Füllt die Lücke zwischen Kunststoff- und Metall-3D-Druck

Formlabs hat 3D-gedruckte Kunststoff-Radkappen für einen Sonderedition-VW-Mikrobus hergestellt. RePliForm hat die Radkappen galvanisiert. Formlabs

Laut Analisa Russo von Formlabs kann die Galvanisierung ein 3D-gedrucktes Kunststoffteil in ein hochfunktionelles Endprodukt verwandeln.

Der technische Community-Manager des Unternehmens beschäftigte sich erstmals mit der Galvanisierung additiv gefertigter Teile, als er an einem Projekt zur Nachbildung einer Version des Volkswagen-Mikrobusses von 1962 arbeitete.

VW und Autodesk haben für das Fahrzeug Radkappen für den 3D-Druck entwickelt. Als nächstes druckte Russos Team bei Formlabs, Somerville, Massachusetts, die Radkappen auf 3D-Druckern im Stereolithographie-Stil (SLA). Anschließend trug RePliForm, eine maßgeschneiderte Galvanikwerkstatt in Halethorpe, Maryland, eine 0,004 Zoll dicke Schicht aus Kupfer und Nickel auf die Oberfläche auf.

Die resultierenden Teile sehen aus wie Metall und fühlen sich auch so an. Aber im Vergleich zu 3D-gedruckten Radkappen aus Metall konnten die Kunststoffharz-/plattierten Versionen genauso schnell hergestellt werden, wie sich das Design entwickelte, und mit minimalen geometrischen Einschränkungen.

Die Galvanisierung von 3D-gedruckten Harzen ist für zahlreiche Anwendungen eine gute Option. „Die Festigkeits- und Steifigkeitsdaten für ein galvanisiertes Harz füllen die große Lücke zwischen Kunststoffen und Metallen gut“, sagte Russo.

Neben Automobilgeräten kann die Hybridtechnik auch für die Herstellung von Fertigungsvorrichtungen verwendet werden, bei denen eine dauerhafte Dimensionsstabilität erforderlich ist, sowie für leichte elektrische Teile wie Antennen.

„Antennen sind ein schönes Beispiel für die Kombination der geometrischen Komplexität des 3D-Drucks mit der Funktionalität der Metallbeschichtung“, sagte Russo. „Wir haben bereits einige Antennendesigns mit wirklich komplexen internen Kanälen gesehen, die nur durch 3D-Druck hergestellt werden können, gefolgt von hochreinen, hochleitfähigen Kupferbeschichtungen“, sagte sie.

Der Gründer und CEO von RePliForm, Sean Wise, galvanisiert SLA-Teile seit 2002. Von seinem Unternehmen durchgeführte Tests zeigen, dass die Zugfestigkeit von SLA-Drucken durch Galvanisieren um das Dreifache, die Biegefestigkeit um fast das Zehnfache und die Steifigkeit um das Vierfache erhöht wird.

„Die Leute wissen nicht, wie stark galvanische Beschichtungen sein können“, sagte Wise. „Wir können ein sehr robustes Teil erhalten, weil wir einen Verbundwerkstoff mit einer Metallaußenhaut herstellen, die 10 bis 15 Mal stärker ist als das Kunststoffsubstrat.“

Was die Kosten anbelangt, würde die Galvanisierung eines Kunststoffteils mit einer 50 bis 75 Mikrometer dicken, nicht kosmetischen Kupfer-Nickel-Beschichtung ungefähr den gleichen Preis haben wie die Einzelhandelskosten für ein bedrucktes Kunststoffteil von einem Servicebüro, sagte Wise. Er fügte hinzu, dass andere Faktoren die Kosten erhöhen oder senken würden und dass der Beschichtungsaufwand bei steigenden Teilemengen geringer ausfallen würde.

Die bedruckten VW-Radkappen vor dem Galvanisieren. Formlabs

Wise schätzte, dass die Bestellung von vier mit 50 Mikrometern Kupfer und Nickel beschichteten SLA-Teilen insgesamt 456 US-Dollar kosten würde, im Vergleich zu 1.600 US-Dollar für vier 3D-gedruckte Edelstahlteile.

Wise sagte, dass Teile, die mit der SLA-Technologie gedruckt wurden, sich besser für die Galvanisierung eignen, wenn das Erscheinungsbild entscheidend ist, als Teile, die mit selektivem Lasersintern oder filamentartigen Methoden gedruckt wurden. Er fügte hinzu, dass seine Werkstatt Teile druckt, die mit allen drei Technologien gedruckt werden.

„Ein echter Vorteil der Stereolithographie besteht darin, dass man mit dem UV-Laser, der ein Photopolymerharz aushärtet, eine enorme Auflösung erhält“, sagte Wise. „Es ist ein guter Ausgangspunkt, wenn Sie etwas mit einem schönen, kontrollierten Finish suchen, sei es eine feine Textur oder eine sehr glatte Oberfläche.“

Beim Aufbringen einer dünnen Metallbeschichtung auf das gedruckte Teil können jedoch Probleme auftreten. Zum einen hebt die glänzende Metalloberfläche selbst kleinste Unvollkommenheiten hervor, darunter Schichtlinien und andere Artefakte, die vom Druckprozess übrig geblieben sind.

