Technické vrstvy z mědi a niklu zušlechtí 3D tisk nejen vytvořením kovového vzhledu, ale především zvyšují tepelnou, korozní a chemickou odolnost, pevnost i pružnost v tahu a ohybu, dodávají schopnost vést elektrický proud a umožňují vytvářet nové typy součástí a struktur plast-kov.
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 i 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, zajišťující zakotvení první vrstvy kovu na plastový podklad. Standardem je využití narušení povrchu plastu 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 cca 50 µm. Tento technologický proces je optimalizovaný zpravidla pro díly z materiálu ABS vyráběné vstřikováním. 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
Technologie galvanického pokování 3D tisků Elformplate byla vyvinuta právě proto, aby vyřešila problémy stávajících metod pokovování plastů. Díky realizované unikátní a k průmyslově-právní ochraně přihlášené 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 vždy pouze mechanicky.
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). Technologie Elformplate vykazuje skvělé výsledky zejména pro technické aplikace, a to díky možnosti nanášení silných vrstev mědi či niklu o tloušťce, která dosahuje až desetin milimetru. 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 apod.
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 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.
Struktury plast-kov byly podrobeny i cyklické teplotně-vlhkostní 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.
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.
V současné době je pokovování nabízeno jako služba s orientační cenou 400 až 1000 Kč za dm2. Cenu zakázky ovlivňuje jako obvykle velikost série a sestava zakázky i provedení dílů. Zásadní optimalizací může být například soutisk dílů do stromečku s předem dojednaným provedením 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.
Napsali: Lukáš Vojtěch a Radek Tuček, Electroforming.cz
