전기 도금 3D 프린팅: 3D 프린팅 부품의 품질을 높이는 방법

전기 도금은 3D 프린팅 부품 표면에 구리, 니켈, 금과 같은 실제 금속의 얇은 층을 입히는 과정입니다. 이를 통해 제품의 외관을 개선하고 금속 특유의 광택을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 기능성과 내구성도 함께 향상시킬 수 있습니다. 비록 전기 도금 후처리 과정은 복잡하고 세심한 작업이 필요하지만, 금속 3D 프린팅에 비해 훨씬 경제적이고 효율적인 대안으로 각광받고 있습니다. 본 글에서는 전기 도금의 원리와 3D 프린팅 부품에 적용하는 구체적인 작업 절차에 대해 자세히 소개해드리겠습니다.

출처:  https://www.instructables.com/Copper-Electroforming-on-3d-Printed-PLAABS-Objects/

전기 도금의 기본 원리

전기 도금은 전기분해를 이용해 금속 이온이 전기장에 의해 이동하여 대상 물체 표면에 금속을 침착시키는 과정입니다. 구체적인 과정은 다음과 같습니다.

• 3D 프린팅 부품(보통 플라스틱이나 레진 같은 비전도성 재료)을 금속 염(구리, 니켈, 금 등)이 포함된 전해액에 담급니다.
• 전류를 흘려주면, 양극에 있는 금속(예: 구리판)은 산화 반응을 일으켜 금속 양이온을 전해액에 방출합니다. 반면 음극 역할을 하는 3D 프린팅 부품 표면은 음전하를 띠어 금속 양이온을 끌어당겨 금속 원자로 환원시키고, 층층이 금속 코팅을 형성합니다.
• 전기 도금 반응이 원활히 진행되려면 비전도성 재료인 플라스틱 표면을 먼저 전도성으로 만들어야 합니다. 이를 위해 화학 도금이나 흑연 분말 도포 같은 전도성 코팅 처리를 합니다.

3D 프린팅 부품 전기 도금 공정

3D 프린팅 부품 전처리

전기 도금 전에 3D 프린팅 부품 표면을 깨끗하게 해야 합니다. 표면의 먼지나 기름기가 도전성 도료와 금속 코팅의 균일한 부착을 방해해 도금 품질에 영향을 미치기 때문입니다. 또한 표면이 매끄러울수록 최종 금속 코팅의 광택이 좋아지므로 전처리가 매우 중요합니다.

• 세척: 지지대 잔여물, 기름기, 분진 등을 제거합니다. (초음파 세척 또는 알코올 닦기)
• 연마: 층 자국을 없애고 표면을 매끄럽게 하기 위해 연마하거나 화학적 연마(예: 아세톤 증기를 이용한 ABS 연마)를 합니다.
• 결함 보수: 기공, 균열 등 인쇄 결함을 메워 도금 균일성을 높입니다.

3D 프린팅에 흔히 쓰이는 기술인 SLA, FDM 방식으로 제작된 플라스틱이나 감광성 레진 같은 비전도성 재료는 전기 도금 전에 전도성 처리가 필수입니다. 주로 사용되는 방법은 다음과 같습니다.

• 전도성 도료 도포: 금속 입자가 포함된 전도성 페인트를 분사하는 방법
• 화학 도금: 화학적 침착을 통해 표면에 얇은 금속층(예: 화학 니켈 도금, 구리 도금)을 형성해 전도층을 만드는 방법
• 흑연 분말 도포: 레진 부품 표면에 흑연 분말을 뿌려 임시 전도층을 형성하는 방법

전기 도금 공정

1. 구리 도금 (기초층)

구리층은 전기 도금의 기초층으로, 전도성을 높이고 이후 금속 층의 밀착력을 향상시키는 역할을 합니다. 또한 기판 표면의 미세한 결함을 메워 도금의 균일성을 확보할 수 있습니다.

• 초기 전압은 0.2V로 설정하여 30~60분간 진행합니다. 이 단계에서는 조밀한 초기 도금층을 형성하는 것이 목적입니다.
• 이후 전압을 0.5~1V로 점진적으로 올려 1시간 정도 추가 도금을 진행하면, 도금층이 고르게 입혀집니다.
• 도금 시간이 길수록 금속층이 두꺼워집니다.

