3Dプリント品への電解めっき処理：金属のめっきによる効果とは？

電気めっきを施すことで、特定の金属の強度、電気伝導性、摩耗と腐食耐性、外観を、低価格および (または) 軽量の金属またはプラスチック等、そ れぞれ利点を持つ異なる材料と組み合わせることができます。

このガイドでは、試作から大量生産までの各製造段階で、多くのエンジニア、研究者、アーティストが電気めっきや金属めっきを使う理由について説明します。

電気めっきとは、電着を用いて金属層内の対象物の表面にコーティングを行うプロセスです。エンジニアは制御された電気分解を用いて、陽極 (めっき金属を含むパーツ) から陰極 (めっき処理パーツ) へ求められる金属膜を伝導させます。

陽極と陰極を電解槽に入れ、継続的な電荷に触れさせます。電気によって、負電荷を持つイオン (陰イオン) が陽極へ移動し、正電荷陰イオン (陽イオン) は陰極へ移動し、目的のパーツに均一な金属コーティングで覆ったりめっき処理を施します。電気めっきは基材 (軽量かつ/または低価格な材料が多い) を用い、その基材をニッケルや銅といった金属の薄いシェルで包みます。

電気めっきは、基礎材料 (基材) に伝導性があることが基本要件であることから、通常その他の金属にも適用されます。あまり一般的ではありませんが、極めて薄い導電性界面を作る自己触媒的プレコーティングが開発され、様々な材料、とりわけ銅やニッケル合金でプラスチックパーツにめっき処理を施すことができるようになりました。 

電気めっきと電気鋳造はどちらも電着を用いて作用します。違いは、電気鋳造は金型を使い、パーツの成形後に離型を行うことです。電気鋳造は丈夫な金属の成形品を作成するのに用い、電気めっきは (他の材料で造られた) 既存のパーツを金属で覆うために使われます。

単一の金属または複数の金属の組み合わせによって電気めっきが行えます。多くの製造業者は、銅やニッケル等の材料を層状にして用い、強度と伝導性を最大限に発揮させます。

電気めっきに良く用いられる材料：

• 黄銅
• カドミウム
• クロム
• 銅
• 金
• 鉄
• ニッケル
• 銀
• チタン
• 亜鉛

基材はステンレス鋼やその他の金属からプラスチックまで、ほぼどの材料でも構いません。職人たちは、花や柔らかい布地のリボン等のオーガニックな材料にも電気めっきを施しています。 

重要なこととして、プラスチック、木材、ガラス等、非導電性基材の場合は、電気めっきを行う前にまず伝導性膜を形成する必要があります。非導電性基材を伝導性のある塗装やスプレーの層でをコーティングすることによって作られます。

材料とプラスチック製造が化学的に進歩したおかげで、自動車から配管用パイプに至る様々な業界での幅広い用途において、軽量で低価格のプラスチックパーツがより高価な金属パーツに取って代わっています。

プラスチックには金属に勝る利点が数多くありますが、今なお金属が主流となっている用途も多々あります。プラスチックに銅と同じ高級感を求めることはできないでしょう。また、プラスチックには大部分の金属よりも柔軟性がありますが、金属ほどの強度は有していません。ここで金属めっきが役立ちます。

3Dプリントを電気めっきと併用することで独自のメリットをもたらします。エンジニアは、アディティブマニュファクチャリングのデザインの自由度の高さから、3Dプリントした基材をよく選択しています。特にプロトタイピングにおいては、3Dプリントされたパーツを電気めっき処理することで、鋳造や機械加工、その他の製造方法を用いた場合に比べて、コストを低く抑えられることが多くあります。

光造形 (SLA) 方式3Dプリントは、とても滑らかで繊細な触感の表面の造形が可能なため、プラスチックと金属間の円滑な移行ができることにより、電気めっきに向いています。また、水密のパーツが造形できるため、電気めっきプロセスに必要な電解槽に沈める作業によってダメージを受けることもありません。

エンジニアリングの観点では、3Dと電気めっきを組み合わると、完成品のデザインに独自の引張強さを加えることができます。上の図にあるように、これらの2つの製造プロセスを組み合わせることによって、2つの材料グループ間の引張強さのギャップを埋めることができます。

金属めっき処理は、(3Dプリントした) プラスチックパーツの機械的性能に大きな影響を与えます。構造的な金属層と軽量のプラスチック コアで、驚くほどの曲げ強さ特性を持つパーツを造ることができます。

機械的特性を高めることに加えて、電気めっきはプラスチックパーツを環境悪化から守ることにも使われます。プラスチックのパーツが化学薬品や紫外線にさらされるような用途では、金属めっき によって、パーツの寿命を数か月から数年への延長をもたらし得る永久的なバリアが造られます。

