大型印台和銅板電化學蝕刻製作 / 廖旭茂

星期三 , 5, 七月 2017 Leave a comment

大型印台和銅板電化學蝕刻製作

廖旭茂

台中市立大甲高中

nacl880626@hotmail.com

n  影片觀賞

本實驗影片由大甲高中提供。

clip_image002

影片網址:https://youtu.be/550XCWugER8, YouTube.

n  簡介

利用電解蝕刻法(Electrolytic Etching),在外通直流電下,讓不易氧化的金屬或合金在電解質溶液中被電解氧化成離子,進而使金屬表面出現具有凹凸對比的立體圖案。目前也有幾種微型的電解蝕刻教具,應用在中學的教學上,而廣受歡迎[1][2]

「所有的IDEA都是來自需求」,筆者任教的學校去年完成了一座大型的戶外裝置藝術_搖滾巴克球2.0,為了在不鏽鋼底座烙印紀念logo字樣,原打算使用金屬雷射來雕刻,惟量體過大,特殊加工價格過高,遂打消了原有的方案。後來想到電解蝕刻法,原有的可攜式的微型蝕刻工具顯然派不上用場,於是開始著手大型蝕刻印台的開發,歷經數月才完成。下圖1和圖2為搖滾巴克球外觀與logo蝕刻過程。

clip_image004

1 搖滾巴克球裝置藝術外觀

clip_image006

2 電化學蝕刻過程

大型的電解蝕刻,除可在銅或合金上進行藝術創作外,亦可設計為特色選修課程教學活動。學生可以事先以奇異筆在金屬板材勾勒出線條,再繪製圖案;或透過雷射印表機將選定的圖案印到光面紙上(如貼紙用的離型紙),以電熨斗熱轉印到金屬板上;亦可以先設計好的文字或圖案的數位檔,利用割字機輸出卡典西得膠膜。最後將此金屬板置於沾濕電解液的不織布下,通入直流電,大型印台的導電平台與電源負極連接,未被碳粉或奇異筆墨遮蓋的部分(卡典西得上鏤空的部分 )與直流電正極連接,鏤空部分隨即被氧化侵蝕凹陷,被遮蓋的部分,則維持不反應;電解蝕刻結束再將碳粉或筆墨清洗乾淨,完成蝕刻活動。

n  藥品與器材

本實驗所需相關材料,如圖三所示。

1.          雷射切割機

2.          電鑽平台含3.3 mm鈷鋼鑽頭(不鏽鋼板導孔用)

3.          螺絲攻含4 mm 鑽頭

4.          8 mm壓克力板

5.          矽利康膠

6.          Φ=4 mm (16 mm)不鏽鋼圓頭螺絲及螺母

7.          雙頭鱷魚夾電源線紅黑各一條

8.          2 mm,長10 cm×寬10 cm正方形不鏽鋼板(或黃銅板)一塊

9.          砂紙(400#)一張

10.      壓克力膠一罐

11.      A4離型紙(熱轉印用)一張

n  實驗步驟

一、大型蝕刻印台的製作

1.        在繪圖軟體Illustrator 繪製蝕刻壓克力平台,中間為定位孔 (亦可為壓克力平台握把固定孔),中間偏右方的圓孔為圓頭螺絲導孔,綠色的部分為雷射雕刻處。下圖為印台的設計圖。

clip_image008

3 Illustrator軟體輸出的設計圖

2.        8 mm厚的壓克力板,放置雷射切割機內,將原圖的檔案,匯入切割軟體RDWORKS內,完成切割功率與速度的設定,開始切割。下圖4為雷射切割過程。

clip_image010

4 雷射頭聚焦加熱切割壓克力板

3.        將一塊10 cm × 10 cm大小的不鏽鋼板放在雷射雕刻過的方型區域,接著翻面跟壓克力板一起固定在電鑽平台上,最後以鈷鋼鑽頭,在中間偏右孔位鑽出一個直徑3.3 mm的圓孔。注意,為順利在金屬板上導孔,鑽銑過程必須添加金屬專用切削油。下圖5為電鑽鑽孔過程。

clip_image012

5 大型蝕刻印台電極螺絲孔的導孔

4.        將上述鑽完的壓克力板取下,小心清理金屬碎屑,再次將壓克力印台固定於桌面,以螺絲攻,鑽銑出M4大小的螺牙(見圖6)