작업 중 유의사항:

표면이 매끄럽고 광택이 돌기 시작하면 이상적인 전압에 도달한 것으로 볼 수 있으며, 도금을 계속해 두께를 늘릴 수 있습니다.

반면 검은 반점, 기포, 울퉁불퉁한 부분이 보인다면 전류가 너무 강하거나 전해액이 고르지 않다는 신호이므로, 전압을 낮추거나 용액을 잘 섞어주는 것이 좋습니다.

2. 니켈/크롬 도금 (중간 절연층)

니켈층은 중간층으로 사용되며, 내식성(부식 방지)을 높이고 이후 도금층의 광택과 접착력을 향상시켜 줍니다. 또한 하부층과 최종 장식층 사이의 화학 반응을 막아주는 절연 역할도 합니다.

• 니켈 도금은 2V로 시작하며
• 크롬 도금은 6V 정도에서 시작해 표면 광택이 고르게 나타날 때까지 전압을 점진적으로 올릴 수 있습니다.
• 도금 시간은 길지 않으며, 보통 몇 분 내에 마무리됩니다.

3. 금 도금 (최종 장식층)

금 도금은 주로 장식 목적으로 사용되며, 우수한 항산화 성능도 함께 제공합니다.

• 금 전해액에 브러시 헤드를 담가 전해액이 골고루 흡수되도록 합니다.
• 전원 장치의 양극을 연결하고, 전압을 7~10V로 설정한 후, 브러시로 균일하게 도금 표면을 문질러 줍니다.
• 금 도금층은 매우 얇기 때문에 (보통 0.05~0.1μm), 몇 분 이내에 작업이 완료됩니다.

출처:  https://ameralabs.com/blog/silver-electroplating-resin-3d-prints/

전기 도금 시 자주 발생하는 문제와 해결 방법

전기 도금은 뛰어난 외관과 기능 향상을 제공하지만, 공정 과정에서 몇 가지 문제가 발생할 수 있습니다. 다음은 도금 작업 중 자주 나타나는 문제들과 그에 대한 해결책입니다.

1. 도금 박리 또는 접착 불량

특히 3D 프린팅 플라스틱 부품에서 자주 발생합니다. 이는 기판 표면이 제대로 활성화되지 않았거나 전처리가 미흡할 때 나타납니다.

• 해결 방법: 샌드블라스트 또는 화학적 에칭 처리를 통해 표면 거칠기를 높여 도금 밀착력을 강화합니다. 전도성 도료를 고르게 도포하여 전류 흐름을 개선합니다. 금속 3D 프린팅 부품의 경우, 도금 전 산세척(피클링) 또는 전해 활성화 과정을 거쳐 접착력을 높여야 합니다.

2. 도금층 불균일

전류 분포가 고르지 않거나 부품 표면이 너무 거칠 경우, 도금층이 고르게 형성되지 않습니다.

• 해결 방법: 양극 위치 최적화, 전류 밀도 조절, 보조 음극 사용 등으로 전류 분포를 개선합니다. 부품 표면을 충분히 연마 및 세척하여 표면 상태를 정리합니다. 전도성 코팅제를 활용하여 도금의 분포 균일성을 높일 수 있습니다.

3. 표면에 검은 점 또는 탄 자국

과도한 전류나 전해액 온도가 너무 높을 때 발생하는 문제입니다.

• 해결 방법: 전류 밀도를 낮추고, 전해액 온도를 적절히 조절합니다. 도금액의 조성비가 안정적인지 확인합니다. 국소적인 검은 자국은 가볍게 연마 후 재도금을 통해 복구할 수 있습니다.

마무리: 전기 도금으로 3D 프린팅 품질을 한 단계 업그레이드

3D 프린팅 부품에 전기 도금을 적용하면 외관과 내구성을 동시에 향상시킬 수 있습니다. 물론 도금 공정은 다소 복잡하고 정밀한 조작을 필요로 하지만, 금속 프린팅 대비 비용 효율이 높고 다양한 산업군에 적용 가능한 실용적인 후처리 방식입니다.

적절한 전처리와 정밀한 공정 제어를 통해, 3D 프린팅 부품의 표면 품질과 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.