めっきは外観処理として、外観も感触も金属のような試作品を作る簡単な方法となります。めっきの厚みにより、めっき加工したプラスチックは薄く軽量になったり、パーツに顕著な重量が加わったりします。厚みのある電気めっきコーティングは、質感を加えたり研磨することもでき、鋳造アルミニウムから鏡面仕上げのクロムに至るまで様々な金属の仕上がりが実現します。質感のあるレジン基材を3Dプリントすることで、さらに複雑な触感を造ることができます。

3Dプリント可能な材料、様々なめっき材料、めっきの厚みの割合の潜在的組み合わせを見ると、電気めっきを使うことでどれほどエンジニアがデザイン分野の新しい選択肢を検討できるようになるかがすぐにわかります。

電気めっきには、パーツの強度、寿命、伝導性を高める等、多くのプラスの点があります。エンジニア、製造業者、芸術家などは、これらの利点を様々な方法でフル活用しています。

エンジニアは、多様なデザインの強度と耐久性を高めるために電気めっきを使用します。銅やニッケル等の金属でパーツをコーティングすることにより、それらの引張強さを高めることができます。金属層をパーツに載せることで、屋外や腐食用途で化学薬品や紫外線にさらされるといった環境要素への耐性を向上させることができます。

芸術家は、葉っぱなど、腐食しがちな天然元素を保護するために電気めっきをよく用い、それらをより耐久性の高い芸術作品に仕上げます。医学界では、耐食性で適切に殺菌され得る医療用インプラントを作るのに電気めっきが使われます。

電気めっきは、顧客用製品、彫刻、置物、アート作品に表面的な金属仕上げを加えるのに効果的な方法です。多くの製造業者も、移動や輸送を容易かつ低価格で行えるよう、より軽量なパーツを造るために基材に電気めっき処理を選びます。

また、電気めっきには伝導性の利点もあります。金属には元々伝導性があるため、電気めっきはパーツの伝導性を高めるのに適した方法です。アンテナ、電気部品、その他のパーツを電気めっき加工することで機能が向上します。

電気めっきには多くの利点がありますが、プロセス自体が複雑で危険を伴うものであることがマイナスの点です。電気めっきの作業者は、適切な事前準備を行わなければ、6価クロムの照射による悪影響を受けることがあります。喚起された作業空間で行うことが非常に重要です。アメリカ合衆国労働省労働安全衛生庁は、電気めっきに関するリスクをまとめた文書を数多く発表して来ました。

レジンのパーツを自分で電気めっき処理することは可能ですが、未経験のユーザーは困難に直面する場合があります。その主な理由は質と能力です。DIYでの電気めっき法を使った薄板粘着力は、プロのめっきサービスによるものと比較して低くなりがちです。長いめっき時間、複数の電解槽、金属間の融和性を要する構造的めっき加工は、確実に遂行するのがかなり困難です。内製でのめっき加工は、ジュエリーのプロトタイピングや薄い (一層の) RF銅によるコーティングのような、概してシンプルで小型の物への使用に向いています。

専門技術を要し危険を伴うため、多くのエンジニアとデザイナーは、このプロセスを専門に扱う第三者めっき製造業者に依頼しています。 幸い、RePliFormやSharretts Platingのようにカスタム電気めっき加工を専門とする会社がいくつかあります。地域と作業量別の電気めっきサービスのリストを見るにはホワイトペーパーをダウンロードしてください。

動画では、携帯電話の充電器やスペアの銅管など、入手し易いツールを使って電気めっき加工を行う方法をご紹介します。電気めっき加工を行う際にはマスク、手袋、保護メガネを着用し、よく換気した場所で行うことをおすすめします。

数多くの業界で、婚約指輪から電気アンテナに至るまで、あらゆる物に電気加工を用いています。いくつかの一般例：

多くの航空機部品には「犠牲コーティング」を加えるために電気めっきが施され、腐食を遅らせることで部品の寿命を延ばしています。航空機部品は究極の温度変化や環境因子にさらされるため、金属基材にさらなる金属層を加えることにより、パーツの機能性が摩耗や裂けによる理由で低下しなくなります。

航空業界用に設計された多くの鋼製ボルトや留め具はクロムで電気めっき処理されています。(制限の変更によりより最近ではニッケル亜鉛が使われています)。

Etsyで「電気めっき」と入力すると、電気めっき処理された室内装飾や唯一無二の記念品が数多く表示されます。職人たちはよくこのプロセスを用いることで、花や枝、そして虫なども含む生分解性の物を、耐久性があり長持ちするアイテムに変ぼうさせています。電気めっきを施すことにより、アイテムの繊細なディテールを維持することができ、逆にそれを行わなければすぐに腐食してしまいます。