„Beim SLA-Druck haben Sie immer ein Stützgerüst, das das Teil an der Bauplattform befestigt“, erklärte Russo. „Normalerweise werden diese durch Abschneiden und Abschleifen der Stützpunkte entfernt, und diese Artefakte bleiben auch nach der Entfernung der Struktur bestehen. „Ich habe auf die harte Tour gelernt, dass die Galvanisierung selbst die subtilsten Oberflächendefekte hervorhebt und ihnen einen sehr hohen Kontrast verleiht“, fuhr sie fort. „Um zu verhindern, dass diese Markierungen auf kosmetischen Oberflächen sichtbar werden, ist es wichtig, das Teil im Drucker so auszurichten, dass sie in einem Bereich verborgen bleiben, in dem sie während des Endgebrauchs nicht sichtbar sind.“

Laut Wise können Oberflächenfehler mit einer Grundierung und anschließender leitfähiger Farbe abgedeckt werden. Der Nachteil ist jedoch, dass feine oder empfindliche Merkmale verloren gehen. Um dies zu verhindern und gleichzeitig eine bessere Verbindung mit dem Harz herzustellen, nutzt seine Werkstatt ein stromloses Nickelverfahren (RTEN) bei Raumtemperatur, um das Kunststoffteil direkt zu plattieren. Hierbei handelt es sich um einen Standardproduktionsprozess für plattierte Spritzgussteile.

„Zuerst trägt man eine Palladiumdispersion auf die Oberfläche des Teils auf“, sagte Wise. „Dann gibt man das Teil in einen RTEN-Tank, der ein Reduktionsmittel in Gegenwart von Nickelionen enthält, und es beginnt automatisch, Nickel auf der Oberfläche abzuscheiden.“

Sobald das Metall das Objekt vollständig bedeckt, ist es möglich, elektrischen Strom durch es zu leiten. Dies ist für den ersten Galvanisierungsschritt unerlässlich: ein Kupferbad. Im Bad reduziert eine durch das Teil fließende Stromversorgung die Kupferionen in der Lösung, sodass sie sich als Kupfermetall auf dem Teil ablagern. Die Geschwindigkeit, mit der sie abgebaut werden, hängt von der Stromdichte an der Oberfläche ab.

„Die Stromdichte ist an der Außenseite der am stärksten hervorstehenden Bereiche der Teile am höchsten und an den Innenecken und den am wenigsten hervorstehenden Bereichen der Teile am niedrigsten“, sagte Wise. Das Ergebnis ist: „Sie erhalten unterschiedliche Ablagerungsraten.“ Dies kann zu einem Problem werden, insbesondere wenn ein Teil wie eine Antenne plattiert wird, dessen Innenflächen plattiert werden müssen.

Der Vorteil der ersten Verwendung von Kupfer besteht darin, dass es eine gute Grenzschicht zum Kunststoff darstellt. Es haftet tendenziell etwas besser und die Beschichtung gelangt viel besser in die feinen Details und in die Ecken als Nickel.

Analisa Russo ist technische Community Managerin bei Formlabs. Formlabs

Nach der Kupferschicht können je nach den gewünschten Eigenschaften eine oder mehrere verschiedene Metallarten auf das Stück plattiert werden. Nickel ist beispielsweise viel stärker und korrosionsbeständiger als Kupfer und wird daher normalerweise nach dem Kupfer aufgetragen. Als abschließende kosmetische Schicht können dann weitere Veredelungen wie Gold, Silber oder Chrom aufgetragen werden.

Vor dem Drucken eines Teils, das letztendlich beschichtet werden soll, ist es wichtig, die Dicke der galvanischen Beschichtung und andere Faktoren zu berücksichtigen.

„Die Beschichtung verleiht Ihrem Teil eine ziemlich gleichmäßige Hülle, die je nach Anwendung zwischen 25 und 300 Mikrometer dick sein kann“, sagte Russo. „Sie müssen also in Ihrem CAD-Modell einen korrekten Versatz für diese Schale vornehmen.“

Sie fügte hinzu, dass das Entwerfen eines Teils eine gemeinsame Anstrengung und ein iterativer Prozess sei, weshalb es für Additivhersteller wichtig sei, vor dem Drucken mit Galvanikern zusammenzuarbeiten.

„Wenn uns jemand ein Teil zur Angebotsabgabe vorlegt, stellen wir Fragen dazu, wofür die Beschichtung gedacht ist, wie stark sie sein muss, welche Art von Oberfläche erforderlich ist und welchen Temperaturen sie ausgesetzt ist“, sagte Wise.

„Es gibt Zeiten, in denen wir den Leuten sagen, dass wir das einfach nicht schaffen können, und andere Zeiten, in denen es relativ einfach ist, es zu schaffen, solange alle im Voraus planen“, sagte er.