Electroplating as an affordable metal 3D printing method

Abstract

Existing electrodeposition methods are often too slow for electrochemical additive manufacturing (ECAM) of macro-scale objects. This study aims to fill the gap of research around rapid electrodeposition to find a technology capable of enabling additive manufacturing (AM) of solid objects with a speed comparable to polymer 3D printing.

Two unique concepts for rapid electrodeposition were investigated through experimentation and iteration, both sharing the goal of achieving rapid electrodeposition with zero bubble formation on the electrodes. The working principle of the first concept is achieving rapid electrodeposition by reducing the distance between the electrodes in order to reduce resistance of the setup. This allows for high currents to occur at low voltages. A custom linear actuator was built and programmed to precisely position a steel wire above a copper plate and it was used in three separate electrodeposition experiments. The second concept prevents bubble formation by using an organic solvent with no water in it. A solution of iron(II) acetate in ethanol was used to electrochemically deposit material from one steel surface to another with a voltage exceeding 30 V.

The ethanol experiments were a successful proof of concept. They achieved a deposition speed of 0,5 mm/h with zero visible side reactions but the deposited material was porous and it lost its structural integrity in approximately 5 minutes after being exposed to oxygen. In theory an improved version of this technology could enable ECAM of macro-scale objects directly out of metal waste. Impurities tend to have poor solubility in ethanol, which means that an ethanol electrodeposition bath could have self-purifying properties.

The first concept did not achieve successful deposition despite many iterations and efforts in trouble shooting the circuit and development in the microcontroller’s program.

In conclusion, this study provides new and applicable information on electrodeposition in a solution of iron(II) acetate and ethanol. Further research and development could improve the material properties of the metal deposited using this technology, deposition speed of the process, and process’s ability to use metal waste as the input material of deposition.

Olemassa olevat sähkökemiallisen pinnoituksen keinot ovat usein liian hitaita macro-tason 3Dtulostamista varten. Tämän tutkielman tavoitteena on täydentää olemassa olevaa tutkimusta nopean sähkökemiallisen pinnoituksen aihealueella, jotta macro-tason 3D-tulostus olisi mahdollista toteuttaa sähkökemiallisesti.

Tässä tutkielmassa kokeellisesti tutkitaan kahta nopean sähkökemiallisen pinnoituksen konseptia. Molemmat niistä perustuvat vetykuplinnan estämiseen kemiallisin tai fyysisin keinoin. Ensimmäinen konsepti perustuu elektrodien välisen etäisyyden minimointiin, mikä johtaa pienempään sähköpiirin resistanssiin ja siten nopeampaan pinnoitukseen jännitteen pysyessä vakiona. Kokeet toteutettiin spesifisesti niitä varten kehitetyllä lineaarisella servomoottorilla. Toinen konsepti estää vetykuplinnan poistamalla vesi reaktion liuottimien keskuudesta. Tämän tutkielman kokeissa sähkökemiallisesti pinnoitettiin terästä käyttäen rauta(II) asetaatin ja etanolin liuosta elektrolyyttinä. Etanolikokeiden jännite ylitti 30 V.

Etanolikokeet tuottivat hyödyllisiä tuloksia. Niissä saavutettiin 0,5 mm/h pinnoitusnopeus ja niissä ei havaittu sivureaktioita. Kuitenkin niissä pinnoitettu materiaali oli haurasta ja se menetti rakenteellisen eheyden noin viiden minuutin jälkeen siitä hetkestä, kun näytteet pääsivät kosketukseen hapen kanssa. Teoriassa pidemmälle kehitetty versio tästä teknologiasta voisi mahdollistaa uusien metalliesineiden 3D-tulostamisen suoraan metallijätteestä. Epäpuhtauksilla, kuten metallioksideilla, on usein huono liukoisuus etanolissa, joten etanolipohjaisilla elektrolyyteillä voisi olla kyky pysyä puhtaana automaattisesti.

Lyhyeen elektrodien väliseen etäisyyteen perustuvissa kokeissa pinnoitusprosessi ei toiminut, vaikka teknologiaa kehitettiin usean iteraation avulla ja laitteiston ohjelmointiin ja fyysiseen ongelmanratkaisuun käytettiin aikaa.

Tiivistettynä tämä tutkielma tarjoaa uutta informaatiota sähkökemiallisesta pinnoituksesta rauta(II) asetaatin ja etanolin liuoksessa. Tulevaisuuden tutkimus ja kehitystyö voisi parantaa tämän prosessin tuottaman materiaalin rakenteellisia ominaisuuksia, prosessin nopeutta ja prosessin kykyä käyttää lähtöaineena metallijätettä.