česky english Vítejte, dnes je pondělí 06. únor 2023

Z aktuálního vydání: ELFORMPLATE Unikátní technologie galvanického pokovování plastových součástí vyrobených pomocí 3D tisku a součástí ze sklokeramiky

DPS 1/2023 | Výroba - články
Autor: Lukáš Vojtěch, Radek Tuček | Electroforming s. r. o.
01

Technické vrstvy z mědi a niklu, co zušlechtí i vaše součásti, protože:

  • vytvářejí kovový vzhled,
  • zvyšují tepelnou odolnost,
  • zrychlují proces prototypování,
  • zvyšují korozní a chemickou odolnost,
  • zvyšují pevnost i pružnost v tahu a ohybu,
  • zvyšují odolnost dílů vůči opotřebení třením,
  • umožňují vytvářet odlehčené a zároveň pružné díly,
  • umožňují vytvářet nové typy součástí a struktur plast-kov,
  • dávají plastům i sklokeramice schopnost vést elektrický proud,
  • umožňují vytvářet nové typy součástí a struktur sklokeramika-kov.

Klasické galvanické pokovování plastů

Galvanické pokovování plastů patří mezi standardní technologie povrchových úprav plastů, a to nejen v prostředí průmyslu či designu. Vznikají tak struktury plast-kov, které mají vyšší užitné nebo estetické vlastnosti. Díky tomu mohou být tyto struktury odolnější vůči mechanickému namáhání v ohybu či tahu, mohou být více odolné i tepelnému namáhání. Krytí plastů kovovým povlakem je chrání proti stárnutí vlivem UV záření nebo vůči působení dalších fyzikálních či chemických vlivů. Pro kvalitní povrchovou úpravu, tedy nanesení povlaku kovu na polymerní podklad (v tomto případě plast), je však kritickým místem technologie naleptání, která zajišťuje zakotvení první vrstvy kovu na plastový podklad. Standardem je využití narušení povrchu polymerní vrstvy leptáním v kyselině chromsírové (směsi oxidu chromového, oxidu chromitého a kyseliny sírové). Vytvoří se tak kaverny a nerovnosti o velikostech v řádu desetin až jednotek μm, díky kterým roste adheze následně aplikovaných kovových vrstev. Celý proces pokovení plastů je velice náročný, a to nejen z důvodu udržení požadované stability výrobní technologie, ale také z důvodu použitého množství chemikálií a nutných oplachů. Technologický proces galvanického pokovení plastů obvykle sestává z kroků: moření plastu, 3× oplach, neutralizace plastu, 3× oplach, předaktivace, aktivace povrchu, oplach, strip Sn, 3× oplach, chemické niklování, 3× oplach, imerzní mědění, oplach, kyselé mědění, 3× oplach, niklování, 3× oplach a případné další niklování a chromování. Celková tloušťka povlaku bývá řádově 50 μm. Tento technologický proces je optimalizovaný zpravidla pro díly z materiálu ABS vyráběné metodou vstřikování. Pro ostatní plasty a výrobní technologie je nutné proces upravovat a řádně testovat. S adhezí jsou však i tak často velké problémy, a to zejména při neuvolněném vnitřním pnutí plastových dílů, kdy přestává fungovat proces naleptání. Výše uvedené důvody tak způsobují zásadní potíže při pokusech o standardní galvanické pokovování 3D tiskem vyráběných součástí.

ELFORMPLATE a plasty

Technologie galvanického pokovení 3D tisků ELFORMPLATE byla vyvinuta právě proto, aby vyřešila problémy stávajících metod pokovování plastů. Díky realizované unikátní a průmyslověprávně chráněné struktuře plast-kov vykazují následně nanášené galvanické vrstvy skvělou adhezi k polymernímu základu tvořenému 3D tiskem. Přechod mezi plastem a kovem je u obecných součástí plast-kov nejvíce namáhaným místem, neboť kovová vrstva na plastovém podkladu drží částečně díky chemickým vazbám, ale především vazbou mechanickou (jako suchý zip). Přestože byla technologie původně vyvinuta pro tiskovou technologii MJF (Multi Jet Fusion), dobrých výsledků je dosahováno i u součástí tisknutých technologií SLS (Selective Laser Sintering), tedy 3D tiskových technologií založených na spékání polymerních prášků.


Obr. 1 Galvanické pokovení 3D výtisků s využitím technologie ELFORMPLATE

Technologie ELFORMPLATE vykazuje skvělé výsledky zejména pro technické aplikace, a to díky možnosti nanášení silných vrstev mědi či niklu o standardní tloušťce až desetin mm. Takto zušlechtěné 3D tiskem vyráběné plastové součásti otevírají zcela nové možnosti výroby komplikovaných komponentů. Mezi příklady a aplikační oblasti 3D tisků pokovených technologií ELFORMPLATE lze uvést:

  • Strojírenství: lopatky čerpadel, ozubená kola, vačky, kluzné prvky, tvárníky a tvárnice, tvarové vložky, jádra, kryty, tvarové měděné targety, komplikované přípravky, metalizační a maskovací přípravky, chladiče, skořepiny (formy), držáky, těsnění plast-kov, elektrody pro EDM,
  • Elektrotechnika: stínicí kryty, elektrody a sběrače, mikrovlnné prvky a antény, chladiče,
  • Chemie: síta, filtry, komory, výměníky, chladiče,
  • Design: kliky, madla, loga, osvětlovací tělesa.

