CC BY
147
Любимов Виктор Васильевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой ЭиНТ, lvv400@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
Веневцева Светлана Николаевна, аспирант, baranovasvetlana@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
RESEARCH METHODS IN CURRENT FORM ELECTROCHEMICAL PROCESSING IN
THE FREQUENCY RANGE 10 HZ - 1 MHZ
V. V. Lyubimov, S.N. Venevtseva
The article displayed developed method of measuring currents in the frequency range of 100 Hz - 1 MHz in electrochemical processing. Describes the process of fabrication of the electrode tool, as well as the results of research
Key words: electrochemical machining, pulse treatment, the current density, ultrasmall gaps.
Lyubimov Victor Vasilievich, doctor of technical science, professor, manager of department ENT, lvv400@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Venevtseva Svetlana Nikolaevna, postgraduate student, baranovasvetlana@mail. ru, Russia, Tula, Tula State Universit
УДК 621.9. 047
ФОРМИРОВАНИЕ МЕДНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПОЛИМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЯХ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ
М.С. Саломатников, В.В. Любимов
Рассмотрены преимущества использования металлизированных полимерных структур, полученных методом быстрого прототипирования, для создания объектов различного назначения. Произведена систематизация полимерных объектов по типу структуры поверхностей. Разработана методика формирования медных покрытий на поверхности полимерных структур, методами химического и гальванического осаждения. Приведены результаты экспериментальных исследования формирования медных слоев на поверхности полимерных изделий.
Ключевые слова: покрытие, проектирование, прототипирование, полимерные волокна, металлизация, осаждение, меднение, структура поверхности.
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.
Целью данной работы является 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 (акрило-нитрилбутадиенстирол). 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 (х). 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 персо-
нального 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.
Классификация полимерных объектов по типу структуры поверхностей
Тип
структуры
поверхности
Схематическое
изображение
Поперечное
сечение
изделия
Описание изделия
Г ладкая
Основа электрода-инструмента для электрохимической обработки.
Изготавливалась в два этапа:
1) выращивание методом быстрого прототипирования;
2) химическое травление поверхности, с целью снижения шероховатости.
Канальная
волокнистая
Канал для охлаждающих элементов микроэлектроники, требующих малые размеры и вес конструкций. Поперечное сечение канала имеет развитую геометрию с включение микроуглублений, что увеличивает теплоотвод при охлаждении.
Окончание
Тип
структуры
поверхности
Схематическое
изображение
Поперечное
сечение
изделия
Описание изделия
Столбчатая
Основа для создания каталитических сред. Конструкция имеет большую площадь поверхности, за счет столбчатой структуры и высокой шероховатости элементов изделия.
Каркасная
Каркасная структура, представляющая собой конструкцию с включение пустот в виде пазов. Предлагается использовать для создания каталитических сред и охлаждающих каналов, требующих больших контактов с охлаждающей жидкостью.
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.
а
б
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 Сг03 5 г/л H2S04 1400 г/л при температуре Т = 50... 60 °С;
3) нейтрализацию раствором Na2S203 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 2Н20 10 г/л при комнатной температуре;
5) активацию (создание каталитически активной поверхности для последующего осаждения ионов металла покрытия) в растворе PdCl2 -2Н20 1,46 г/л HCl концентрированный 16,8 мл/л при комнатной температуре;
6) сушку поверхностей изделия в резистивной печи при температуре Т= 40 °С в течение 15 мин.
7) меднение в растворе Cu2S04 5Н20 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. 2, а). 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 рис. 2, б при следующих режимах:
- электролит меднения CuS04 5Н20 - 180 г/л; H2S04 - 40 г/л; НзВОз - 40 г/л;
- плотность технологического тока 1 А/дм (скорость роста покрытия - 5 мкм/ч) - в течение первого часа меднения образцов в последующем осуществляли увеличение до 2 А/дм для увеличения скорости роста покрытия;
- температура электролита 20 °С;
- 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% HNO¡ и последующего измерения на нанопрофилографе-профилометре ESI 700 alfa пленки покрытия.
Производили оценку структуры поверхности металлизированных
образцов. В исследовании применялся микроскоп инструментальный оптический БМИ-1, оснащенный устройством микрометровной индикации УПЦ.
Результаты. 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).
а б
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.
I f
»
а б
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/дм 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/дм и времени обработки до 1800 мин (рис. 3, б) наблюдается увеличение шероховатости покрытия, по сравнению с образцами металлизируемыми при плотности тока равной 1 А/дм 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.
Саломатников Михаил Сергеевич, асп., m. s. salomatnikov@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Любимов Виктор Васильевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, lvv400@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
FORMATION OF COPPER COATINGS FOR POLYMER PRODUCTS RECEIVED BY RAPID PROTOTYPING
M.S. Salomatnikov, V.V. Luibimov
The advantages of the use of metallized polymer structures obtained by rapid prototyping to create different objects. Ordering of objects made of polymer-type surface structure. The technique of forming copper coating on the surface of the polymer structures by chemical and electrochemical precipitation of. The results of experimental studies of the formation of copper layers on the surface of polymer products.
Key words: cover, design, prototyping, polymer fibers, plating, deposition, copper plating, the surface structure.
Salomatnikov Michal Sergeyevich, post graduate, m. s. salomatniko vamail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Lubimov Victor Vasilievich, doctor of technical science, professor, manager of department, lvv400@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
