Формирование медных покрытий на полимерных изделиях, полученных методом быстрого прототипирования

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В современных условиях быстроизменяющегося рынка и спросов потребителей возникает необходимость в создании новых высококачественных изделий, производство которых бы занимало минимальные экономические и временные затраты, по сравнению с традиционными методами обработки, например, резанием, прессованием, литьем и т.д.

На сегодняшний день большинство зарубежных и отечественных предприятий используют технологию быстрого прототипирования (Rapid Prototyping - RP), основанную на создании трехмерной электронной геометрической модели изготавливаемого изделия с последующей ее послойной реализацией по известным технологиям [1]. Данные технологии позволяют создавать изделия с различными размерами, свойствами и формами, при этом обеспечивая высокую точность размеров и качество формируемых поверхностей.

Предлагается на поверхности полимерных изделий, полученных методом быстрого прототипирования, формировать медные покрытия и слои различных толщин, например, для получения свойств электропроводности, создания каталитических сред, канальных структур и т.д. Для этого предлагается использовать методы химической металлизации пластмасс и последующего гальванического осаждения покрытий. Необходимо отметить, что металлизированные изделия на основе полимерных структур, получаемые по технологии послойного выращивания, обладают рядом определенных преимуществ, по сравнению с металлическими изделиями, изготовленными традиционными методами обработки, среди которых:

· низкая себестоимость и сроки изготовления продукции;

· сниженный вес конструкции изделий;

· возможность создания объектов с развитой структурой поверхности;

· быстрое восстановление покрытия в случае его разрушения.

На основании вышеуказанных преимуществ необходимо отметить актуальность проводимых исследований, направленных на создание нового класса функциональных изделий.

Цель работы - разработка методики формирования медных покрытий и слоев, с использованием технологий химического и гальванической металлизации, на поверхностях полимерных изделий, полученных методом быстрого прототипирования (RP).

Техника и методика исследований.

В работе для создания полимерных изделий и конструкций использовали распространенную технологию получения трехмерных моделей, основанную на послойном термическом укладывании полимерной нити (FDM - осаждение моделей плавлением). В качестве материала нити, использовался ABS-пластик (акрилонитрилбутадиенстирол). Нить 2 диаметром 3000 мкм с катушки 1, при помощи роликов 3 подается в сопло 5 (рис. 1). Нагревательные элементы 4, установленные в конструкцию сопла, осуществляют расплав ABS-нити. Сопло установлено на механическую платформу, которая может перемещаться в горизонтальном направлении (x). В процессе изготовления изделия, расплавленный материал нити послойно укладывается на предметный столик 8, который может перемещаться в горизонтальном (y) и вертикальном (z) направлениях по заданным координатам, поступающим с персонального компьютера 9.

В случаях, когда модель изделия представляет собой сложную конструкцию с наличием пазов, каналов и т.д., ее изготовление осуществляется с использованием основного материала 6 и материала поддержки 7, который в дальнейшем удаляется механическом способом (рис. 1).

Рис. 1. Схема быстрого прототипирования полимерных изделий по технологии FDM: 1 - катушка; 2 - ABS-нить; 3 - ролик; 4 - нагревательный элемент; 5 - сопло; 6 - материал изделия; 7 - материал поддержки; 8 - столик; 9 - персональный компьютер

По указанной технологии был изготовлен ряд образцов, представляющих собой полимерные конструкции с разными типами структур поверхностей и технологическим назначения, приведенных в таблице.

Таблю 1. Классификация полимерных объектов по типу структуры поверхностей

полимерный прототипирование электронный

Для металлизации полимерных изделий, полученных методом быстрого прототипирования, была разработана методика, особенностью которой является формирование металлических слоев в два этапа:

1) химическая металлизация путем восстановления ионов металла в водных растворах с помощью растворенного восстановителя (создание предварительного электропроводящего слоя);

2) гальваническая металлизация, с целью получения требуемого технологического слоя и параметров поверхности покрытия.

Рис. 2. Схемы меднения полимерных изделий: а - химическое меднение: 1 - образец; 2 - ванна с водным раствор; б - гальваническое меднение: 1 - образец; 2 - электроды; 3 - ванна с электролитом; 4 - магнитная мешалка

Химическая металлизация полимерных образцов осуществлялась в несколько стадий, по методике указанной в ГОСТ 9.313 - 89, которая включала [2]:

1) обезжиривание в бензине растворителе (БР1 ГОСТ 443-76);

2) травление поверхности в растворе CrO3 5 г/л H2SO4 1400 г/л при температуре T = 50…60С;

3) нейтрализацию раствором Na2S2O3 25-50 г/л при комнатной температуре;

4) сенсибилизацию (осаждение первично слоя олова (II), толщиной от нескольких долей до сотен нанометров [3]) в растворе SnCl2 • 2H2O 10 г/л при комнатной температуре;

5) активацию (создание каталитически активной поверхности для последующего осаждения ионов металла покрытия) в растворе PdCl2 •2H2O 1,46 г/л HCl концентрированный 16,8 мл/л при комнатной температуре;

6) сушку поверхностей изделия в резистивной печи при температуре T = 40 0C в течение 15 мин.

