Технология синтеза многослойных систем на полимерных основаниях, полученных методом быстрого прототипирования

ЭЛЕКТРО- И НАНОТЕХНОЛОГИИ

УДК 621.9. 047

ТЕХНОЛОГИЯ СИНТЕЗА МНОГОСЛОЙНЫХ СИСТЕМ НА ПОЛИМЕРНЫХ ОСНОВАНИЯХ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ

В.В. Любимов, М.С. Саломатников

Проанализированы возможности современных технологий послойного изготовления полимерных изделий с оценкой точности размеров и качества их поверхностей. Произведена систематизация полимерных объектов по характеру структуры поверхностей. Разработана методика и технологические схемы формирования металлических покрытий на поверхности полимерных изделий, с использованием методов химической и гальванической металлизации. Приведены результаты экспериментальных исследования по формированию металлических слоев на поверхности полимерных изделий. На основе приведенных результатов экспериментов показана перспективность применения металлизированных полимерных структур, полученных методом быстрого прототипирования, для создания изделий различного назначения.

Ключевые слова: металлизация, покрытие, проектирование, быстрое прототипирование, полимерные волокна, осаждение, электролит, меднение, структура поверхности.

Перспективы прогресса в машиностроительном производстве связаны с разработкой и внедрением новых конструкционных материалов и изделий. В связи, с условиями быстроизменяющегося рынка товаров и услуг возникает необходимость в создании нового класса высококачественных изделий, производство которых бы осуществлялось с минимальными материальными и временными затратами, по сравнению с традиционными методами обработки, например, резанием, литьем, прессованием и т.д.

В современных машиностроительных отраслях все большее распространение получает технология быстрого прототипирования изделий (Rapid Prototyping - RP, БП), основанная на создании трехмерной геометрической модели изготавливаемого изделия в электронном виде в CAD-системе, с ее последующим послойным изготовлением различными техно-

336

логиями [1]. Данные технологии позволяют формировать полимерные изделия самых различных форм, размеров и свойств, обеспечивая при этом высокую точность размеров и качество формируемых поверхностей.

Для оценки параметров точности и качества полимерных структур, изготавливаемых по технологиям быстрого прототипирования, был произведен анализ технологических возможностей современного оборудования для наиболее распространенных методов получения изделий, с указанием: материалов, из которых создаются трехмерные модели; данных по толщине единичного полимерного слоя и точности по координате г (табл. 1).

Таблица 1

Технологические параметры методов быстрого прототипирования (материал, толщина единичного слоя, точность) [2,3,4]

Тип технологии RP Материал изделия Толщина единичного слоя, мкм Точность z, мкм

Стереолитография (STL) акрилатные полимеры, эпоксидные композиции 25-75 5-25

Отверждение на твердом основании (SGC) эпоксидные смолы 100-200 85

Нанесение термопластов (FDM) ABS-пластик, литьевой воск, полиэстер 50-2500 100-300

Распыление термопластов (BPM) термопласты 13-17 7

Лазерное спекание порошков (SLS) полистирол 50-200 50-100

Моделирование при помощи склейки (LOM) бумага 50-200 50-200

Технология многосопельного моделирования (MJM) литьевой воск 30-40 10-20

Предлагается на поверхности полимерных изделий, полученных методом быстрого прототипирования, формировать металлические покрытия и слои различных толщин, например, для получения свойств электропроводности, а также для создания структур с большой площадью поверхностей изделия: каталитических сред, охлаждающих канальных структур и т.д. Для реализации этого предлагается использовать технологию с поэтапной схемой формирования металлических слоев, применяя методы

химической металлизации пластмасс и последующего гальванического осаждения покрытий на начальный электропроводный слой.

На основании проведенного анализа технологических возможностей современного оборудования для послойного создания изделий было установлено, что метод стереолитографии (STL - создание модели из жидкого фотополимера с помощью локального воздействия лазерным лучом) позволяет получать структуры с точностью от 5 мкм (табл. 1). Однако, в данной работе для создания, например, металлизированных структур с большой площадью поверхностей, наиболее целесообразным является использование технологии FDM (осаждение моделей плавлением), так как из-за наличия низкой точности метода, возможно формирование дополнительного микрорельефа на поверхности изделий, что повысит их поверхностную площадь.

Стоит отметить, что металлизированные основания на основе полимерных структур, получаемые по технологии послойного выращивания, обладают рядом определенных преимуществ, по сравнению с металлическими изделиями, изготовленными традиционными методами обработки резанием, прессованием, литьем и т.д., среди которых:

возможность создания объектов с развитой структурой поверхности и рельефами;

быстрое восстановление покрытия в случае его разрушения; низкая себестоимость и сроки изготовления продукции; сниженный вес конструкции изделий.

Основываясь на вышеуказанных преимуществах, необходимо отметить актуальность проводимых исследований, направленных на создание нового класса функциональных материалов и изделий.