電気めっきは、銅めっきされたカブトムシやハチの巣のようなアートを作るのによく用いられています。(image source)

デジタルデザイナーは彫刻制作に電気めっき処理を使うことがあります。デザイナーはデスクトップ型3Dプリンタを使って基材を3Dプリントし、そのデザイン作品を銅、銀、金、その他目的の仕上がりを実現するために選んだ金属で電気めっき処理を行うことができます。この方法で3Dプリントと電気めっきを組み合わせることで、より簡単 (そして低価格) に製作ができ、同時に、丈夫な鋳造金属の基材のような外観と仕上がりを実現することもできます。

自動車業界では電気めっきは非常に広く活用されています。主要な自動車会社の多くは、クロムのバンパーや他の金属部品の製造に電気めっき処理を用いています。

電気めっきはコンセプトカーのカスタム部品の製作にも使われることがあります。例えば、VWはAutodeskと提携して「Type 20」コンセプトカーのホイールキャップを製造しました。試作のホイールキャップは3Dプリントされた後、電気めっきが施されました。 

修復会社や車両カスタマイズビジネスでも、ニッケルやクロムを用いた電気めっきや、その他の仕上げを様々な車とオートバイの部品に用いています。

電気めっきがおそらく最もよく使われているのはジュエリー業界と貴金属です。ジュエリーデザイナーとメーカーは、指輪、ブレスレット、ペンダント、その他の様々なアイテムの色、耐久性、外観の美しさを高めるために、このプロセスを活用しています。

ジュエリーに「金めっき」または「銀めっき」と表示されているとき、そのアイテムは電気めっき加工をされている可能性が高いでしょう。様々な金属の組み合わせを使って独自の色合いに仕上げます。例えば、金を銅と銀と組み合わせてローズゴールドを作り出すことがよく見られます。.

電気めっきは、医療と歯科のあらゆる種類の構成部分に弾力性のある外装を加えるのに使われます。金めっきは歯のインレーの製作や様々な歯科処置のサポートによく使われます。人工関節、ネジ、プレートなどの埋め込み用パーツにもしばしば電気めっき処理が用いられ、耐腐食性を高め、前もって挿入した消毒にも対応できます。ピンセットや放射性パーツなどの医療および歯科ツールにも電気めっきが広く使われています。

電気や太陽光発電による数多くのコンポーネントは、伝導性を高めるために電気めっきが施されます。太陽電池のコンタクトや様々な種類のアンテナは、常に電気めっきを使って製造されます。電線にも銀、ニッケル、その他多くの種類の金属で電気めっき処理がなされます。金めっきは (他の金属との併用して) 耐久性を高めるのによく使われます。金はまた、その伝導性と高い延性、そして酸素に反応しない性質により、パーツの寿命を延ばすために使われることが多くあります。

カスタムまたは少量の金属部品を製造するのに従来の製造プロセスを使うと、大きなコストと時間がかかります。その結果、エンジニアはしばしば3Dプリントと電気めっきを併用し、コストと時間を節約するようになりました。

例えば、スイス連邦工科大学ローザンヌ校 (Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne (EPFL) ) のAndreas Osterwalder氏は、所有しているFormlabs製のSLA方式3Dプリンタを使って自分で新しいデザインを3Dプリントし、Galvotecと提携してそれらのパーツを電気めっき加工することで、プロトタイピングのプロセスをスピードアップし、高度な実験装置にかかるコストを下げることができました。

アンテナには電波を伝搬するための電気伝導性が必要です。3Dプリントしたプラスチックパーツは電気を伝導しませんが、デザインの自由度はほぼ無限に高く、材料には良い機械的および熱的特性があります。電気めっきと組み合わせることで、これらの特性のあるパーツに必要な伝導性を持たせ、その結果カスタムアンテナ の製造が実現し、自動車、防衛、医療、教育分野での研究と開発に役立てることができます。

電気めっき加工した複合材料は多様な用途への手段となります。汎用性の高い電気めっきは、様々な業界で 可能性を限りなく広げます。3Dプリントしたパーツへの電気めっき処理についての詳細

本ホワイトペーパーをダウンロードすれば 、エンジニアがレジンを用いた3Dプリント造形品に金属を成膜する方法、また、どのようにして混合金属パーツが最終製品の強度と耐久性等 (しかし限定ではない) 驚くほど幅広い用途への可能性を広げることができるのかについて読むことができます。ホワイトペーパーには、電気めっきの新しい活用法、デザインの検討事項、そしてSLAパーツの性能拡大のための金属電気めっきへの役立つヒントが書かれています。