Авторы: А.Н. Петров¹, Н.А. Моисеева², М.А. Петров^1
1  Московский политехнический университет
²  НТЦ «Техноком-АС»

Статья посвящена разработке технологического процесса изготовления изделий методом 3D-печати и технологии нанесения декоративных покрытий химическим и электрохимическим способом. Апробация первых вариантов вышеназванных технологий выполнена совместно с НТЦ «Техноком-АС» в лабораторных и производственных условиях. Выбраны оптимальные режимы печати, разработаны составы для химического и электрохимического способа нанесения медных и серебряных покрытий, рассчитаны режимы обработки и изготовлены опытные образцы изделий «ваза», «сова», «значки». Кроме того, разработана и апробирована технология росписи по эмали изделий «значки». В процессе изготовления опытных образцов была исследована шероховатость поверхности изделий.  

Полимерные материалы делятся на два типа: термореактивные и термопласты. Первый вид имеет высокую хрупкость и не подвергается деформации, например, карболит. Второй вид полимеров, термопласты, например АБС и другие, ГОСТ 9.313‑89, отличаются высокой пластичностью при нагревании и легко деформируются. Несмотря на множество положительных качеств полимерных материалов и в первую очередь невысокую трудоемкость обработки и себестоимость, полимеры обладают рядом недостатков, которые ограничивают их применение:

• невысокая износостойкость;
• низкая теплопроводность;
• низкая устойчивость к воздействию света и растворителей;
• выделение газообразных продуктов и старение;
• плохие декоративные качества.

В зависимости от назначения и условий эксплуатации изделия существуют стандарты, которые регламентируют соответствующие требования по физико-­химическим свой­ствам полимерных материалов. Для улучшения декоративных свой­ств изделий бытовой техники самый распространенный вид покрытия — это медь — никель — хром: ручки настройки на радиоэлектронной аппаратуре, краны, штуцера сантехники, корпуса часов, авторучки, столовые приборы и т. п. В радиоэлектронной промышленности металлизация печатных плат имеет широкое применение. На диэлектрик (стеклопластик) по трафарету наносят токопроводящий слой меди в виде соединительных проводников.

Существует три способа металлизации:
• напыление жидкого металла;
• вакуумное напыление металла;
• химико-­электрохимическая металлизация.

Химико-­электрохимический способ металлизации более предпочтительный по технико-­экономическим показателям. Химическое восстановление металлов на поверхности полимерных изделий является основной операцией для получения токопроводящего слоя. Применяют медь, серебро, никель, кобальт, палладий. Технология химического осаждения металла на полимерные материалы существенно отличается от процесса осаждения металла на металлической поверхности. После химического восстановления металла (осаждения меди, серебра) образуется первичный слой металла, на который наносится слой меди или никеля электрохимическим способом.

ГОСТ 9.313‑89 «Покрытия металлические и неметаллические неорганические на пластмассах» распространяется на металлические и неметаллические неорганические покрытия, получаемые на пластмассовых деталях способом химического осаждения электропроводного покрытия или подслоя для последующего нанесения электрохимического покрытия с целью придания пластмассовым деталям специальных свой­ств и декоративного вида и устанавливает общие требования к деталям и покрытиям, основные параметры операций получения электропроводного покрытия или подслоя никеля, меди и сульфидов меди.

Требования к покрытиям регламентируются теми же стандартами [1], что и для металлических изделий: ГОСТ 9.301‑86/9.303‑84/9.306‑85/2789‑73 и 15150‑69. Требование безопасности регламентируется ГОСТ 12.3.008.

С появлением 3D-принтеров и технологии экструзионной печати (ГОСТ 57589‑2017), известной в англоязычном пространстве по аббревиатурам FDM/FFF, позволяющих изготавливать прототипы изделий по электронной модели (определение согласно ГОСТ 2.052‑2021), разработка технологий получения металлических и неметаллических декоративных покрытий на полимерных материалах является весьма актуальной задачей [2–5].