7) меднение в растворе Cu2SO4 • 5H2O 5 г/л KN 25 г/л с добавление 10% NaOH до pH = 12-13. Время осаждения медного покрытия составило: 15 мин - для основы электрода-инструмента и охлаждающего канала; 30 мин - для столбчатой и каркасной структуры. В ходе реакции меднения все образцы встряхивали для удаления образующихся на поверхности пузырьков водорода (рис. 2а). Установлено, что это способствовало получение равномерного слоя медного покрытия. Толщина покрытия меди при указанных условия составила порядка 0,2-0,4 мкм.

Гальваническое осаждение меди на поверхность предварительно металлизированных химическим способом образцов осуществляли по схеме, указанной на рисунке 2б при следующих режимах:

- электролит меднения CuSO4 · 5Н2О - 180 г/л; H2SO4 - 40 г/л; H3BO3 - 40 г/л;

- плотность технологического тока 1 А/дм2 (скорость роста покрытия - 5 мкм/ч) - в течение первого часа меднения образцов в последующем осуществляли увеличение до 2 А/дм2 для увеличения скорости роста покрытия;

- температура электролита 20 0С;

- время меднения составило: 90 мин для электрода-инструмента; 1800 мин для охлаждающего канала; 120 мин для столбчатой и каркасной структуры.

В дальнейшем производили оценку толщины медного покрытия, сформированного на поверхности электрода-инструмента, путем травления медной пленки в растворе 40% HNO3 и последующего измерения на нанопрофилографе-профилометре ES1700 alfa пленки покрытия.

Производили оценку структуры поверхности металлизированных образцов. В исследовании применялся микроскоп инструментальный оптический БМИ-1, оснащенный устройством микрометровной индикации УПЦ.

Результаты и обсуждения

В результате исследований по формированию медных покрытий на поверхности полимерных структур, созданных методом быстрого прототипирования по технологии FDM, были получения образцы изделий с покрытием медью (рис. 3, 4).

Рис. 3. Образцы металлизированных полимерных изделий: а -электрод-инструмент; б - охлаждающий канал

У металлизированных образцов наблюдается наличие медного покрытия по всех поверхности изделий, что указывает на возможность металлизации по указанной методике объектов, имеющих развитую внешнюю и внутреннюю структуры поверхности, а также и о целесообразности использования указанных методов.

Рис. 4. Образцы металлизированных полимерных изделий: а - столбчатая структура; б - каркасная структура

Проведенные исследования показали, что толщина покрытия на поверхности полимерных изделий, полученных при плотности технологического тока 1 А/дм2 и времени обработки 90 мин составляет 8 мкм.

Исследование структуры поверхности металлизированных образцов с помощью оптической микроскопии показало, что поверхность покрытия имеет матовый оттенок, что связано рассеивающей способностью электролита, используемого для гальванического меднения.

При увеличении значения технологического тока до 2 А/дм2 и времени обработки до 1800 мин (рис. 3б) наблюдается увеличение шероховатости покрытия, по сравнению с образцами металлизируемыми при плотности тока равной 1 А/дм2 и временем обработки в 90 мин, что является положительным результатов при создания охлаждающих и каталитических структур, так как имеется большая площадь поверхности контакта.

Выводы.

Технологию быстрого прототипирования можно использовать для изготовления изделий, имеющих различную структуру поверхности, с целью последующей их металлизации, что позволить сократить материальные и временные ресурсы.

Разработана методика формирования медных покрытий на поверхности полимерных изделий, имеющих развитую внешнюю и внутреннюю структуру поверхности.

Получены образцы металлизированных изделий, толщина покрытия которых составляет 8 мкм при времени осаждения 90 мин.

Предложенную методику металлизации полимерных изделий, полученных методом быстрого прототипирования, можно использовать для создания структур, имеющих особые геометрические параметры поверхностей, например, электродов-инструментов для электрохимической обработки, охлаждающих каналов и каталитических сред.

Список литературы

1. Ли Кунву Основы САПР (CAD/CAM/CAE). - СПб.: Питер, 2004. 560 с.

2. ГОСТ 9.313 - 89. Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические на пластмассах. Общие требования и технологические операции - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1990. 57 с.

3. Шалкаускас М.И., Вашкялис А.И. «Химическая металлизация пластмасс». 3-е издание, перераб. - Л.: Химия, 1985. 144 с.

Размещено на Allbest.ru