Miedziowanie wydruków 3D

Miedziowanie wydruków 3D - Pierwsze wyjęcie wydruku ze słoika po zakończonym miedziowaniu

Pierwsze wyjęcie wydruku ze słoika po zakończonym miedziowaniu

W ramach eksperymentu postanowiłem zająć się relatywnie słabo opisaną w internecie galwanizacją przedmiotów „nie-metalowych”. Metodą która przedstawię można galwanizować praktycznie wszystko: owady, drewno, tworzywa sztuczne, ususzone rośliny i tak dalej. Jako, iż posiadam drukarkę 3D nie mogłem sobie odpuścić próby galwanizacji wydruków czy-de. Podjąłem co najmniej kilka prób pokrycia wydruków metalem przed osiągnięciem zadowalających rezultatów. W końcu jednak udało się przeprowadzić cały proces od początku do końca tak jak należy. Największym problemem było równomierne rozprowadzenie miedzi po całym wydruku. Poniżej przedstawię relatywnie prosty sposób na miedziowanie wydruków 3D który daje bardzo dobre efekty już przy pierwszych próbach. Opiszę również wszystkie problemy z którymi musiałem się zmierzyć oraz ich rozwiązania.


Potrzebne rzeczy:

Miedziowanie wydruków 3D - Potrzebne rzeczy

Potrzebne rzeczy

  • Ocet spirytusowy (można też inny rozcieńczony kwas np. siarkowy – niebezpieczny)
  • Siarczan miedzi pięciowodny (należy używać rękawiczek przy pracy z nim)
  • Aceton
  • Spray grafitowy N-77 firmy due-ci (lub inny podobny)
  • Stężony alkohol izopropylowy lub eltylowy (do odtłuszczania)
  • Słoik z nakrętką lub inny pojemnik
  • Woda destylowana
  • Papier ścierny o wysokiej gradacji
  • Pędzelek
  • Anoda miedziana o powierzchni równej powierzchni wydruku
  • Kawałki laminatu do płytek drukowanych
  • Klej cyjanoakrylowy
  • Zasilacz laboratoryjny z funkcją źródła prądowego

Druk modelu 3D:

Miedziowanie wydruków 3D - Cięcie modelu 3D

Cięcie modelu 3D

Pierwszym krokiem będzie odpowiednie przygotowanie modelu który chcemy pokryć metalem. Na początek nie polecam zabawy z modelami na drukarkach „jedno-głowicowych” które wymagają sporych ilości supportów. Pod supportami wydruk często posiada wiele malutkich otworków a powierzchnia nie jest zbyt gładka. Wszystkie nierówności oraz nieszczelności trzeba będzie usunąć w kolejnych krokach dlatego też drukując taki model dodajemy sobie sporo pracy. Ja wybrałem dość prosty model który w dodatku jest płaski z drugiej strony – znacznie ułatwia to przyklejenie elektrody rozprowadzającej. Jest to coś w stylu kafelki Azteków link do modelu na Thingiverse: https://www.thingiverse.com/thing:1095494  . Wybrałem ten model ponieważ będzie wyglądał ciekawie gdy miedz się utleni a ja dodam trochę sztucznej patyny. Model powiększyłem do rozmiarów 7 x 7 cm – większy nie wszedł by do słoika. Cięcie modelu należy przeprowadzić tak aby powierzchnie wydruku były jak najgładsze i nie posiadały żadnych mikro-otworków. Polecam drukować przedmioty przeznaczone do galwanizacji z ABS,u ponieważ jest on prosty do obróbki (wygładzanie,szlifowanie itd).

Parametry druku które wykorzystałem podczas cięcia tego modelu:

  • Wysokość warstwy: 0.1 mm
  • Szerokość ścieżki: 0.45 mm
  • Wypełnienie: 35% Grid
  • Ilość warstw górnych/dolnych: 5/4
  • Materiał: ABS+ od DD
  • Obrysy: 2
  • Rozmiar dyszy: 0.4 mm
  • Prędkość druku: 40-60 mm/s
Miedziowanie wydruków 3D - Wydruk przed wygładzeniem

Wydruk przed wygładzeniem

Miedziowanie wydruków 3D - Wydruk przed wygładzeniem 2

Wydruk przed wygładzeniem 2

Pomimo starań i tak powstało trochę otworów w górnych warstwach – nie chciało mi się drukować tego drugi raz dlatego też poświeciłem trochę więcej czasu na wygładzanie wydruku.


