Основы гальванизации: устройство процесса

Гальванизация позволяет наделить различные материалы, которые могут похвастаться собственными преимуществами, например, доступными по цене и/или легкими металлами или пластмассами, прочностью, электропроводностью, устойчивостью к абразивному износу и коррозии, а также внешним видом определенных металлов.

Из этого руководства вы узнаете, почему многие инженеры используют гальванизацию на каждом этапе создания изделий, от прототипирования до серийного производства.

Гальванизация — это использование электроосаждения для нанесения на объект слоя металла. Для переноса желаемого металлического покрытия с анода (модели, содержащей металл, который будет использоваться в качестве покрытия) на катод (модель, подлежащая нанесению слоя металла) инженеры используют контролируемый электролиз.

Анод и катод помещают в электролизер и подвергают постоянному воздействию электрических разрядов. Электричество заставляет отрицательно заряженные ионы (анионы) перемещаться к аноду, а положительно заряженные ионы (катионы) — к катоду, нанося на нужную модель ровное металлическое покрытие. При гальванизации подложка (часто более легкий и/или дешевый материал) заключается в тонкую оболочку из металла, например, никеля или меди.

Как при гальванизации, так и при гальванопластике применяют электроосаждение. Разница заключается в том, что при гальванопластике используется пресс-форма, которую выбрасывают после формования модели. Гальванопластика применяется для создания цельнометаллических изделий, в то время как гальванизацию используют для нанесения слоя металла на модель, которая изготовлена из другого материала.

При гальванизации на объект можно наносить слой из одного или нескольких металлов. Многие производители предпочитают наносить металлы, такие как медь и никель, слоями. Это обеспечивает максимальную прочность и электропроводность. Для гальванизации обычно используют следующие материалы:

• Латунь

• Кадмий

• Хром

• Медь

• Золото

• Железо

• Никель

• Серебро

• Титан

• Цинк

Подложки могут быть изготовлены практически из любого материала — от нержавеющей стали и других металлов до пластмасс. Специалисты наносят гальваническое покрытие на органические материалы, например цветки и текстильные ленты. 

Важно отметить, что перед гальванизацией непроводящие подложки из таких материалов, как пластмасса, дерево или стекло, нужно сначала наделить электропроводящими свойствами. Для этого можно нанести на непроводящую подложку слой электропроводящей краски или спрея.

Благодаря научным достижениям в производстве материалов и пластмасс легкие и недорогие пластмассовые модели заменили более дорогие металлические в самых разнообразных областях применения и различных отраслях промышленности — от автомобилестроения до изготовления водопроводных труб.

Хотя пластмасса может похвастаться рядом преимуществ перед металлом, есть много областей применения, в которых металл все еще используют чаще. Как ни старайся, у моделей из пластмассы никогда не будет такой же роскошной поверхности, как у изделий из меди. И хотя пластмасса более гибкая, чем большинство металлов, она не такая прочная. Гальванизация используется как раз для того, чтобы устранить этот недостаток.

3D-печать в сочетании с гальванизацией обеспечивает уникальные преимущества. Инженеры часто выбирают подложки, напечатанные на 3D-принтере, в связи с широкими возможностями проектирования, которые предоставляет аддитивное производство. Зачастую наносить гальваническое покрытие на модели, созданные с помощью 3D-печати, дешевле, чем литье, фрезерование на станке или другие методы производства, особенно когда речь идет о прототипировании.

Стереолитографическая (SLA) 3D-печать идеально подходит для гальванизации, так как с ее помощью можно создавать 3D-модели с очень гладкой или мелкозернистой поверхностью и легко наносить гальваническое покрытие на пластмассу. С ее помощью можно также изготавливать водонепроницаемые модели, которые не будут повреждены при погружении в химическую ванну, необходимую для процесса гальванизации.

С инженерной точки зрения сочетание 3D-печати и гальванизации позволяет добиться уникального предела прочности при растяжении для готовых проектов. Как видно на схеме выше, сочетание этих двух производственных процессов позволяет устранить пробел между значениями предела прочности при растяжении двух групп материалов.

