Chemisches Bearbeiten: Präzise Metallabtragung ohne Spannungen

Was ist chemisches Bearbeiten?

Chemisches Bearbeiten ist die saubere Entfernung von Metall aus vordefinierten Bereichen, ohne die Integrität oder Eigenschaften des Metalls zu verändern, mittels eines fotochemischen Prozesses. Dieses Verfahren wird hauptsächlich zur Herstellung kleiner, dünner Metallteile mit komplexem Design ohne Grate oder Spannungen eingesetzt.

Der chemische Bearbeitungsprozess

Der Prozess beginnt mit der Reinigung des Metalls von Schmutz und Ölen. Ein Fotolack wird aufgetragen und eingebrannt, um eine gleichmäßige Beschichtung zu gewährleisten. Das Layout wird dann auf das vorbereitete Metallblech gelegt und mit UV-Licht belichtet, was die gewünschte Auflösung und Ätzspezifikationen ergibt.

Nach Entfernen des Layouts wird der Lack entwickelt oder entfernt. Nun ist das Metall bereit zum Ätzen, indem das Blech in eine chemische Lösung getaucht wird, die alles Material auflöst, das nicht zum Teil gehört. Nach Abschluss des Ätzens wird der Lack entfernt und die Metallteile gereinigt, geprüft und verpackt.

Schritte des chemischen Bearbeitungsprozesses

1. Reinigen

Beim Reinigen werden Werkstücke von Öl, Fett, Staub oder anderen Substanzen befreit, damit die weitere Bearbeitung ordnungsgemäß erfolgen kann. Die Reinigung ist notwendig, um eine gute Haftung des Maskiermaterials am Werkstück zu gewährleisten. Bei unzureichender Maskierung kommt es zu Streuätzen.

Je nach Werkstoff und erforderlicher Bearbeitungstiefe werden verschiedene Reinigungsverfahren wie Dampfabbau, alkalisches Ätzen etc. eingesetzt. Die Reinigung poröser Werkstoffe ist schwierig. Es gibt hauptsächlich zwei Reinigungsmethoden: mechanische und chemische. Die chemische Methode wird häufiger verwendet, da sie weniger Schäden verursacht als die mechanische.

2. Maskieren

Beim Maskieren werden die Bereiche des Werkstücks, die nicht bearbeitet werden sollen, mit einem Maskiermaterial bedeckt, das inert ist und nicht mit den Ätzchemikalien reagiert. Das Maskiermaterial sollte leicht abziehbar sein.

Masken werden nach drei Methoden aufgebracht:

• Schneide- und Abziehverfahren
• Siebdruckverfahren
• Fotolackverfahren

3. Ritzen

Nach dem Maskieren wird die Maske von den Bereichen entfernt, die bearbeitet werden sollen, sodass dort eine chemische Reaktion stattfinden kann. Nach dem Ritzprozess sind nur noch die zu bearbeitenden Bereiche dem chemischen Prozess ausgesetzt.

4. Ätzen

Das maskierte Werkstück wird in einen Behälter mit einer chemischen Lösung getaucht, die mit dem Werkstoff reagiert. Die maskierten Bereiche bleiben unverändert, während die unmaskierten Bereiche chemisch angegriffen und abgetragen werden.

Der Ätzprozess erfolgt meist bei erhöhter Temperatur. Gasblasen dürfen sich nicht festsetzen, um ungleichmäßiges Bearbeiten zu vermeiden.

5. Entmaskieren

Nach dem Ätzen werden die Masken von den nicht bearbeiteten Bereichen entfernt und die Oxidschicht von den bearbeiteten Bereichen abgetragen.

6. Waschen

Nach dem Entmaskieren wird das Werkstück gründlich mit klarem Wasser gespült, um alle Rückstände von der Oberfläche zu entfernen.

Optional kann ein Schritt zur Temperaturregelung des Ätzmediums durch Heiz- oder Kühlstäbe hinzugefügt werden.

Arten des chemischen Bearbeitens

Das Verfahren eignet sich für verschiedene Operationen wie Fräsen, Ausstanzen und Gravieren. Die Hauptarten sind:

• Chemisches Fräsen
• Chemisches Ausstanzen
• Chemisches Gravieren

Für spezielle Zwecke kann chemisches Bearbeiten auch mit reaktiven Gasen wie Chlorstrahlen im Bearbeitungsbereich durchgeführt werden. Dies wird als gasförmiges chemisches Bearbeiten oder Heißchlorbearbeitung bezeichnet und kann zum Entgraten von Metallteilen verwendet werden.