Przygotowanie wydruku do pokrycia grafitem:

Miedziowanie wydruków 3D - Wydruk wygładzony acetonem

Wydruk wygładzony acetonem

Wydruk należy starannie przygotować do nałożenia warstwy grafitowej. Najpierw należ usunąć wszelkie brimy, rafty czy supporty. Następnie trzeba zając się powierzchnia wydruku która na wstępie musi być relatywnie gładka (stąd warstwa 0.1 mm). Wydruk traktujemy pędzelkiem zamoczonym w acetonie w celu wygładzenia powierzchni oraz usunięcia wszelkich mikro-otworków w wydruku. Nie należy przesadzać z ilością acetonu ponieważ przed nałożeniem grafitu wydruk musi być całkowicie wyschnięty. Aceton nakładamy w większych ilościach na miejsca w których podejrzewamy nieszczelności. Trzeba to robić umiejętnie aby nie powstały brzydkie ślady na wydruku. Po zakończeniu wygładzania należy zostawić wydruk na kilka godzin aby cały aceton odparował. Następnie zabieramy się za przyklejenie elektrody z laminatu do płytek drukowanych do naszego wydruku. Pewnie ktoś spyta co w przypadku gdy nie mamy takiej płaskiej powierzchni z tyłu wydruku – otóż jest kilka sposobów (trudniejszych). Można wydruk pokryć w całości grafitem a następnie owinąć cienkim drutem tak aby stykał się z wydrukiem w kilku miejscach. Można też wkręcić mały wkręt w miejsce które nie będzie się rzucać w oczy a następnie całość pokryć grafitem.

Miedziowanie wydruków 3D - Przyklejanie elektrody

Przyklejanie elektrody

Elektroda w tym przypadku spełnia dwa zadania: pozwala na odpowiednie zamocowanie wydruku w kąpieli oraz równomiernie rozprowadza prąd po powłoce grafitowej. Gdybyśmy przyczepili taką elektrodę w jednym punkcie (na przykład na rogu) prąd rozpływał by się najpierw po najbliższej powierzchni tworząc nierównomierną powłokę. Grafit dobrze przewodzi prąd ale nie tak dobrze jak roztwór siarczanu miedzi dlatego też należy na to uważać.

Miedziowanie wydruków 3D - Szlifowanie przed pokryciem farbą grafitową

Szlifowanie przed pokryciem farbą grafitową

Przed nałożeniem warstwy przewodzącej należy delikatnie zeszlifować powierzchnię wydruku oraz elektrody papierem ściernym o dużej gradacji. Dzięki temu grafit będzie lepiej się trzymał powierzchni wydruku. Następnie przechodzimy do odtłuszczania za pomocą alkoholu:

Miedziowanie wydruków 3D - Czyszczenie wydruku alkoholem

Czyszczenie wydruku alkoholem

Po odtłuszczeniu oczywiście nie dotykamy wydruku gołymi palcami.


Nałożenie warstwy grafitowej:

Miedziowanie wydruków 3D - Nakładanie powłoki grafitowej 2

Nakładanie powłoki grafitowej 2

Należy nałożyć co najmniej 2 dość grube warstwy farby grafitowej. Jeśli chodzi o czas schnięcia to należy się trzymać zaleceń producenta danej farby grafitowej. Trzeba bardzo uważać aby warstwy były równomierne – od tego zależy równomierność powłoki miedzianej. Zamiast farby grafitowej można tez próbować ze sproszkowanym grafitem wymieszanym z sokiem z ABS,u jednakże trudniej jest uzyskać zadowalające efekty. Przed rozpoczęciem galwanizacji musimy mieć pewność iż wszystko wyschło na 100% – najlepiej zostawić wydruk na noc. Nie należy tez przyspieszać procesu schnięcia wszelkimi suszarkami do włosów i innymi tego typu urządzeniami – może to spowodować uszkodzenie powłoki. Poniżej można zobaczyć jak powłoka powinna wyglądać po wyschnięciu:

Miedziowanie wydruków 3D - Wyschnięta powłoka grafitowa

Wyschnięta powłoka grafitowa

Miedziowanie wydruków 3D - Schnięcie powłoki grafitowej

Schnięcie powłoki grafitowej

BARDZO WAŻNE – Nie wolno dotykać tej powłoki po jej nałożeniu aż do momentu w którym całość znajdzie się w kąpieli.


Przygotowania do galwanizacji:

Miedziowanie wydruków 3D - Przygotowywanie roztworu

Przygotowywanie roztworu

Najpierw należy przygotować odpowiedni roztwór do miedziowania. Do jednego litra destylowanej wody dodajemy około 200 g siarczanu miedzi (CuSO4-5H20) . Wszelkie nierozpuszczone kawałki można odfiltrować poprzez papierowy filtr do kawy. Do roztworu dojadamy 25 ml stężonego kwasu siarkowego lub octu spirytusowego w ilości dwa lub trzy razy większej. Całość należy solidnie wymieszać i zastawić na później. Na anody miedziane najlepiej nadaje się czysta miedz w postaci przewodów czy rurek. Anody przed włożeniem do kąpieli do miedziowania należy porządnie oczyścić z zanieczyszczeń oraz tlenków za pomocą papieru ściernego. Anod również nie dotykami gołymi palcami po wyczyszczeniu. Należy pamiętać o tym ,że powierzchnia anody powinna być podobna do powierzchni galwanizowanego przedmiotu. Zazwyczaj powinno się stosować 2 anody po obu stronach wydruku w celu równomierniejszego rozprowadzenia powłoki.

