Zehn Dinge, die Sie wissen müssen, bevor Sie fotochemisches Ätzen verwenden

Das fotochemische Ätzen ist eine vielseitige, hochentwickelte Metallbearbeitungstechnologie mit der Möglichkeit, komplexe, funktionsreiche Metallteile und Komponenten in Massenfertigung herzustellen. Der Prozess verwendet Fotolack und Ätzmittel, um ausgewählte Bereiche präzise chemisch zu bearbeiten und zeichnet sich durch die Beibehaltung der Materialeigenschaften, gratfreie und spannungsfreie Teile mit sauberen Profilen und keine Wärmeeinflusszonen aus.

In dieser Frage-und-Antwort-Runde erörtert Dr. Angel Lopez, Leiter Geschäftsentwicklung bei der micrometal GmbH, einem der führenden PCE-Ätzspezialisten in Europa, welche Überlegungen Konstrukteure bei der Arbeit mit PCE berücksichtigen müssen.

Q.Was sind Ihrer Meinung nach die Schlüsselmerkmale von PCE?

AL. PCE ist eine Technologie, die äußerst komplexe Metallkomponenten ohne Grate und spannungsbedingte Probleme herstellt, die bei anderen Metallherstellungstechnologien häufig auftreten. Dies liegt an der Art des Prozesses, bei dem Material selektiv durch chemisches Ätzen und nicht durch mechanisches Stanzen oder Hochtemperatur-Laserschneiden entfernt wird. Es ist auch insofern außergewöhnlich, als es durch den Einsatz kostengünstiger und einfach zu konstruierender digitaler oder Glaswerkzeuge funktioniert, d nahezu kostenlos.

Wenn es jedoch um Konstrukteure geht und darum, wie sie ihre Arbeit anpassen, um PCE optimal zu nutzen, sind die Grenzen, die der Prozess verschiebt, von entscheidender Bedeutung. Man kann mit Fug und Recht sagen, dass PCE für viele Anwendungen die einzige Technologie ist, die die Detailgenauigkeit und Wiederholgenauigkeit erreichen kann, die zunehmend von OEMs in allen Industriesektoren gefordert wird, und daher kann man sagen, dass PCE Produktinnovationen stimuliert. Ein großartiger Ort für jede Technologie!

Q.Was müssen Konstrukteure über die Materialien wissen, mit denen PCE verwendet werden kann?

AL. PCE kann auf eine Vielzahl von Metallen unterschiedlicher Qualität, Härte und Breite in Dicken von 0,01 bis 0,4 mm für das Ätzen von Rolle zu Rolle und bis zu 2 mm Dicke für das Ätzen von Blechen aufgetragen werden. Micrometal kann auf Kundenwunsch von Fall zu Fall Spezialmaterialien liefern. Zu den Metallen gehören Stahl und rostfreie Stähle, Nickel und Nickellegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen, Aluminium sowie schwer zerspanbare Metalle, einschließlich hoch korrosionsbeständiger Materialien wie Titan und seine Legierungen.

Q.Was kann PCE bei der Herstellung kleiner Metallteile leisten?

AL. Viele Anwendungen erfordern, dass Präzisionsmetallkomponenten bestimmte Eigenschaften aufweisen, darunter: ultrahohe Präzision; sehr dünnes Material; einzigartige körperliche Merkmale; einzigartige Oberflächentexturen; Identifikationsmerkmale; extreme Konsistenz von Teil zu Teil; einfache Integration in das Endgerät; und wettbewerbsfähige Kosten. Es ist oft eine große Herausforderung, die Kombination dieser Eigenschaften auszubalancieren und gleichzeitig die Kosten aufrechtzuerhalten und die Anforderungen an das Produktionsvolumen zu erfüllen. Micrometal hat diese Herausforderungen durch den Einsatz innovativer Techniken (siehe unten), umfassender Designfähigkeiten und der weltweit größten kommerziellen Reel-to-Reel-Ätzlinie konsequent gemeistert. Der Rolle-zu-Rolle-Produktionsprozess zeichnet sich durch eine hervorragende Reproduzierbarkeit und die Einhaltung sehr enger Toleranzen aus und erzeugt feinste Strukturen und Konturen aus dünnen Blechen. Dieses einzigartige Ätzverfahren garantiert somit individuelle Kundenlösungen im industriellen Maßstab.