Гальванизация обеспечивает множество преимуществ, в том числе повышенную прочность, долговечность и электропроводность моделей. Инженеры, производители и ремесленники используют эти преимущества по-разному.

Инженеры часто выполняют гальванизацию для повышения прочности и долговечности различных проектов. Например, предел прочности при растяжения моделей, напечатанных на 3D-принтере, можно увеличить на 400 % и более путем нанесения на них слоя таких металлов, как медь и никель. Гальванизация модели из полимера позволяет улучшить ее устойчивость к таким факторам окружающей среды, как воздействие химических веществ и ультрафиолетового света.

Ремесленники часто используют гальванизацию, чтобы сохранить объекты, встречающиеся в природе и склонные к гниению, такие как листья, и превратить их в более долговечные произведения искусства. В медицине гальванизация используется для изготовления медицинских имплантатов, которые устойчивы к коррозии и могут быть должным образом стерилизованы.

Гальванизация — это эффективный способ нанесения металлической поверхности на потребительские товары, скульптуры, фигурки и предметы искусства для создания желаемого косметического эффекта. Многие производители также выполняют гальванизацию подложек для получения более легких моделей, которые проще и дешевле перемещать и транспортировать.

Гальванизация также обеспечивает электропроводность. Поскольку металлы проводят ток по своей природе, гальванизация является отличным способом повышения электропроводности модели. Гальваническое покрытие наносят на антенны, электрические компоненты и другие изделия для повышения эффективности их работы.

Хотя гальванизация дает множество преимуществ, ее недостатки кроются в сложности и опасности самого процесса. Специалисты, выполняющие гальванизацию, могут пострадать от воздействия шестивалентного хрома, если они не примут надлежащие меры предосторожности. Очень важно, чтобы специалисты работали в хорошо проветриваемом помещении. Управление по охране труда Министерства труда США опубликовало множество документов, в которых говорится о рисках, связанных с гальванизацией.

Из-за необходимости наличия соответствующей квалификации и существующих опасностей многие инженеры и специалисты по проектированию предпочитают привлекать сторонние компании, специализирующегося на гальванизации. Несмотря на то, что гальванизацию можно выполнять самостоятельно, зачастую проще использовать услуги сторонних компаний. К счастью, некоторые компании, такие как RePliForm и Sharretts Plating, специализируются на гальванизации по заказу.

На видео выше показано, как выполнять гальванизацию с помощью простых и доступных инструментов, таких как зарядное устройство для мобильного телефона и медная трубка. При гальванизации мы рекомендуем носить маску, перчатки и защитные очки, а также работать только в хорошо проветриваемом помещении.

Во многих отраслях промышленности гальванизация используется для изготовления различных изделий, начиная от обручальных колец и заканчивая электрическими антеннами. Вот несколько типичных примеров:

Гальванизации подвергаются многие компоненты воздушных судов. Это позволяет создать защитное покрытие, которое увеличивает срок службы деталей за счет замедления коррозии. Поскольку авиационные компоненты подвержены резким перепадам температур и воздействию факторов окружающей среды, на металлическую подложку наносят дополнительный металлический слой, чтобы не нарушать функциональность детали при естественном износе.

На многие стальные болты и крепежные детали, используемые в аэрокосмической промышленности, наносят хром (или, в последнее время, сплав цинка и никеля в связи с изменяющимися требованиями).

Введите фразу «гальваническое покрытие» на веб-сайте компании Etsy, и вы увидите множество подвергнутых гальванизации предметов интерьера и уникальных сувениров. С помощью этого процесса ремесленники часто превращают биоразлагаемые предметы, в том числе цветы, ветки и даже жуков, в прочные и долговечные произведения искусства. Гальванизацию можно использовать, чтобы подчеркнуть и сохранить мелкие элементы изделий, которые в противном случае быстро разлагаются.

Гальванизация часто применяется для создания произведений искусства, таких как этот медный жук и соты (источник изображения).

Специалисты по цифровому проектированию иногда выполняют гальванизацию для создания скульптур. Они могут напечатать подложку на настольном 3D-принтере, а затем покрыть ее слоем меди, серебра, золота или любого другого металла по выбору для достижения желаемого качества поверхности. Сочетание 3D-печати и гальванизации позволяет получить изделия, которые проще и дешевле в изготовлении, но на вид и на ощупь аналогичны монолитным металлическим скульптурам.

Гальванизация очень часто используется в автомобильной промышленности. Многие крупные автомобильные компании используют ее для создания хромированных бамперов и других металлических деталей.

Гальванизацию также можно использовать для создания индивидуальных деталей для концепт-каров. Например, компания Volkswagen объединилась с Autodesk, чтобы изготовить ступичные колпаки для своего концепта-кара Type 20. Прототипы ступичных колпаков напечатали на 3D-принтере, а затем покрыли слоем металла. 

Компании, занимающиеся автомобильной реставрацией и тюнингом, также используют гальванизацию для нанесения никеля, хрома и других отделочных материалов на различные детали автомобилей и мотоциклов.

Гальванизация, пожалуй, чаще всего ассоциируется с ювелирной отраслью и драгоценными металлами. Специалисты по проектированию ювелирных изделий и их производители используют этот процесс для усиления цвета, повышения долговечности и эстетичности колец, браслетов, кулонов и многих других изделий.

Когда вы видите позолоченное или посеребренное украшение, есть большая вероятность того, что на это изделие был нанесен слой соответствующего металла. Для достижения уникального оттенка используют сочетание различных металлов. Например, золото часто сочетают с медью и серебром для получения розового золота.

Гальванизация используется для придания упругости внешним элементам всевозможных медицинских и стоматологических изделий. Гальванизацию золотом часто применяют, чтобы создать зубные вкладки и упростить различные стоматологические процедуры. На имплантируемые изделия, такие как суставы, винты и пластины, наносят слоя металла, чтобы наделить их повышенной устойчивостью к коррозии и возможностью стерилизации перед использованием. Гальванизация также часто применяется для медицинских и хирургических инструментов, в том числе щипцов и рентгенологических изделий.

Гальванизация применяется для многочисленных компонентов электрических изделий и солнечных батарей, чтобы повысить их электропроводность. Контакты солнечных батарей и различные типы антенн обычно изготавливаются с использованием гальванизации. Провода покрывают слоем серебра, никеля и другими видами металла. Слой золота (обычно в сочетании с другими металлами) используют для повышения прочности. Золото также часто применяется для увеличения срока службы изделий, поскольку оно проводит ток, очень пластичное и не взаимодействует с кислородом.

При использовании традиционных производственных процессов производство индивидуальных или мелкосерийных металлических моделей для прототипирования может быть очень дорогостоящим и трудоемким. Поэтому в качестве экономичного и быстрого решения инженеры часто сочетают гальванизацию с 3D-печатью.

Например, Андреас Остервальдер из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне ускорил прототипирование и сократил затраты на передовые экспериментальные установки, самостоятельно напечатав новые модели на своем стереолитографическом 3D-принтере компании Formlabs и воспользовавшись услугами Galvotec для их гальванизации.

Благодаря своей универсальности гальванизация открывает бесчисленные возможности для инженеров в различных отраслях промышленности. Вы хотите узнать больше о гальванизации моделей, напечатанных на 3D-принтере? Посмотрите наш вебинар под названием «Доступная 3D-печать для металлов с помощью принтера за 3500 долларов США», чтобы узнать, как гальванизация придает моделям, напечатанным на 3D-принтере, свойства металлов, в том числе высокий модуль упругости, электропроводность или эстетичность поверхности.

Вы получите советы от президента и управляющего директора компании RePliForm Шона Уайса, который продемонстрирует, как эту технологию применяют для различных целей.