ELFORMPLATE a sklokeramika

Podobných výhod jako u pokovení plastů z 3D tisku je možné dosáhnout i pokovením keramiky a sklokeramiky. Technologii ELFORMPLATE je tak možné využít i pro pokovení oblíbené konstrukční sklokeramiky MACOR®, která překvapuje svou relativně snadnou obrobitelností. I zde je možné na vrstvu primárního zakovení (tedy zvodivění povrchu), viz obr. 2, nanášet technické a dekorativní vrstvy mědi či niklu. Tyto vrstvy je možné nanášet i v tloušťkách desetin či jednotek mm, s využitím elektroformingu. Nové materiálové struktury sklokeramikaměď jsou velice oblíbené v elektrotechnice (vysokonapěťové i vysokofrekvenční) či vakuové technice.


Obr. 2 Vrstva primárního zakovení na výbrusu pokovené sklokeramiky MACOR®

Součásti v provedení sklokeramika/měď či sklokeramika/nikl přinášejí unikátní příležitost pro kombinaci extrémně odolného izolantu a dobře elektricky i tepelně vodivých kovů. Samozřejmostí je totiž možnost selektivního pokovování, tedy pokovování pouze vybraných ploch sklokeramického polotovaru. Obecně lze očekávat jejich nasazení při výrobě součástí:

  • optických,
  • vakuových,
  • otěruvzdorných,
  • vysokoteplotních,
  • vysokonapěťových,
  • vysokofrekvenčních,
  • součástí izolant-vodič.

ELFORMPLATE – mechanické vlastnosti

Pro ověření vlastností struktury plast-kov byla na zkušební plastová tělesa nanesena 0,1 mm silná vrstva mědi, a to pomocí galvanoplastiky. Jako nejvhodnější aditivní technologie pro výrobu plastových dílů byla zvolena metoda Multi Jet Fusion (MJF), přičemž tělesa byla vytištěna z materiálu polyamid 12.

Pro vyhodnocení vlivu pokovení na výsledné mechanické vlastnosti byly struktury plast-kov, za využití normalizovaných těles, podrobeny mechanickým zkouškám v tahu a ohybu.

Na základě získaných výsledků (obr. 3) lze konstatovat, že u tahových těles byla mez pevnosti v tahu navýšena o 18 % a u modulu pružnosti v tahu (tuhosti) došlo k nárůstu této hodnoty 3,3krát. U těles určených k ohybové zkoušce vzrostla mez pevnosti v ohybu o 54 %, přičemž vyhodnocením modulu pružnosti v ohybu byl zaznamenán nárůst až 4,5krát.


Obr. 3 Naměřené mechanické vlastnosti v tahu a ohybu struktur plast-kov

Struktury plast-kov byly rovněž podrobeny cyklické teplotněvlhkostní zkoušce PV 1200 dle standardu VW. Cílem bylo posouzení dopadu klimatického testu na soudržnost nanesené měděné vrstvy s plastovým dílem. V rámci zkoušky byly vzorky vystaveny střídavému teplotnímu cyklu v rozsahu od –40 °C do +80 °C při regulované relativní vlhkosti vzduchu. V klimatické komoře byly takto umístěny po dobu 5 a 10 dní. Nanesená měděná vrstva na dílu zatíženého 5 dní nepopraskala a ani nedošlo k její delaminaci od plastu. Na nanesené vrstvě mědi dílu umístěného v klimatické komoře 10 dní se sice objevily praskliny, ale nedošlo k delaminaci od plastu.

Při aplikaci těchto struktur do náročných klimatických podmínek je proto nutné uvažovat rozdílnou tepelnou roztažnost plastu a kovu, která zásadně mechanicky namáhá rozhraní plast-kov. Se zvyšujícím se objemem pokovované součásti (pokovený plný válec) způsobuje vliv tepelné roztažnosti rostoucí namáhání na rozhraní plast-kov, přičemž s mírou odlehčení součásti (pokovená roura) toto namáhání naopak klesá.

ELFORMPLATE – ekonomika a ekologie

Technologie ELFORMPLATE byla vyvinuta s ohledem na ekonomiku a ekologii výroby. Při výrobě nedochází k hlubokému leptání plastů a nejsou používány nebezpečné chemikálie, a to ani při předúpravách, ani během galvanického pokovování. Vynaložené náklady ovlivňuje jako obvykle velikost série a sestava zakázky i provedení dílů. Zásadní optimalizací může být například sesazení či soutisk dílů do stromečku s předem navrženým provedením technologických závěsů.

Technologie vznikla v rámci projektu TM01000063 Výzkum a vývoj elektroformovaných kompozitních struktur polymer-kov pro inteligentní aditivní výrobu, který je spolufinancován se státní podporou Technologické agentury ČR v rámci programu DELTA 2.

www.electroforming.cz

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik