Chemisches Mahlen - Chemical milling

"Industrielle Ätzung" leitet hier weiter. Für andere Verwendungen siehe Ätzen (Begriffsklärung) .

Chemisches Fräsen oder industrielles Ätzen ist der subtraktive Herstellungsprozess , bei dem Bäder mit temperaturgeregelten Ätzchemikalien verwendet werden, um Material zu entfernen, um ein Objekt mit der gewünschten Form zu erzeugen. Andere Namen für chemisches Ätzen sind Fotoätzen, chemisches Ätzen, fotochemisches Ätzen und fotochemische Bearbeitung . Es wird hauptsächlich auf Metallen verwendet, obwohl andere Materialien immer wichtiger werden. Es wurde aus Rüstungsdekorations- und Druckätzverfahren entwickelt, die während der Renaissance als Alternative zum Gravieren auf Metall entwickelt wurden. Das Verfahren besteht im Wesentlichen darin, die Schneidbereiche in eine korrosive Chemikalie, die als Ätzmittel bekannt ist , zu baden , die mit dem Material im zu schneidenden Bereich reagiert und bewirkt, dass das feste Material aufgelöst wird; Inertstoffe als bekannte Maskierungsmittel sind zum Schutz der spezifischen Bereiche des Materials verwendeten Resists .

Geschichte

Eine geätzte und teilweise berostete und vergoldete Halbrüstung aus Stahl, Messing, Leder und Textilien

Organische Chemikalien wie Milchsäure und Zitronensäure wurden bereits 400 v. Chr. zum Ätzen von Metallen und zur Herstellung von Produkten verwendet, als Essig verwendet wurde, um Blei zu korrodieren und das Pigment Ceruse , auch als Bleiweiß bekannt, zu erzeugen . Die meisten modernen chemischen Mahlverfahren verwenden alkalische Ätzmittel; diese könnten bereits im ersten Jahrhundert n. Chr. verwendet worden sein.

Die Rüstungsätzung mit starken Mineralsäuren wurde erst im 15. Jahrhundert entwickelt. Ätzmittel aus Salz, Holzkohle und Essig wurden auf Plattenpanzer aufgetragen, die mit einem Maskierungsmittel aus Leinölfarbe bemalt worden waren. Das Ätzmittel würde in die ungeschützten Bereiche beißen, wodurch die lackierten Bereiche ins Relief gehoben würden . Das Ätzen auf diese Weise ermöglichte es, Rüstungen wie mit einer präzisen Gravur zu verzieren, aber ohne das Vorhandensein von erhöhten Graten ; es verhinderte auch, dass die Rüstung weicher als ein Gravierwerkzeug sein musste. Ende des 17. Jahrhunderts wurde die Radierung verwendet, um die Graduierung auf Messinstrumenten herzustellen; die dünnen Linien, die durch Ätzen erzeugt werden konnten, ermöglichten die Herstellung präziserer und genauerer Instrumente als dies zuvor möglich war. Nicht lange danach wurde es verwendet, um Flugbahn-Informationstafeln für Kanonen- und Artillerieführer zu ätzen ; Papier würde den Härten des Kampfes selten standhalten, aber eine geätzte Platte konnte ziemlich haltbar sein. Oft wurden solche Informationen (normalerweise Entfernungsmarkierungen) auf Ausrüstungsgegenstände wie Stilettodolche oder Schaufeln geätzt .

1782 machte John Senebier die Entdeckung, dass bestimmte Harze ihre Löslichkeit in Terpentin verloren, wenn sie Licht ausgesetzt wurden; das heißt, sie sind gehärtet. Dies ermöglichte die Entwicklung des photochemischen Fräsens , bei dem ein flüssiges Maskierungsmittel auf die gesamte Oberfläche eines Materials aufgetragen und der Umriss des zu maskierenden Bereichs durch Belichten mit UV-Licht erzeugt wird. Photochemisches Fräsen wurde in großem Umfang bei der Entwicklung von Fotografiemethoden verwendet, die es dem Licht ermöglichten, Eindrücke auf Metallplatten zu erzeugen.

Eine der frühesten Anwendungen des chemischen Ätzens zum Fräsen von kommerziellen Teilen war 1927, als das schwedische Unternehmen Aktiebolaget Separator ein Verfahren zur Herstellung von Kantenfiltern durch chemisches Fräsen der Spalten in den Filtern patentierte. Später, um die 1940er Jahre, wurde es weit verbreitet, um dünne Proben von sehr hartem Metall zu bearbeiten; Fotoätzen von beiden Seiten wurde verwendet, um Bleche, Folien und Unterlegscheiben zu schneiden, um Unterlegscheiben zu erstellen, Hitzebünde und andere Komponenten aufzuzeichnen.

Anwendungen

Das Ätzen hat Anwendungen in der Leiterplatten- und Halbleiterherstellungsindustrie . Es wird auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet, um flache Materialschichten von großen Flugzeugkomponenten, Raketenverkleidungen und extrudierten Teilen für Flugzeugzellen zu entfernen. Ätzen wird weit verbreitet verwendet, um integrierte Schaltkreise und mikroelektromechanische Systeme herzustellen . Zusätzlich zu den standardmäßigen flüssigkeitsbasierten Techniken verwendet die Halbleiterindustrie häufig Plasmaätzen .

Prozess

Chemisches Fräsen wird normalerweise in einer Reihe von fünf Schritten durchgeführt: Reinigen, Maskieren, Ritzen, Ätzen und Demaskieren. Video zum chemischen Mahlprozess Erfahren Sie mehr über das Video

Reinigung

Die Reinigung ist der vorbereitende Prozess, um sicherzustellen, dass die zu ätzende Oberfläche frei von Verunreinigungen ist, die die Qualität des Fertigteils beeinträchtigen könnten. Eine unsachgemäß gereinigte Oberfläche könnte zu einer schlechten Haftung des Maskierungsmittels führen, wodurch Bereiche fehlerhaft geätzt werden, oder eine ungleichmäßige Ätzrate, was zu ungenauen Endabmessungen führen könnte. Die Oberfläche muss frei von Ölen, Fetten, Grundierungen, Markierungen und anderen Rückständen aus dem Anreißvorgang , Zunder (Oxidation) und anderen Fremdverunreinigungen sein. Bei den meisten Metallen kann dieser Schritt durch Auftragen einer Lösungsmittelsubstanz auf die zu ätzende Oberfläche durchgeführt werden, wodurch Fremdverunreinigungen weggespült werden. Das Material kann auch in alkalische Reiniger oder spezielle Desoxidationslösungen getaucht werden. In modernen industriellen chemischen Ätzanlagen ist es gängige Praxis, dass das Werkstück nach diesem Prozess nie direkt gehandhabt wird, da Öle der menschlichen Haut leicht die Oberfläche kontaminieren können.

Maskierung

Maskieren ist der Vorgang des Aufbringens des Maskierungsmaterials auf die Oberfläche, um sicherzustellen, dass nur gewünschte Bereiche geätzt werden. Flüssige Maskierungsmittel können durch Tauchmaskierung aufgetragen werden, bei der das Teil in einen offenen Tank mit Maskierungsmittel getaucht und dann das Maskierungsmittel getrocknet wird. Maskierungsmittel können auch durch Fluten aufgetragen werden: flüssiges Maskierungsmittel wird über die Oberfläche des Teils geströmt. Bestimmte leitfähige Maskierungsmittel können auch durch elektrostatische Abscheidung aufgebracht werden , wobei elektrische Ladungen auf Maskierungsmittelpartikel aufgebracht werden, wenn diese auf die Oberfläche des Materials gesprüht werden. Die Ladung bewirkt, dass die Partikel des Maskierungsmittels an der Oberfläche haften.