В процессе 3D-печати, равно как и при любом другом процессе: резании, строгании, фрезеровании, шлифовании и т. д., поверхность приобретает профиль разной шероховатости, ГОСТ 2789‑73. Под шероховатостью поверхности подразумевают числовую характеристику величины микронеровностей реальной поверхности, определяющую ее отклонение от идеально гладкой поверхности, ГОСТ 2.309‑73. Номенклатура параметров, типы направлений неровностей поверхности и числовые значения параметров для оценки шероховатости поверхностей устанавливаются ГОСТ 2789‑73.

Выкладка филамента и рельеф при 3D-печати напоминает больше волнистость на большой базовой длине измерения, нежели шероховатость. Поэтому, на наш взгляд, термин «волнистость» подходит к 3D-печати в большей степени.

ГОСТ Р ИСО 4287‑2014 «Геометрические характеристики изделий» определяет структуру поверхности, профильный метод, термины, определения и параметры структуры поверхности. Профиль поверхности, согласно вышеназванному стандарту, образуется в результате пересечения реальной поверхности указанной плоскостью (рис. 1).

Рис. 1. Профиль поверхности

В таблице 1 приведены сравнения шероховатости (волнистости) поверхностей прототипов, полученных по разным технологиям 3D-печати [5].

Технология послойного наплавления FDM с использованием композитных полимеров на основе PETG — самый распространенный способ трехмерной печати. 3D-принтер включает в себя экструдер с печатающей головкой, механизм перемещения печатающей головки, рабочую платформу, механизм подачи полимерной нити (филамента).

PETG-нить подается в экструдер, где нагревается и плавится. Через печатающее сопло расплав выдавливается на разогретую платформу. Рабочий стол может быть открытым или находиться в термостойком закрытом корпусе.

В статье изложена технология получения прототипов изделий «значок», «ваза» и «сова» (плоских и объемных) методом FDM с последующим нанесением покрытий —металлизацией (меднение и серебрение, рис. 2).

1) Декоративная ваза        2) Фигурка совы     3) Значок кафедры «ОМДиАТ»
Рис. 2. Металлизация прототипов изделий: 1 — меднение; 2 — серебрение (слева) и исходный прототип (справа); 
3 — меднение+эмалирование (слева) и серебрение+эмалирование (справа)

В качестве материала для 3D-печати применили полимер PETG, модифицированный полиэтилентерефталан (PET).

Рис. 3. Принтер Anycubic Kobra 2, общий вид

Материал полиэтилентерефталан широко применяется для изготовления изделий различного назначения. Сочетает в себе преимущества двух пластиков: ABS и PLA. Температура печати 220–240°C. Плотность  1,27 г/см³. Температура кристаллизации 85°C. Скорость печати 50 мм/с в зависимости от точности наладки и выбранных режимов. Преимущества по сравнению с другими полимерными материалами: высокая стойкость, хорошая экология (нет запаха при печати), подходит для большинства принтеров FDM, низкая термоусадка, простота печати.

Технология 3D-печати начинается с проектирования в программе Т-flex Сad 3D-модели изделия. Программа объединяет в себе параметрические возможности 2D- и 3D-моделирования со средствами создания и оформления чертежей и конструкторской документации в соответствии с ЕСКД и зарубежными стандартами. 

3D-печать осуществляется в автоматизированном режиме, все циклы изготовления включают контроль качества и свойств изделия: мониторинг уровня мощности, температуры, уровня кислорода. В таблице 2 показана технологическая карта 3D-печати изделия «ваза».

Изготовление прототипов изделий выполнено на 3D-принтере Anycubic Kobra 2, относящемся к новому поколению доступных FDM-принтеров от Anycubic. Характеристика принтера приведена в таблице 3.

Принтер имеет функцию автоматического выравнивания, сенсорный дисплей с диагональю 4,3 дюйма, лист пружинной стали с покрытием PEI, датчик филамента, функцию восстановления при потере мощности и скорость печати до 250 мм/с. На рис. 3 показан общий вид принтера.

После экструзионной печати прототипы могут подвергать различным способам обработки для уменьшения шероховатости поверхности. Например, нанесение аэрозольной краски, обработка дробеструйным способом мелкой металлической или стеклянной дробью или абразивной бумагой разной зернистости. Известны способы получения полированной поверхности химическим способом с использованием ацетона или дихлорметана. Шероховатость поверхности уменьшается в 5–7 раз по сравнению с исходной поверхностью [5].

