электролитической ванны лучше всего использовать пластиковые, стеклянные или керамические ёмкости.
Модель для покрытия (катод) и второй электрод (анод) подвешивают в ваннах на крючках из токопроводящей проволоки таким образом, чтобы эта подвеска не оказывалась в электролите и не происходило её разъедание.
В качестве второго электрода используется пластина из того же металла, которым необходимо покрыть 3D-модель.
В процессе гальванизации необходимо, чтобы покрываемые металлом детали были развёрнуты к металлической пластине (аноду) наибольшей по площади стороной. Однако не всегда это возможно, поэтому применяют различные ухищрения: используют более одной пластины, вешая их с двух сторон детали (а — окружающие пластины, б — покрываемая деталь):
Картинка из книги »300 Практических советов», В.Г. Бастанов
Или же вообще используют круглую ёмкость с изогнутыми пластинами (с — гнутые анодные пластины):
Картинка из книги »300 Практических советов», В.Г. Бастанов
Чтобы все элементы покрываемого изделия были должным образом подключены к электрическому току, в выемки и другие глубокие места подводятся дополнительные электроды.
Одним из самых простых и доступных металлов для создания покрытий является медь. Поэтому необходимо приобрести медный купорос (выглядит как полиэтиленовые пакетики с ярко-голубыми кристаллами), которые можно купить практически в любом отделе магазинов, работающих в тематике «Сад и огород»:
Картинка markik.ru
Изготовление электролита производится путём растворения медного купороса в воде, причём для этого желательно использовать горячую или тёплую воду.
Затем получившийся раствор необходимо охладить, после чего в него тонкой струйкой медленно вливается серная кислота для увеличения электропроводности. При этом раствор будет сильно разогреваться, поэтому необходимо делать это очень медленно, чтобы не произошло разбрызгивания, что может явиться причиной тяжёлых ожогов. В качестве серной кислоты вполне можно использовать обычный аккумуляторный электролит из автомагазина. В процессе смешивания воды и серной кислоты необходимо использовать средства индивидуальной защиты.
Требуемое количество медного купороса рассчитывается из соотношения 200–250 г купороса на каждый литр воды. В качестве воды желательно использовать дистиллированную воду для автомобильных электролитов (также продаётся в бутылках в автомагазинах). При подборе количества серной кислоты в электролите следует ориентироваться на приблизительное соотношение в 30–35 г кислоты на литр воды.
Для повышения качества медной плёнки, получающейся в итоге, можно добавить спирта из расчёта 8–10 г на литр, что приведёт к выпадению меди в более мелкокристаллическом виде, а также увеличению её твёрдости и упругости.
В общем случае превышение указанных показателей как по содержанию кислоты, так и по содержанию спирта приведёт к ухудшению качества меди и увеличению её рыхлости.
Электролиз обычно ведётся при температуре порядка 18–20 градусов, которая, однако, может и увеличиваться при нагреве в процессе прохождения тока.
Со временем на дне электролитической ванны будет образовываться шлам, который необходимо периодически фильтровать, иначе он будет плавать в электролите и включаться в структуру металла, ухудшая его качество.
В процессе электролиза необходимо контролировать проходящий процесс, для чего можно ориентироваться на классическую таблицу показателей:
Картинка из книги «Занимательная гальванотехника», Н.В. Одноралов
Причём тут есть интересный момент, который заключается в том, что в результате будет получено медное матовое покрытие.
Несмотря на указанные выше ограничения по содержанию компонентов, в сети встречается интересный рецепт, практически опробованный его автором, где содержание компонентов, в частности, серной кислоты, намного больше обычного. Тем не менее, способ позволяет получать медные глянцевые покрытия. Для этого на каждый литр воды следует взять: 200 г медного купороса, 180 г серной кислоты, 0,07 г тиомочевины, 0,07 г пищевой соли.
Процесс происходит при токе в 10–20 мА на кв. см.
При изучении экспериментов интересующихся людей особое внимание автор статьи обратил как раз на то, что самодельщики, как правило, упускают использование химических способов создания глянца. Вместо этого на финальном этапе они мучаются, натирая получившуюся модель бархоткой с полировочной пастой (что в принципе не отрицает подобного подхода и здесь).
