Wytwarzanie warstw cienkich na strukturach wykonywanych techniką druku 3D, czyli jak i po co metalizować wydruki z SLA

Obiecywany od roku artykuł, z obszernym załącznikiem. Jak metalizować wydruki 3D? No i po co? Poniżej wyjaśnienie.

Pierwszy raz z zagadnieniem metalizacji wydruków 3D spotkałem się w 2015 roku, kiedy rozpocząłem studia na Politechnice Wrocławskiej i jak wrzód na dupie zacząłem się kręcić za jednym z doktorantów, który prowadził badania nad zastosowaniem druku 3D w mikrosystemach (dokładniej chodziło o struktury do elektroforezy kapilarnej wykonywane na drukarce pracującej w technologii polyjet – precyzyjny nadruk żywicy i wosku przez głowicę z dyszami piezo). Uczepiłem się projektu związanego z wykonaniem napędów grzebieniowych – wydrukowane w 3D palczaste struktury zazębione ze sobą, po metalizacji i spolaryzowaniu powinny się elektrostatycznie przyciągać bądź odpychać. Niestety, przy próbie metalizacji wydruków, nastąpiła seria komplikacji – bardzo cienkie wydruki z żywicy (VisiJet M3 Crystal) zaczynały mięknąć przy podgrzaniu powyżej 60*C, co eliminowało wiele procesów metalizacji, a pozostałe komplikowały na tyle, że uzyskane warstwy były marnej jakości (słaba adhezja do podłoża powodująca złuszczenie metalizacji, nikła grubość warstwy nie zapewniająca wystarczających parametrów elektrycznych). Postanowiłem więc, że muszę zacząć od opracowania metod metalizacji wydruków z żywic, zanim zabiorę się za wykonywanie złożonych struktur. Temat okazał się wystarczająco obszerny, aby zrobić z niego pracę inżynierską.

Szczęśliwie się złożyło, że specjalistą od warstw cienkich (warstwy rzędu nano- lub pojedynczych mikrometrów), jest mój ulubiony wykładowca-turbośmieszek, więc poza udostępnieniem wszelkich możliwych zasobów laboratoryjnych oraz wiedzy i pozostawienia mi ogromnej swobody badań, miałem w laboratorium regularną karuzelę spierd śmiechu. Prace badawcze prowadziłem na wydrukach z mojego Form2, więc zamiast technologii polyjet były to wydruki z SLA, jednak fotopolimery 405nm mają zbliżone właściwości, a dzięki temu mogłem sobie zrobić miliony różnych próbek.

Rozpoczęliśmy od prób poprawienia wcześniej wykorzystywanego procesu – napylania magnetronowego z wykorzystaniem tytanowych targetów. Niestety, wysoka próżnia i rozgrzewanie próbki nie sprzyjały wydrukom, przez co następowało ich gazowanie i rozrywanie od środka.

Kolejnym podejściem było naparowywanie próżniowe – w tym przypadku nie jest wymagana wysoka próżnia, a próbka nie nagrzewa się tak intensywnie jak w magnetronie. Udało się całkiem przyzwoicie naparować miedź, tytan oraz aluminium.

Następnie, spróbowaliśmy osadzania chemicznego, a dokładniej próby Tollensa – w wyniku reakcji chemicznej, z roztworu na bazie azotanu srebra, wytrąca się srebro metaliczne i osadza na powierzchniach. Niestety, uzyskana warstwa nie wykazywała żadnej przyczepności do podłoża i znikała po dotknięciu próbki palcem – prawdopodobnie pomogłoby zarodkowanie żywicy nanocząstkami srebra, co zamierzam badać w ramach pracy magisterskiej.

Dodatkiem do pracy byla próba galwanizacji – osadzania elektrochemicznego miedzi z siarczanu miedzi na próbce z cienką warstwą naniesioną próżniowo.

A po co to wszystko?

Metalizując wydruki 3D, otwieramy się na nowe możliwości – warstwy ozdobne do zastosowań dekoracyjnych (np. drukowana biżuteria wyglądająca jak złota lub srebrna), warstwy refleksyjne do zastosowań w optyce (drukowane zwierciadła), warstwy trybologiczne (powierzchnie narażone na tarcie), i przede wszystkim – warstwy przewodzące (mikroaktuatory elektrostatyczne, czujniki pojemnościowe, obudowy ekranowane, czy nawet prowadnice mikrofalowe napylone na drukowane w 3D anteny). Moim zdaniem, gra warta świeczki.

Poniżej, dla zainteresowanych, kilka zdjęć oraz .pdf z całą pracą do pobrania i przeczytania (17 mb, 39 stron A4).

PS – praca oceniona i obroniona na 5.0 😉

metalizacja_sla.pdf

 

 

Spękana warstwa Ti z napylania magnetronowego

 

Warstwa Ti z naparowywania próżniowego

 

Warstwa Cu z naparowywania próżniowego

Warstwa Cu w powiększeniu 100x

 

Złuszczona warstwa po galwanizacji zbyt dużym prądem

 

Wynik pomiaru profilometrem uskoku warstwy Cu na krawędzi maski

 

Wynik pomiaru profilometrem uskoku warstwy Ti na krawędzi maski