Целью работы является разработать технологии формирования металлических многослойных покрытий и слоев, на поверхностях полимерных оснований, полученных методом быстрого прототипирования (RP), с использованием технологий химического и гальванического осаждения.

Техника и методика исследований. Для создания полимерных оснований в работе использовался метод FDM, основанный на термическом укладывании полимерной нити. В качестве материала нити, использовался ABS-пластик. Диаметр исходной нити составлял до 3000 мкм. В процессе изготовления изделия, расплавленный материал нити послойно укладывается на предметный столик установки, имеющий возможность перемещаться в горизонтальном (y) и вертикальном (z) направлениях по заданным координатам, поступающим с персонального компьютера, в соответствии с заданными геометрическими параметрами изделия. Толщина единичного слоя составляла 270 мкм, что способствовало формированию изделий с высокой площадью поверхностей.

Для описания возможностей технологий быстрого прототипирования изделий, была произведена систематизация объектов по типу возмож-

ного строения их поверхностей (табл. 2), которые можно разделить на:

- по геометрическим параметрам поверхности: гладкие, рельефные;

- по объемным характеристикам: (Ш) одномерные (прямолинейные и криволинейны), (2Б) двумерные (плоские и объемные), (3Б) трехмерные (упорядоченные и хаотичные).

Таблица 2

Классификация объектов по типу строения поверхностей

Тип

строения

объекта

(гладкая /

рельефная)

Схематическое изображение

Описание объекта

Одномерная

Тела с преобладанием одного размера над другими. Могут являться конструкциями цилиндрического типа без отклонений формы (а), либо с небольшими

отклонениями (б) по второй координате (волнистость, периодические рельефы) .

Двумерная

Тела с преобладанием двух размеров над

третьим. Возможно создание канальных (а), сетчатых (б) и структур

с различными рельефами.

Трехмерная

(упорядоченная /

хаотичная)

*1

а)

Структуры с развитыми элементами по трем координатам. Конструкции

могут иметь, как однонаправленный (а), так и двунаправленный (б) характер._________________________

По указанной технологии был изготовлен ряд образцов, представляющих собой полимерные конструкции (табл. 2) с двумерной (а) и трехмерной (а, б) структурами поверхностей.

Для металлизации образцов полимерных оснований, полученных методом быстрого прототипирования, была разработана методика, особен-

339

ностью 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.

В качестве материала покрытия на образцах полимерных оснований, в работе использовали медь, так как она обладает повышенной элек-тро- и теплопроводностью, по сравнению с формируемыми покрытиями из М, 2п., Сг, А%.

Формирование предварительного электропроводящего слоя с использованием химической металлизации на полимерных образцах осуществлялась в несколько стадий, по методике указанной в ГОСТ 9.313 - 89, которая включала [5]:

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

2) травление поверхности в растворе Сг03 5 г/л Н2Б04 1400 г/л при температуре Т = 50.. .60 0С;

3) нейтрализацию раствором Иа2Б203 25-50 г/л при комнатной температуре;

4) сенсибилизацию (осаждение первично слоя олова (II), толщиной от нескольких долей до сотен нанометров [6]) в растворе БпС12 • 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 НС1 концентрированный 16,8 мл/л при комнатной температуре;

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

7) меднение в растворе Си2Б04 • 5Н20 5 г/л КИ 25 г/л с добавление 10% Иа0Н до pH = 12-13. Время осаждения медного покрытия составило: 15 мин - для двумерной структуры; 30 мин - для трехмерных структур. В ходе реакции меднения все образцы встряхивали для удаления образующихся на поверхности пузырьков водорода. Установлено, что это способствовало получение равномерного слоя медного покрытия. Толщина покрытия меди при указанных условия составила порядка 0,2-0,4 мкм.

Для гальванического формирования медных покрытий на поверхности полимерных изделий, с предварительно нанесенным химическим способом электропроводным слоем, было предложено использовать ряд технологических схем (рис. 1):

с полным погружением образцов (рис.1а), для создания возможности нанесения покрытия по всем поверхностям, что сокращает время металлизации изделия;

с постепенным погружением (рис. 1 б), для создания условий фор-

мирования металлических слоев в структурах, имеющих сложную геометрию форм, что позволяет производить максимальное заполнение слоем металла, например, пазов, полостей и т.д.

Для интенсификации формирования медных покрытий по всем поверхностям образцов со сложной геометрией форм, предлагается осуществлять их дополнительное вращение в процессе обработки, что будет способствовать обновлению электролита во внутренних зонах изделий (рис.1).