Die bis zu 800 Meter langen Metallbänder auf Spulen erfreuen sich vor allem in Branchen großer Beliebtheit, die bereits über einen hohen Automatisierungsgrad in der Weiterverarbeitung verfügen. Beispielsweise können die geätzten Teile selektiv beschichtet oder per „Pick & Place“ am endgültigen Verwendungsort eingesetzt werden, Verfahren, die in der Medizintechnik und Automobilindustrie beliebt sind.

Durch zusätzliche Markierung, Nummerierung oder Codierung können geätzte Produkte problemlos und automatisiert weiterverarbeitet werden.

Q.Welche Toleranzen können erreicht werden?

AL. Micrometals einzigartige Variante des PCE-Prozesses beinhaltet die Verwendung eines sehr dünnen proprietären flüssigen Fotolacks (2–8 Mikrometer dick) und hochauflösender Glas-Fotomaskenwerkzeuge. Diese Kombination ermöglicht eine äußerst präzise Steuerung des Ätzprozesses und ermöglicht Konfigurationen, Merkmale und Toleranzen, die mit anderen Methoden wie Stanzen, Laserbearbeitung oder herkömmlichem PCE nicht erreicht werden können. 3-dimensionale Merkmale können in die Dicke des Materials selbst geätzt werden und Maßtoleranzen von nur +/-0,005 mm können erreicht werden.

Das Unternehmen kann extrem kleine Strukturgrößen von 25 Mikrometern, einen minimalen Lochdurchmesser von 80 % der Materialstärke und wiederholbare Toleranzen im einstelligen Mikrometerbereich erreichen. Herkömmliches PCE verwendet einen relativ dicken Trockenfilm-Resist, der die ultimative Teilepräzision und die verfügbaren Toleranzen beeinträchtigt, und es ist nur in der Lage, die kleinste Strukturgröße von 100 Mikrometern zu erreichen, und der kleinste Lochdurchmesser beträgt im Vergleich zur Materialdicke einen Faktor von 1–2 .

Q.Können beim Laserschneiden keine noch engeren Toleranzen eingehalten werden?

AL. Ja und nein. Beim Laserschneiden können Toleranzen von 5 % der Metalldicke erreicht werden, häufig ist die Strukturgröße jedoch auf 0,2 mm beschränkt. Da es sich beim Laserschneiden um eine „Einzelpunkt“-Bearbeitungstechnologie handelt, ist es für immer komplexere Teile auch unverhältnismäßig teuer und kann nicht die für Mikrofluidikgeräte erforderlichen Tiefeneigenschaften erreichen. Zuallererst müssen Sie bei der Verwendung von PCE bedenken, dass eine erhöhte Komplexität nicht mit höheren Kosten einhergeht.

Q. Wir hören viel über PCE, das Grate und Spannungen beseitigt, die bei anderen Prozessen auftreten. Warum ist das?

AL. Nun, denken Sie an das Stanzen, das wahrscheinlich die Blechbearbeitungstechnologie ist, die der Herstellung von Produktionsteilen so anspruchsvoll und kompliziert wie denen, die wir mit PCE herstellen können, am nächsten kommt. Beim Stanzen werden Teile aus Metall hergestellt, indem sie buchstäblich unter extremem Druck gestanzt werden, bei modernen Maschinen oft über 100 Tonnen Druck. Dies führt zu Veränderungen im zu verarbeitenden Metall und an den Kanten des gestanzten Metalls treten häufig Grate auf. Diese Grate müssen entfernt werden, was kostspielige und zeitaufwändige Nachbearbeitungsvorgänge bedeutet. PCE ist ein subtraktiver Prozess, bei dem Metall mithilfe chemischer Ätzmittel Atom für Atom entfernt wird, so dass es zu keiner Scherung oder thermischen Veränderung des Materials kommt, was bedeutet, dass keine Grate und Wärmeeinflusszonen entstehen.