Maskierende Typen

Das zu verwendende Maskierungsmittel wird hauptsächlich durch die zum Ätzen des Materials verwendete Chemikalie und das Material selbst bestimmt. Das Maskierungsmittel muss an der Oberfläche des Materials haften und es muss auch gegenüber dem Ätzmittel chemisch inert genug sein, um das Werkstück zu schützen. Die meisten modernen chemischen Mahlverfahren verwenden Maskierungsmittel mit einer Haftung um 350 g cm -1 ; Wenn die Haftung zu stark ist, kann der Ritzvorgang zu schwierig durchzuführen sein. Bei zu geringer Haftung kann der Ätzbereich ungenau definiert werden. Die meisten industriellen chemischen Fräsen Einrichtungen verwenden Maskierungsmittel auf der Basis Neopren - Elastomeren oder Isobutylen-Isopren - Copolymere.

Anschreiben

Ritzen ist das Entfernen von Maskierungsmittel auf den zu ätzenden Bereichen. Bei dekorativen Anwendungen geschieht dies oft von Hand unter Verwendung eines Ritzmessers, einer Ätznadel oder eines ähnlichen Werkzeugs; Bei modernen industriellen Anwendungen kann ein Bediener mit Hilfe einer Schablone schreiben oder den Prozess mit einer numerischen Computersteuerung automatisieren. Für Teile mit mehreren Ätzschritten können komplexe Schablonen unter Verwendung von Farbcodes und ähnlichen Vorrichtungen verwendet werden.

Radierung

Ätzen ist das Eintauchen des Teils in das Chemikalienbad und die Einwirkung der Chemikalie auf das zu fräsende Teil. Die Eintauchzeit in das chemische Bad bestimmt die Tiefe der resultierenden Ätzung; diese Zeit wird über die Formel berechnet:

wobei E die Rate des Ätzens (üblicherweise abgekürzt ist Ätzrate ), s die Tiefe des Schnitts erforderlich ist , und t ist die Gesamteintauchzeit. Die Ätzrate variiert basierend auf Faktoren wie der Konzentration und Zusammensetzung des Ätzmittels, dem zu ätzenden Material und den Temperaturbedingungen. Aufgrund ihrer Unbeständigkeit wird die Ätzrate oft unmittelbar vor dem Ätzprozess experimentell bestimmt. Eine kleine Probe des zu schneidenden Materials mit gleicher Materialspezifikation, Wärmebehandlungsbedingung und ungefähr gleicher Dicke wird für eine bestimmte Zeit geätzt; nach dieser Zeit wird die Ätztiefe gemessen und mit der Zeit zur Berechnung der Ätzrate verwendet. Aluminium wird üblicherweise mit Geschwindigkeiten von etwa 0,178 cm/h geätzt und Magnesium mit etwa 0,46 cm/h.

Demaskierung

Demaskierung ist der Prozess des Entfernens des Teils von Ätzmittel und Maskierungsmittel. Das Ätzmittel wird im Allgemeinen mit klarem, kaltem Wasser entfernt. Ein desoxidierendes Bad kann auch in dem allgemeinen Fall erforderlich sein, dass der Ätzprozess einen Oxidfilm auf der Oberfläche des Materials hinterlässt. Zum Entfernen des Maskierungsmittels können verschiedene Verfahren verwendet werden, wobei das gängigste das Entfernen von Hand unter Verwendung von Schabewerkzeugen ist. Dies ist häufig zeit- und arbeitsaufwändig und kann bei großen Prozessen automatisiert werden.

Gängige Ätzmittel

Kupfer im Stranggussverfahren , makrogeätzt
Für Aluminium
Für Stähle

2% Nital ist ein übliches Ätzmittel für unlegierte Kohlenstoffstähle.

Für Kupfer
Für Kieselsäure

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

  • Harris, William T. (1976). Chemisches Fräsen: Die Technologie des Schneidens von Materialien durch Ätzen . Oxford: Clarendon Press. ISBN 0 19 859115 2.