clip_image014

6 螺牙鑽銑過程

5.        用清水將壓克板的雷雕區清洗擦乾,塗上矽利康膠,均勻抹平後,再將不鏽鋼板置入雷雕區,稍加按壓後,平放在桌面。相關製作如下圖7所示。

clip_image016

7 壓克力板與不鏽鋼金屬板的黏著

6.        待矽利康膠乾後,取一圓頭螺絲從壓克力面鎖入,並以一螺母固定,做為連接電源的電極。注意螺絲穿越金屬板後,與板平面切齊,切勿突出板面。相關製作如下圖8所示。

clip_image018 clip_image020

8 電極螺絲的固定圖

7.        為簡化工序,可直接在中間定位孔上方,以壓克力膠黏著一支直徑2.5 cm,長10 cm的壓克力圓柱作為印台的握把。亦可從壓克力板後方鎖入一根螺絲,連結壓克力圓棒(壓克力板及圓棒皆需事先鑽銑出適當大小的螺絲孔)。下圖9為完成的大型電解蝕刻印台。

clip_image022

9 組裝完成的蝕刻印台

二、圖騰轉印的製作                                           

蝕刻的圖騰可以割字機輸出事先設計好圖案的卡典西得膠膜,亦可以用參考電路板熱轉印的方式製作方式蝕刻圖騰[3],其做法如下所示:

1.      以影像軟體Photoshop開啟一張事先下載的黑白圖片,經轉換為負片模式後並存檔。雷射印表機紙匣中,置入A4離型紙,印出適當大小的圖案。

2.      取一片預先以酒精擦拭光亮的銅板,將離型紙的印刷面放置其上,打開電熨斗,加熱離型紙約2~5分鐘後,掀開紙片的一個角落,看看轉印的結果。若尚未完全轉印,可持續加熱一兩分鐘,或以油性奇異筆描繪缺陷處。下圖為影像熱轉印置銅板的結果。

clip_image024 clip_image026

10 圖案轉印有些需碳粉殘留在離型紙上

3.      將鉛蓄電池的負極(黑線導線)以電源線鱷魚夾與大型蝕刻印台的圓形電極螺絲連接,電源的正極(紅線導線)以銅片的轉印面朝上,上方放一片事先沾滿硫酸鈉溶液的擦拭不織布,手握圓棒,將大型蝕刻印台放在不織布上,電源的正極(紅線)以鱷魚夾夾住金屬片。電解蝕刻時間1分鐘,仔細觀測電解過程中棉布上所發生的變化(見圖11)

clip_image028 clip_image030

11 在電化學蝕刻中,棉布上出現泡泡,應為氫氣。

4.      移去電源,以鑷子夾起棉布,上殘留藍色及棕色的字跡。以乾棉布輕拭金屬片表面,接著用丙酮擦拭轉印的碳粉。以乾棉布沾少許研磨劑,沿同一方向推拭至金屬表面光亮即可。下圖12為蝕刻完成圖。

 clip_image032

12 銅板蝕刻圖

n  原理與概念

本實驗係利用電化學電解原理,使用一個自製的蝕刻印台,在一塊事先貼好膠膜的金屬表面上,隔著以鹽水沾濕的棉布,數分鐘內隨即完成電化學蝕刻實驗。若蝕刻的金屬為銅片,則其兩極的反應,如式[1][2]所示:

陰極(負極)():2H2O(l) + 2e H2(g) + 2OH(aq)      [1]

陽極(正極)(+):Cu(s)  Cu2+(aq) + 2e              [2]

———————————————————————————-

全反應:2H2O(l) + Cu(s) H2(g) + 2OH(aq) + Cu2+(aq)    [3]

2H2O(l) + Cu(s) H2(g) + Cu(OH)2(s)            [4]

在電化學蝕刻後移去電源,以鑷子夾起棉布,上殘留藍色及棕色的字跡,研判應為陰極(負極)生成的氫氧根離子與銅等金屬離子生成氫氧化物的沉澱,其反應如式[4]所示。

n  安全注意及廢棄物處理

l  本實驗使用完畢的化妝棉,因沾有少許重金屬,請依實驗室廢棄物規定,統一回收處理

n  參考資料

1.      Ectching106610日參考自http://en.wikipedia.org/wiki/Etching.

2.      廖旭茂 (2013)家庭化學實驗:行動電化學蝕刻。科學研習月刊,52(11)16~19

3.      Suen, R. (2009)。碳粉熱轉印法 (Toner Transfer) 製作 PCB製作方法介紹及能力測試。106610日自參考:http://www.qsl.net/bv3fg/tech/TTPCB.htm

 

1076 Total Views 4 Views Today
Print Friendly, PDF & Email

Please give us your valuable comment

你的電子郵件位址並不會被公開。 必要欄位標記為 *