Q. In jedem Herstellungsprozess sind die Vorlaufzeiten für die Werkzeugausstattung und die Werkzeugkosten von enormer Bedeutung. Ist das bei PCE der Fall?

AL. Sie haben Recht, die Werkzeuge für die meisten Metallbearbeitungstechnologien erfordern harten Werkzeugstahl, dessen Herstellung teuer und zeitaufwändig ist. Auch hier hat PCE offensichtliche Vorteile, und bei Micrometal verwenden wir hochauflösende Glas-Fotomaskenwerkzeuge, die kostengünstig herzustellen und sehr einfach anzupassen sind.

Die Kosten für Glaswerkzeuge steigen nicht wesentlich mit der Komplexität der Teile, was bei Stahlwerkzeugen natürlich nicht der Fall ist. Darüber hinaus verschleißen Glaswerkzeuge nicht, sie verursachen keine Verformungen und Spannungen auf das zu verarbeitende Metall und erzeugen völlig flache Teile. In vielen Fällen wird über PCE ein Teil in großen Mengen hergestellt, bevor der Werkzeughersteller überhaupt den Knopf für die Herstellung eines Stahlwerkzeugs gedrückt hat, was dann bis zur Fertigstellung eine Vorlaufzeit von mehreren Monaten haben kann.

Q. Heutzutage streben Hersteller nach Effizienz, aber auch nach Kosteneffizienz in der Fertigung. Wie schneidet PCE in dieser Hinsicht ab?

AL. Viele OEMs entscheiden sich allein aufgrund der Kosteneffizienz für PCE als Produktions- oder Prototyping-Technologie. Ich habe erwähnt, dass der Prozess unabhängig von der Teilekomplexität ist, aber bedenken Sie auch, dass Sie bei PCE nach Blech und nicht nach Teil zahlen, was bedeutet, dass Komponenten mit unterschiedlichen Geometrien gleichzeitig aus einem Satz Digital- oder Glasplatten bearbeitet werden können Werkzeuge. Durch die Möglichkeit, viele verschiedene Teile in einem Produktionsdurchgang herzustellen, sind die Kosteneinsparungen enorm. In Verbindung mit der Tatsache, dass keine Ausgaben für kostspielige Stahlwerkzeuge erforderlich sind, liegen die mit dem System verbundenen Gesamteinsparungen auf der Hand.

Q.Was ist der Schlüssel zum Erfolg bei der Zusammenarbeit mit PCE-Spezialisten?

AL. Das ist eine gute Frage, und ich würde sagen, dass das PCE-Unternehmen, das Sie wählen, in erster Linie als Produktentwicklungspartner behandelt werden sollte und nicht nur als Unterauftragsbetrieb, an den Sie die Fertigung auslagern können. Es gibt so viele inhärente Vorteile des Prozesses und Aspekte, die zum Nutzen der Komponentenfertigung genutzt werden können, dass sich die Einbeziehung des PCE-Spezialisten schon früh in der Entwurfsphase auszahlt. Von diesem Punkt an ist jedoch die Erfahrung der Schlüssel.

Das Unternehmen ist seit über einem Jahrzehnt aktiv und Vorreiter bei der Nutzung von PCE und hat als solches eine Wissensbasis und Expertise aufgebaut, die ihresgleichen sucht. Wir haben darüber gesprochen, dass PCE auf einer Vielzahl von Metallen eingesetzt werden kann, aber das ist nicht bei allen PCE-Unternehmen der Fall und ist das Ergebnis jahrelanger Forschung und Entwicklung in verschiedenen Ätzchemien und der Prozessoptimierung im Allgemeinen. Durch dieses Engagement können wir nun weiche, harte und spröde Metalle sowie schwierige Materialien wie Aluminium verarbeiten. Darüber hinaus wurden proprietäre Verfahren entwickelt, wodurch wir eines der wenigen Unternehmen weltweit sind, das Titan fotochemisch ätzen kann.