а б

Рис. 1. Схемы гальванической металлизации полимерных изделий с предварительно нанесенным электропроводным покрытием: а - с полным погружением образца; б - с постепенным погружением образца: 1 - образец; 2 - электроды;

3 - ванна с электролитом; 4 - магнитная мешалка

Гальваническое нанесение медного покрытия осуществляли по схеме, указанной на рисунке 1а, без дополнительного вращения образцов, при следующих режимах:

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

- плотность технологического тока 1 А/дм (скорость роста покрытия - 5 мкм/ч) - в течение первого часа меднения образцов в последующем

2

осуществляли увеличение до 2 А/дм для увеличения скорости роста покрытия;

- температура электролита 20 0С;

- время меднения составило: 1800 мин для двумерной структуры; 120 мин для трехмерных структур.

В дальнейшем производили оценку толщины медного покрытия, сформированного на поверхности трехмерных структур, путем травления медной пленки в растворе 40% HNO3 и последующего измерения на нано-

профилографе-профилометре ES1700 alfa пленки покрытия.

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

Результаты работы. В результате проведенных исследований по формированию металлических покрытий на поверхности полимерных структур, созданных методом быстрого прототипирования по технологии FDM, были получения образцы изделий с покрытием медью (рис. 2, 3).

а б в

Рис. 2. Металлизированная двумерная структура полимерного изделия: а - после химической металлизации; б - после гальванического формирования покрытия медью; в - морфология поверхности

Из анализе металлизированных образцов наблюдается наличие медного покрытия по всей 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.

а б

Рис. 3. Металлизированная трехмерные структуры полимерных изделий: а - однонаправленная структура; б - двунаправленная структура

Проведенные исследования показали, что толщина покрытия на поверхности полимерных изделий, полученных при плотности технологиче-

342

ского тока 1 А/дм и времени обработки 120 мин составляет 11 мкм.

Исследование структуры поверхности металлизированных образцов, в том числе, с помощью оптической микроскопии показало, что поверхность покрытия имеет матовый оттенок, что связано с рассеивающей способностью электролита, используемого для гальванического меднения. В случае необходимости, для устранения матового оттенка предлагается осуществлять финишную металлизацию в сульфатном электролите: CuSO4 • 5Н2О - 180 г/л; H2SO4 - 40 г/л; NaCl 0,06-0,09 г/л; H3BO3 - 40 г/л, при ус-

ловиях, изложенных в работе [7].

C увеличением значения технологического тока до 2 А/дм и времени обработки до 1800 мин (рис. 2б, в) наблюдается увеличение шероховатости покрытия из-за появления на поверхности микропор, по сравнению с образцами, металлизируемыми при плотности тока равной 1 А/дм2 и времени обработки 120 мин, что является предпочтительным результатом при получении поверхностей с большой площадью поверхности, например, при создания слоев с высокой теплоотдачей или каталитических структур.

Выводы

Технологию быстрого прототипирования можно использовать для изготовления изделий, имеющих различный геометрический конфигурацию конструкции, с целью последующей их металлизации, что позволить сократить материальные и временные ресурсы.

Разработана методика и технологические схемы формирования металлических покрытий на поверхности полимерных изделий, имеющих различные по конфигурации структуры поверхностей.

Получены образцы металлизированных изделий, толщина покрытия которых составляет до 11 мкм при времени осаждения 120 мин.

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

Список литературы

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

560 с.

2. Баулин Д. А. Исследование процессов создания деталей методом лазерной стереолитографии. Москва. 2011. 20 с.

3. Сидоров И. А. Быстрое прототипирование. URL: http://www.prototipirovanie.ru (дата обращения: 10.09.2013).

4. Серебреницкий П.П. Технологии быстрого прототипирования. URL: http://stanko-lid.ru (дата обращения: 10.09.2013).

5. 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.

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

7. Гамбург Ю.Д. Гальванические покрытия. Справочник по применению. М: Техносфера, 2006. 216 с.

Любимов Виктор Васильевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, lvv400@ jvail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Саломатников Михаил Сергеевич, аспирант, m. s. salomatnikov@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

TECHNOLOGY OF SYNTHESIS OF MULTILAYER SYSTEMS BASES FOR POLYMER GENERA TED RAPID PROTOTYPING

V.V. Lubimov, M.S. Salomatnikov

The possibilities of modern technology layered manufacturing of polymer products with the assessment of the accuracy of the size and quality of their surfaces. Ordering of objects made of polymer structure on the nature of the surfaces. The technique and technological schemes offorming metallic coatings on the surface of polymer products , using the methods of chemical and galvanic plating. The results of experimental studies on the formation of metal layers on the surface of the polymer products . On the basis of the results of the experiments show promising application of metallized polymer structures obtained by rapid prototyping to create products for different purposes .

Key words: plating, coating, design, rapid proto-typing, polymer fibers, precipitation, electrolyte, copper plating, the structure of the surface.

Lubimov Victor Vasilievich, doctor of technical science, professor, manager of department ENT, lvv400@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University.

Salomatnikov Michal Sergeyevich, postgraduate, m. s. salomatniko vamail. ru, Russia, Tula, Tula State University