Зачастую медь используется в электролизе в качестве подложки для нанесения последующих, «более благородных» металлических покрытий. Это необходимо как для предварительного выравнивания поверхности, чтобы финальное покрытие выглядело более презентабельно, так и по причине невозможности прямого нанесения финального покрытия на изначальную поверхность из-за невозможности прочного сцепления с ней.
В сети встречается много различных рецептов для создания металлических покрытий, однако половина успеха в этом деле составляет понимание последовательности процессов, равно как и понимание возможности и невозможности нанесения определённых металлов на целевые поверхности. Поэтому следующие составы можно изучить для себя просто в ознакомительных целях для понимания того, какие компоненты потребуются для нанесения определённого покрытия и какие у вас есть возможность заполучить.
Однако при возникновении интереса к соответствующему покрытию требуется изучить сопутствующий ему технологический процесс более подробно, так как это половина успеха. В частности, насколько известно автору этой статьи, хромовый ангидрид (использующийся в составе для хромирования) является сильным канцерогеном, поэтому следует изучить заинтересовавшее вас покрытие весьма пристально с разных сторон (с точки зрения технологии), до того как браться за него:
Номерами в показанных выше рецептах обозначена последовательность приготовления смеси, при этом смешивание каждого компонента происходит с 200–300 мл воды, после чего добавляется ещё такое же количество воды и следующий по списку компонент и т. д., пока общее количество электролита не дойдёт до 1 л.
Подробное описание некоторых из технологий металлизации приведено в литературе, имеющейся в конце статьи.
▍ Обезжиривание поверхности
Классическая технология гальванического нанесения покрытий предполагает предварительную качественную подготовку поверхности, которая заключается в очистке её от загрязняющих агентов и обезжиривании. Обычно поверхность очищают от грубых загрязнителей с использованием растворителей и спиртов. Впоследствии деталь окунается в горячий раствор едкого натра, растворённый в воде (80–90 градусов), из расчёта 10–15 г на литр, после чего извлечённая деталь промывается проточной водой. Такое обезжиривание даёт хорошее последующее смачивание деталей водой, что является маркером отсутствия жировых загрязнений.
Кстати говоря, насколько известно автору (на этот момент требуется комментарий химиков, не до конца уверен), обычные бытовые средства для ванной комнаты, особенно для прочистки тяжёлых засоров, продающиеся в чёрного цвета пластиковых бутылках в виде сыпучих составов, представляют собой преимущественно едкую щёлочь (натр или калий). Химическая чистота наверняка оставляет желать лучшего, но, по крайней мере, они весьма доступны и есть практически в любом магазине.
Однако ввиду низкой термостойкости фотополимерной смолы (конечно, если не использовать специальный, термостойкий её вариант, выдерживающий температуры более 200 ⁰С), подобный способ видится труднореализуемым. Поэтому наиболее применим следующий: все операции с готовой отпечатанной деталью производятся в перчатках (удаление поддержек), после чего деталь тщательно промывается в изопропиловом спирте.
Так как деталь является только что отпечатанной, она не должна содержать каких-то особенных загрязнений, которые могут вызвать последующие проблемы.
▍ Нанесение токопроводящего слоя
Так как мы имеем дело с пластиковой деталью, отпечатанной на 3D-принтере, естественно, что она не проводит электричество. Для придания поверхности детали свойства электропроводности, согласно классической технологии, её натирают с использованием мягких художественных кисточек мелко размолотым пластинчатым графитом, в качестве которого подойдёт даже грифель от карандаша.
Но это классический способ, а в настоящее время имеются более простые способы, одним из которых является нанесение аэрозольного покрытия с использованием аэрографа (металлические смеси, в частности, медные):
Или же из баллончика, используя смесь Graphite 33: Также возможно использовать и чистый порошковый графит, перемешанный с некоторым связующим, например краской. Пример ниже хорошо иллюстрирует это и, кроме того, показывает, насколько презентабельным может быть простое покрытие медью: Как знают постоянные читатели, автор этой статьи питает некоторую слабость к нестандартным способам в разных технических областях, и в процессе написания этого рассказа у него появилось несколько интересных мыслей насчёт создания токопроводящих поверхностей.