Q. Sie erwähnen, dass OEMs und Konstrukteure mit den PCE-Spezialisten ihrer Wahl zusammenarbeiten sollten. Geben Sie uns ein Beispiel dafür, was eine solche Beziehung für die Produktentwicklung bieten kann.

AL. Schauen wir uns etwas an, das Teil des PCE-Prozesses ist und niemand ohne ein tiefes Verständnis der Technologie wie Mikrometall kennen würde. Die Art und Weise, wie PCE funktioniert, besteht darin, dass während des Prozesses eine „Kantenspitze“ erzeugt wird. Das Bewusstsein dafür und die Fähigkeit von Micrometal, dies zu kontrollieren, bedeutet, dass wir eine Reihe von Profilen herstellen können, die zur Verbesserung der Produkteigenschaften verwendet werden können. Ohne eine enge Absprache mit Ihrem PCE-„Partner“ würden solche Möglichkeiten verloren gehen und es könnten suboptimale Produkte entstehen.

Stoffe mit metallischen Eigenschaften, die aus zwei oder mehr chemischen Elementen bestehen, von denen mindestens eines ein Metall ist.

Kupfer, dem bestimmte Mengen an Legierungselementen zugesetzt werden, um die erforderlichen mechanischen und physikalischen Eigenschaften zu erhalten. Die gebräuchlichsten Kupferlegierungen werden in sechs Gruppen eingeteilt, und jede Gruppe enthält eines der folgenden Hauptlegierungselemente: Messing – Hauptlegierungselement ist Zink; Phosphorbronzen – Hauptlegierungselement ist Zinn; Aluminiumbronzen – Hauptlegierungselement ist Aluminium; Siliziumbronzen – Hauptlegierungselement ist Silizium; Kupfer-Nickel und Neusilber – Hauptlegierungselement ist Nickel; und verdünntes Kupfer oder Legierungen mit hohem Kupfergehalt, die geringe Mengen verschiedener Elemente wie Beryllium, Cadmium, Chrom oder Eisen enthalten.

Flache Oberfläche, die in den Schaft eines Schneidwerkzeugs eingearbeitet ist, um den Halt des Werkzeugs zu verbessern.

Verstärkte, gepulste Lichtstrahlen, die von Lasern – typischerweise Kohlendioxid oder Neodium-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG) – erzeugt werden, die bohren, schweißen, gravieren, markieren, schlitzen und einsatzhärten. Normalerweise unter CNC, oft sowohl mit hohen Schnittgeschwindigkeiten (100 lineare Zoll/Sek.) als auch mit hoher Leistung (5 kW oder mehr). Laser werden auch in Verbindung mit prozessbegleitenden Qualitätskontrollüberwachungssystemen verwendet, die Messgenauigkeiten von 0,00001 Zoll ermöglichen.

Jeder Herstellungsprozess, bei dem Metall so bearbeitet oder bearbeitet wird, dass das Werkstück eine neue Form erhält. Im weitesten Sinne umfasst der Begriff Prozesse wie Design und Layout, Wärmebehandlung, Materialhandhabung und Inspektion.

Längenmaß, das einem Millionstel Meter entspricht.

Edelstähle zeichnen sich durch hohe Festigkeit, Hitzebeständigkeit, hervorragende Bearbeitbarkeit und Erosionsbeständigkeit aus. Es wurden vier allgemeine Klassen entwickelt, um eine Reihe mechanischer und physikalischer Eigenschaften für bestimmte Anwendungen abzudecken. Die vier Klassen sind: die austenitischen Typen der Chrom-Nickel-Mangan-Reihe 200 und der Chrom-Nickel-Reihe 300; die martensitischen Typen der verchromten, härtbaren 400er-Reihe; die aus Chrom bestehenden, nicht härtbaren ferritischen Typen der 400er-Serie; und der ausscheidungshärtende Typ von Chrom-Nickel-Legierungen mit zusätzlichen Elementen, die durch Lösungsbehandlung und Alterung härtbar sind.