Разработка технологии нанесения покрытий на полимерный материал PETG, модифицированный полиэтилентерефталан (PET), выполнена в НТЦ «Техноком АС» с участием Московского Политеха (кафедра «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии»). Ниже приведена карта 1 первого этапа технологического процесса подготовки поверхности и нанесения токопроводящего слоя меди.

Следующий этап технологии — электрохимическое нанесение меди и никеля/серебра на токопроводящий слой меди изделия, карта 2.

Адгезия металлических покрытий с полимерными материалами зависит от способа подготовки покрытия и от природы полимерного материала и существенно уступает прочности покрытия с металлической подложкой.

Согласно ГОСТ 9.313‑89, шероховатость поверхности после травления по ГОСТ 2789‑73 должна быть равномерной: Ra 0,1…0,5. После химического травления поверхность должна иметь равномерный матовый вид без блестящих точек, рыхлых полос или других видов неоднородностей. Толщина покрытий на первом и втором этапе (таблица 1 и 2) в пределах ГОСТ 9.313‑89.

В таблицах 4, 5 приведены некоторые показатели требований к покрытиям после химического и электрохимического нанесения.

Роспись акриловыми красками и холодной эмалью апробирована на изделиях после печати и после металлизации, соответственно. Эмали холодные с катализатором, затвердевающие при комнатных температурах, выбрали для росписи изделий после 3D-печати и металлизации (рис. 2). Акриловые краски подходят для любой нежирной поверхности, быстро сохнут и не блекнут, поэтому были выбраны для росписи 3D-модели изделия «картина». Подготовка к росписи акриловыми красками требует тщательной подготовки поверхности. На рисунках 4, 5, 6 показаны основные этапы технологии росписи: изготовление изделия; подготовка поверхности; роспись акриловыми красками.

Рис. 4. Изделие после 3D-печати

Рис. 5. Изделие после грунтовки

Рис. 6. Изделие после росписи. Разработка технологии и роспись изделий выполнены выпускниками кафедры «ОМД и АТ» Московского Политеха Аленой Ермаковой и Анастасией Музыченко

Заключение

Исходя из рекомендаций стандарта [6] и многолетнего опыта разработки технологических процессов нанесения различных металлических покрытий на изделия художественного и производственного назначения апробирована технология металлизации (меднение и серебрение) полимерных материалов. Качество покрытий и прочность сцепления с полимером получается сопоставимой с требованиями стандартов; суммарная толщина токопроводящего слоя и подслоя составила 6,0…11,0 мкм, декоративного покрытия — в пределах ГОСТ 9.305‑84. Шероховатость поверхности изделий перед нанесением покрытий (операция «травление») в пределах ГОСТ 9.313‑89. 

Разработка технологий 3D-печати и технологий покрытий будет продолжена в направлении исследования шероховатости изделий из других полимерных материалов, влияния на качество нанесенных покрытий и корректировки технологии. Одновременно будут апробированы другие металлические и неметаллические покрытия, включая и роспись по эмали.

Литература

1. А.Н. Петров, Н.А. Моисеева. Химические и электрохимические покрытия изделий: учебное пособие. М.: Московский Политех, 2020. С. 112.
2. https://xometry.eu/en/surface-­roughness-in‑3d-printing
3. https://3dtoday.ru/blogs/harh/introduction-to‑3d-printing-part‑4‑mechanical-and-chemical-­postprocess?commentId=42736.
4. J. Žigon, M. Kariž, M. Pavlič. Polymers. 2020. № 12: 2797. DOI: 10.3390/polym12122797.
5. А.Н. Петров, Н.А. Моисеева, М.А. Петров. Защитно-­декора-тивные покрытия металлических и неметаллических изделий // Аддитивные технологии. 2024. № 1. С. 40–44.
6. ГОСТ 9.313‑89 «Покрытия металлические и неметаллические неорганические на пластмассах».

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 6_2024