Почему вообще пришла в голову эта мысль: вспомнилось детство и опыт копчения с помощью свечки или спичек разнообразных поверхностей (не всегда общественно одобряемый:-)).
Автор начал изучать эту тему на предмет реалистичности в области «копчения 3D-моделей», так как, по идее, сажа, являющаяся углеродом, должна хорошо проводить электрический ток!
Как выяснилось в процессе погружения в тему, альтернативные способы создания токопроводящих поверхностей являются своего рода «Святым Граалем» в области химии и на соответствующих химических форумах происходят довольно активные обсуждения этого вопроса.
Если попробовать обобщить результаты этих обсуждений, то наиболее перспективными, с точки зрения химиков, видятся следующие варианты:
- использование ацетиленового пламени, так как по результатам тестов, сажа, получающаяся с его помощью, является отлично токопроводящей;
- копчение с помощью ацетонового пламени. Результат этого способа даёт практически графитовую сажу. Тут следует оговориться, что пиролиз ацетона происходил во время тестов химиков без доступа воздуха. Копчение с помощью ацетона в присутствии воздуха никто не проводил, так что этот способ ещё требует своего эксперимента;
- копчение с использованием обычной свечки в несколько подходов, после каждого из подходов промывание модели в ацетоне. Так как пламя свечи является «жирным» и требуется из получившейся сажи вымыть продукты горения парафина;
- обсыпка модели графитом и установка её на короткое время в микроволновку, что приведёт к нагреву графита и вплавлению его в структуру модели (теоретически это должно обеспечить отличную адгезию к поверхности). Этот способ можно даже «проапгрейдить», если порошковый графит наносить распылением из аэрографа, на манер порошковой окраски. Понадобится ещё высоковольтный блок для заряда аэрографа и модели. И практически полноценная порошковая окраска графитом готова — даже запекание есть (в микроволновке).
Обобщая все способы копчения, следует сказать, что по результатам ряда тестов все отмечали высочайшую степень адгезии копоти к поверхности, что объясняется высокотемпературным сплавлением. Все эти способы являются достаточно любопытными и заслуживают своего внимания, так как ведут, при успехе, к получению копеечного по цене, быстрого и качественного токопроводящего покрытия.
Возникающая в процессе копчения высокая температура не является непреодолимой преградой, так как может воздействовать весьма короткое время, если чуть ли не вплотную прижимать пламя к модели, что вызовет взаимодействие преимущественно низкотемпературной зоны пламени с моделью (обычно имеет голубой цвет и находится в центре языка пламени, у его основания). Побочным плюсом такой обработки явится некоторое оплавление шероховатостей поверхности и их сглаживание, что устранит потребность в ручном воздействии (например, с помощью железной ваты).
▍ Перспективы?
Как ни странно, в рунете очень мало самоделок подобного плана, так как любители 3D-печати обычно ограничиваются всего лишь окраской распечатанной 3D-модели, упуская из виду интересные возможности, которые даёт гальванопластика.
Применение гальванопластики рисует и перспективы, невиданные ранее: буквально в мае этого года прошла новость, что разработчики из МФТИ создали по новой технологии антенну для 5G и 6G: антенна была распечатана на 3D принтере, после чего покрыта металлом с использованием гальванизации. Подобный способ производства сложных технических вещей видится достаточно любопытным и позволяет любому самодельщику создавать быстро и просто даже весьма сложные конструкции, которые, к тому же будут существенно дешевле, чем полностью отпечатанные с использованием 3D-принтеров по металлу.
Тема гальваники достаточно большая, и сложно изложить все тонкости в рамках одной статьи, поэтому заинтересовавшимся рекомендую прочитать соответствующие главы книг ниже. В них весьма подробно освещаются многие вопросы, подход к которым не потерял своей актуальности, несмотря на годы изданий.
Для написания статьи были использованы материалы книг:
1. «Занимательная гальванотехника», Н.В. Одноралов, — Москва, «Просвещение», 1965 г.
2.»300 Практических советов», В.Г. Бастанов, — Москва, «Московский рабочий», 1986 г.
RUVDS | Community в telegram и уютный чат