1. Chemisches Fräsen

Chemisches Fräsen oder industrielles Ätzen ist ein subtraktiver Fertigungsprozess, bei dem temperaturgeregelte Ätzchemikalien verwendet werden, um Material abzutragen und ein Objekt mit der gewünschten Form zu erstellen. Andere Bezeichnungen sind Photoätzen, chemisches Ätzen, fotochemisches Ätzen und fotochemische Bearbeitung.

Der Prozess besteht im Wesentlichen darin, die Schneidbereiche in einen ätzenden Chemikalien (Ätzmittel) zu tauchen, das mit dem Material im zu schneidenden Bereich reagiert und das feste Material auflöst. Inerte Substanzen, sogenannte Maskiermittel, schützen bestimmte Materialbereiche als Widerstände.

Anwendungen

Ätzen findet Anwendung in der Leiterplatten- und Halbleiterfertigung. In der Luftfahrtindustrie wird es verwendet, um flache Materialschichten von großen Flugzeugkomponenten, Raketenhautplatten und extrudierten Teilen für Flugzeugrümpfe zu entfernen.

Weit verbreitet ist die Herstellung von integrierten Schaltkreisen und mikroelektromechanischen Systemen (MEMS). Neben den standardmäßigen flüssigkeitsbasierten Techniken verwendet die Halbleiterindustrie häufig Plasmaplasmaätzen.

2. Chemisches Ausstanzen

Chemisches Ausstanzen, Photostanzen oder Photoätzen sind Varianten des chemischen Fräsens. Dabei wird Material aus vielen Bereichen vollständig durch chemische Wirkung entfernt. Hauptsächlich wird es für Bleche und Folien eingesetzt. Fast alle Metalle können damit bearbeitet werden, jedoch nicht für das Ausdünnen von Materialien über 2 mm empfohlen.

Das Werkstück wird gereinigt, geätzt und mit Säure oder Lauge behandelt. Das gereinigte Metall wird getrocknet und das Fotolackmaterial durch Tauchen, Wirbelbeschichten oder Sprühen aufgebracht. Nach Trocknung und Aushärtung wird die Oberfläche durch ein Negativ (fotografische Platte des gewünschten Designs) mit UV-Licht belichtet. Nach der Belichtung wird das Bild entwickelt. Unerwartete Teile lösen sich während des Entwicklungsprozesses und legen blankes Metall frei.

Das Metall wird in eine Maschine eingelegt, die mit Ätzlösung besprüht oder in einen Schlamm getaucht wird. Die Ätzlösung kann Flusssäure (für Titan) oder eine von vielen anderen Chemikalien sein. Nach 1 bis 15 Minuten wurde das unerwünschte Metall entfernt und das fertige Teil ist bereit, die Asche sofort zu entfernen.

3. Chemisches Gravieren

Leiterkarten, andere Gravurarbeiten und das Schneiden komplexer Designs können mit Fotolack-Maskiermitteln chemisch ausgeStanzt werden.

• Sehr dünne Metalle (0,005 mm) können gut bearbeitet werden.
• Hohe Genauigkeit im Bereich von ±0,015 mm kann gehalten werden.
• Hohe Produktionsraten können durch automatisierte fotografische Techniken erreicht werden.

Anwendungen des chemischen Bearbeitens

• CHM wird dort eingesetzt, wo die Tiefe der Metallabtragung auf wenige Mikrometer entscheidend ist und enge Toleranzen herrschen.
• Die erreichbare Oberflächengüte liegt im Bereich von 0,5 bis 2 Mikrometern.
• Es entfernt Metall von einem Teil der gesamten Oberfläche von geformten oder unregelmäßig geformten Teilen wie Schmiedeteilen, Gussteilen, Extrudaten oder umgeformten Walzprodukten.
• Eine Hauptanwendung ist die Herstellung von gratfreien, komplexen Stanzteilen.

Vor- und Nachteile des chemischen Bearbeitens

• Vorteile: Das Werkstück wird nicht verformt, es entstehen keine Grate, und es kann leicht an schwer zerspanbaren Materialien angewendet werden.
• Nachteile: Der Prozess ist langsam und daher normalerweise nicht für große Stückzahlen oder Materialien dicker als 2 mm geeignet.
• Kleine Teile können jedoch 10 bis 100 Stück gleichzeitig auf einer Platte gefertigt werden, was die Produktion beschleunigt.