Miedziowanie wydruków 3D - Miedziana anoda

Miedziana anoda


Galwanizacja:

Miedziowanie wydruków 3D - Wydruk podczas galwanizacji

Wydruk podczas galwanizacji

Proces galwanizacji rozpoczynamy od umieszczenia katody(naszego wydruku) oraz anody/anod w kąpieli. Należy zadbać o równą odległość anod od każdego elementu naszego wydruku. Należy też pamiętać o pozbyciu się wszelkich bąbelków powietrza z naszego wydruku. Gdy wydruk będzie w pewnym miejscu bliżej anody to będzie ono pokryte znacznie grubsza warstwa miedzi. Wszystko należy też odpowiednio zabezpieczyć taśmą aby nie mogło się poruszać. Dodatkowo musimy unieruchomić wydruk który chce wypłynąć z naszego roztworu. Aby dobrać odpowiednie docelowe natężenie prądu musimy mniej więcej policzyć powierzchnię wydruku. W moim wypadku jest to około 100 cm2 czyli 1 dm2. Na każdy decymetr kwadratowy przypada około jeden amper prądu. Jeśli posiadamy zasilacz z funkcja źródła prądowego nie musimy się martwić ciągłą regulacją napięcia. Roztwór powinien mieć temperaturę około 18-20 st. C. Galwanizacje rozpoczynamy od połowy prądu docelowego w celu utworzenia ładnej warstwy początkowej. Zostawiamy tak całość na około godzinę. Na powierzchni powinna być już widoczna cienka warstewka miedzi:

Miedziowanie wydruków 3D - Powłoka miedziana po godzinie galwanizacji

Powłoka miedziana po godzinie galwanizacji

Miedziowanie wydruków 3D - Warstwa miedzi po pierwszym dniu

Warstwa miedzi po pierwszym dniu

Następnie wyciągamy nasz wydruk i kontrolujemy czy miedz ładnie się rozprowadza. Na początku wydruk może wyglądać na nierównomiernie pokryty – nie należy się tym martwić. Z czasem warstwa miedzi przyrastająca od naszej elektrody będzie zmniejszać efektywną rezystancje powłoki grafitowej. Anodę czyścimy ze szlamu który będzie powstawał podczas całego procesu . Następnie zwiększamy natężenie prądu do wartości docelowej. Jeśli na przedmiocie tworzy się ciemna grubokrystaliczna powłoka z brunatnymi naroślami należy zmniejszyć natężenie prądu. Dobrze jest od czasu do czasu zamieszać cały roztwór w słoiku. Co godzinę lub dwie kontrolujemy stan powłoki i ewentualnie w razie ubytków delikatnie matowimy dane miejsce papierem ściernym o dużej gradacji. Po paru godzinach znów należy wyczyścić anodę ze szlamu. Teoretycznie miedz powinna przyrastać o około 0.03 mm na godzinę. U mnie cały proces trwał około 20 godzin – chciałem uzyskać dość gruba powłokę aby wydruk sprawiał wrażenie jakby był odlany z metalu. Po zakończeniu galwanizacji wyjmujemy wszystko z roztworu który zostawiamy sobie na później w zakręconym słoiku.

Miedziowanie wydruków 3D - Wydruk podczas galwanizacji 2

Wydruk podczas galwanizacji 2


Efekt końcowy:

Miedziowanie wydruków 3D - Widok od przodu na wydruk po zakończonym miedziowaniu

Widok od przodu na wydruk po zakończonym miedziowaniu

Miedziowanie wydruków 3D - Widok pod kątem na wydruk po zakończonym miedziowaniu

Widok pod kątem na wydruk po zakończonym miedziowaniu

Miedziowanie wydruków 3D - Widok od tyłu na wydruk po zakończonym miedziowaniu

Widok od tyłu na wydruk po zakończonym miedziowaniu

Miedziowanie wydruków 3D - Utleniająca się miedz

Utleniająca się miedz

Miedziowanie wydruków 3D - Miedz pokryta warstwą tlenków

Miedz pokryta warstwą tlenków

Powyżej można zobaczyć jak wygląda ten wydruk po prawie dobie galwanizacji. Z ciekawostek – z tylu oraz z przodu można zaobserwować małe kryształki miedzi które mienią się gdy są podświetlone pod odpowiednim kątem. Niestety wydruk bezpośrednio po wyjęciu z kąpieli będzie bardzo szybko się utleniał. Dlatego do czasu nałożenia kolejnej warstwy z innego metalu dobrze jest go przechowywać w roztworze w słoiku. Na dolnej krawędzi widoczne są większe kryształki miedzi – wynika to właśnie z tego ,że wydruk względem anody nie był równomiernie ułożony. Większa cześć anody znajdowała się pod wiszącym wydrukiem.


Pokrywanie innymi metalami:

Tak wykonaną powlokę miedzianą należy teraz odpowiednio wyszlifować oraz wypolerować na „lustro”. Po wypolerowaniu można zabierać się za kolejne etapy galwanizacji na przykład srebrem czy złotem. Jednakże o tym napisze już w kolejnej części tego artykułu 🙂 .

Jak zwykle zachęcam do umieszczania komentarzy poniżej: