Kuparielektrolyysilaitteiston valmistus
Niemi, Jaakko (2024)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2024112831158
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2024112831158
Tiivistelmä
Opinnäytetyön tavoitteena oli tutustua kuparin elektrolyysiin, siihen tarvittavaan laitteistoon sekä menetelmiin, joiden pohjalta opiskelija suunnitteli tuotteen, jolla kappaleiden pinnoittaminen kuparilla on mahdollista. Kuparilla pinnoittamiselle on useita kaupallisia sovellutuksia, jotka eivät tällä hetkellä ole kuluttajien tai yritysten helposti saatavilla. Kehittämällä kuparielektrolyysiin sopiva laitteisto, opiskelija pyrkii tuomaan menetelmää paremmin saataville.
Opinnäytetyö toteutettiin kolmessa vaiheessa tavalla, jota tämä dokumentti noudattaa järjestyksessä. Ensin opiskelija tutustui tavalliseen elektrolyysiin teoriatasolla, sen jälkeen erikoismenetelmiin teoriatasolla, jonka jälkeen opinnäytetyö siirtyi teoriavaiheesta kokeellisiin menetelmiin. Opiskelija rakensi laitteiston, joka kykenee yksinkertaiseen elektrolyysiin, harjoitteli sen käyttöä, ja lopulta siirtyi opinnäytetyön viimeiseen vaiheeseen. Viimeisessä vaiheessa opiskelija käytti kokeellisesti edellä hankkimaansa ja muista lähteistä koostuvaa tietoa tuotekehityksessä. Opiskelija kehitteli useamman konseptin, vertaili niitä keskenään ja laski hinta-arvion yhden konseptin toteuttamiseksi. Viimeisen vaiheen tavoitteena oli luoda prototyyppi tuotteesta tai palvelusta, jota voidaan
markkinoida.
Opinnäytetyössä tarkastellaan muovista 3D-tulostettujen kappaleiden pinnoittamista metallilla. Kaksikerroksinen kupari-muovi komposiittirakenne mahdollistaa kummankin materiaalin parhaiden puolten hyödyntämisen: kuparin lämmönkestävyys, sähkönjohtajuus, lujuus, ulkonäkö sekä antibakteeriset ominaisuudet voidaan yhdistää muovin edullisuuteen, keveyteen, korroosionkestävyyteen ja ennen kaikkea helppoon työstettävyyteen. Muovia voidaan käyttää myös tilapäisenä muottina, jolloin menetelmällä on mahdollista valmistaa monimutkaisia, kokometallisia kappaleita.
Opinnäytetyön lopputulos on, että esitetty menetelmä soveltuu tuotteelliseen käyttöön tietyin varauksin. Liian suuri käytetty sähköteho tuottaa huonoa pinnanlaatua ja peittävyyttä. Elektrolyysi on tehokkainta, kun työkappaleen ja elektrodin välillä on suora näköyhteys. Monimutkaisia työkappaleita tulee siksi pyörittää prosessin aikana, ja useiden elektrodien käyttö eri kulmissa on suositeltavaa parhaan peittävyyden saavuttamiseksi. Työkappaleen tulee olla sähköä johtava; opinnäytetyössä on kuvattu menetelmä työkappaleen maalaamiseksi sähköä johtavalla grafiittimaalilla. Viimeiseksi työkappaleen tulee olla riittävän tiheä, jotta se uppoaa täysin käytettyyn liuokseen. The aim of this Bachelor’s thesis work is to construct a working copper electroplating machine and acquire all the required knowhow to use it. In addition, the thesis work explores possibilities of productization of the process or the machinery. At the time of writing this thesis, equipment and knowledge that can be used for electroplating does not widely exists or it is poorly available. However, electroplating holds many potential applications and therefore this thesis aims to bring the equipment, the knowledge and the applications more easily accessible.
This thesis work follows a structure divided into three phases: a theoretical phase, an experimental phase, and finally a product development phase. In the theoretical phase, the aim is to seek a foundation of knowledge, which can be used to it’s fullest in the experimental phase. In the theoretical phase calculations are done to be the basis of experiments, which ideally refine the results of calculations to follow reality more closely. In the experimental phase, the goal is to develop the process as far as possible, to a point where productization is possible. In the final phase, gained knowledge is utilized by refining the process into several concepts that are then compared for their suitability for different user profiles from hobbyists to industry.
The applications of electroplating are explored from a 3D-printing perspective, where a two-layer metal-plastic composite structure could ideally combine the pros of each material. The thesis states example use cases for copper over plastic in heat resistance, electrical conductivity, mechanical strength, surface quality, visual appeal and anti-bacterial properties. In addition, the method used lends itself to disposable plastic moulds. With disposable moulds, electroplating turns into a lucrative, untapped additive manufacturing method for fully metal parts.
The thesis concludes with the following results: copper electrolysis is suitable for productization when certain key parameters are correct: the amperage and the current must be kept low rather than high, because high power causes poor coverage and surface quality of plated material. The workpiece benefits from direct line of sight to it’s counteracting electrode, where within this line the electroplating process is most effective. Therefore complicated workpieces necessitate the use of mechanical rotation and multiple electrodes from different angles for maximum coverage. The workpiece of course must be conductive, in this thesis this effect is achieved by painting the plastic parts with a graphite paint. Finally, the workpiece must be dense enough to sink in the electroplating fluid or otherwise weights must be used.
Opinnäytetyö toteutettiin kolmessa vaiheessa tavalla, jota tämä dokumentti noudattaa järjestyksessä. Ensin opiskelija tutustui tavalliseen elektrolyysiin teoriatasolla, sen jälkeen erikoismenetelmiin teoriatasolla, jonka jälkeen opinnäytetyö siirtyi teoriavaiheesta kokeellisiin menetelmiin. Opiskelija rakensi laitteiston, joka kykenee yksinkertaiseen elektrolyysiin, harjoitteli sen käyttöä, ja lopulta siirtyi opinnäytetyön viimeiseen vaiheeseen. Viimeisessä vaiheessa opiskelija käytti kokeellisesti edellä hankkimaansa ja muista lähteistä koostuvaa tietoa tuotekehityksessä. Opiskelija kehitteli useamman konseptin, vertaili niitä keskenään ja laski hinta-arvion yhden konseptin toteuttamiseksi. Viimeisen vaiheen tavoitteena oli luoda prototyyppi tuotteesta tai palvelusta, jota voidaan
markkinoida.
Opinnäytetyössä tarkastellaan muovista 3D-tulostettujen kappaleiden pinnoittamista metallilla. Kaksikerroksinen kupari-muovi komposiittirakenne mahdollistaa kummankin materiaalin parhaiden puolten hyödyntämisen: kuparin lämmönkestävyys, sähkönjohtajuus, lujuus, ulkonäkö sekä antibakteeriset ominaisuudet voidaan yhdistää muovin edullisuuteen, keveyteen, korroosionkestävyyteen ja ennen kaikkea helppoon työstettävyyteen. Muovia voidaan käyttää myös tilapäisenä muottina, jolloin menetelmällä on mahdollista valmistaa monimutkaisia, kokometallisia kappaleita.
Opinnäytetyön lopputulos on, että esitetty menetelmä soveltuu tuotteelliseen käyttöön tietyin varauksin. Liian suuri käytetty sähköteho tuottaa huonoa pinnanlaatua ja peittävyyttä. Elektrolyysi on tehokkainta, kun työkappaleen ja elektrodin välillä on suora näköyhteys. Monimutkaisia työkappaleita tulee siksi pyörittää prosessin aikana, ja useiden elektrodien käyttö eri kulmissa on suositeltavaa parhaan peittävyyden saavuttamiseksi. Työkappaleen tulee olla sähköä johtava; opinnäytetyössä on kuvattu menetelmä työkappaleen maalaamiseksi sähköä johtavalla grafiittimaalilla. Viimeiseksi työkappaleen tulee olla riittävän tiheä, jotta se uppoaa täysin käytettyyn liuokseen.
This thesis work follows a structure divided into three phases: a theoretical phase, an experimental phase, and finally a product development phase. In the theoretical phase, the aim is to seek a foundation of knowledge, which can be used to it’s fullest in the experimental phase. In the theoretical phase calculations are done to be the basis of experiments, which ideally refine the results of calculations to follow reality more closely. In the experimental phase, the goal is to develop the process as far as possible, to a point where productization is possible. In the final phase, gained knowledge is utilized by refining the process into several concepts that are then compared for their suitability for different user profiles from hobbyists to industry.
The applications of electroplating are explored from a 3D-printing perspective, where a two-layer metal-plastic composite structure could ideally combine the pros of each material. The thesis states example use cases for copper over plastic in heat resistance, electrical conductivity, mechanical strength, surface quality, visual appeal and anti-bacterial properties. In addition, the method used lends itself to disposable plastic moulds. With disposable moulds, electroplating turns into a lucrative, untapped additive manufacturing method for fully metal parts.
The thesis concludes with the following results: copper electrolysis is suitable for productization when certain key parameters are correct: the amperage and the current must be kept low rather than high, because high power causes poor coverage and surface quality of plated material. The workpiece benefits from direct line of sight to it’s counteracting electrode, where within this line the electroplating process is most effective. Therefore complicated workpieces necessitate the use of mechanical rotation and multiple electrodes from different angles for maximum coverage. The workpiece of course must be conductive, in this thesis this effect is achieved by painting the plastic parts with a graphite paint. Finally, the workpiece must be dense enough to sink in the electroplating fluid or otherwise weights must be used.