Was ist chemisches Ätzen und wie funktioniert es?

Die Wahl der richtigen Technologie hängt nicht nur von der Art des zu bearbeitenden Metalls ab, sondern auch von dessen Dicke, der geforderten Schnittqualität und der Geschwindigkeit, mit der der Fertigungsvorgang abgeschlossen werden muss.

Letzten Endes spielen jedoch bei der Auswahl des Verfahrens einige Gegebenheiten eine Rolle. Die Kosten pro Teil und die Qualität sind wichtige und ziemlich universelle Faktoren, und dem Kunden allein obliegt die Bewertung des Erfolgs der letztendlich gewählten Fertigungstechnologie.

Was ist die Ätztechnik

Chemisches Ätzen ist eine Metallverarbeitungstechnologie, die spannungsfreie, flache Komponenten durch selektives Ätzen durch eine Fotolackmaske herstellt. Es eignet sich besonders gut für die Herstellung von Präzisionsteilen wie Gittern und Maschen, Leiterrahmen, bipolaren Brennstoffzellen und Plattenwärmetauschern, Präzisionsfedern, Unterlegscheiben und Dichtungen sowie dekorativen Teilen wie Innenverkleidungen von Kraftfahrzeugen.

Der Ätzprozess Schritt für Schritt

• Zunächst wird das Blech gereinigt und dann mit Photoresist, einem lichtempfindlichen Polymer, beschichtet.
• Der Fotolack wird dann mit UV-Licht bestrahlt, wodurch das CAD-Bild des Bauteils übertragen wird.
• Bereiche mit unbelichtetem Resist werden entfernt (entwickelt), um das Rohmetall freizulegen
• Das Blech wird mit einem chemischen Ätzmittel besprüht, wodurch das ungeschützte Metall selektiv entfernt wird.
• Der restliche Fotolack wird entfernt (Striping), um das endgültige geätzte Bauteil freizulegen

Vorteile gegenüber der traditionellen Blechbearbeitung

Im Vergleich zu konventionellen Produktionsverfahren hat das chemische Ätzen eine Reihe von Vorteilen, darunter die Fähigkeit, Teile ohne Verschlechterung der Materialeigenschaften herzustellen, die Tatsache, dass es fast keine Grenzen für die Komplexität der Teile gibt, und die Möglichkeit, eine große Bandbreite von Metallen und Legierungen zu verarbeiten.

Für das Ätzen geeignete Metalle sind:

• Austenitische, ferritische und martensitische Stähle
• Kupfer, Messing und Nickel
• Schwer zu bearbeitende Metalle wie Titan und Aluminium
• Hochwarmfeste Legierungen wie Inconel

Jede der konventionellen Bearbeitungstechnologien weist eine Reihe von Nachteilen auf, wie z. B. die Zersetzung des zu bearbeitenden Materials durch starke Stöße oder - im Falle des Laserschneidens - die starke Hitzeeinwirkung. Der andere wichtige Unterschied liegt jedoch im Bereich der Werkzeuge, was durch einen Vergleich zwischen chemischem Ätzen und Stanzen veranschaulicht werden kann. Die Werkzeuge für das chemische Ätzen sind digital, so dass es nicht notwendig ist, teure und schwer anpassbare Stahlformen zu schneiden. Dies bedeutet, dass große Mengen von Produkten mit absolut keinem Werkzeugverschleiß reproduziert werden können, wodurch sichergestellt wird, dass das erste und das millionste produzierte Teil exakt gleich sind.

Da es sich um ein "virtuelles" Werkzeug handelt, kann es extrem schnell und kostengünstig angepasst und geändert werden, so dass es sich ideal für alles eignet, von Prototypen bis hin zu großen Serien. Dies ermöglicht eine Optimierung des Designs ohne finanzielle Einbußen, trägt zu einer risikoarmen Einstiegsstrategie bei und erleichtert die Produktaktualisierung. Die Durchlaufzeit von Fotowerkzeugen ist etwa 90 % kürzer als die von Stanzteilen. Das Stanzen erfordert erhebliche Investitionen in die Formenherstellung, die nicht nur kostspielig ist, sondern in manchen Fällen auch sechs bis zehn Monate in Anspruch nehmen kann, während das Ätzen nur wenige Stunden dauert.

Die Werkzeuge für das chemische Ätzen sind ein wichtiger Anreiz für die Gestaltungsfreiheit und die Möglichkeit, scheinbar unmöglich komplizierte Produkte herzustellen.

Gestaltungsfreiheit

Die Wirtschaftlichkeit und Anpassungsfähigkeit der Werkzeuge für das chemische Ätzen ist ein entscheidender Anreiz für die Freiheit des Designs, zusammen mit der Möglichkeit, scheinbar unmöglich komplizierte Produkte herzustellen. Die Kosten für die Herstellung von Prototypen sind niedrig, und es gibt keine Einstiegshürde für diese Technologie, so dass komplexe Entwürfe innerhalb weniger Tage und Entwurfsiterationen innerhalb weniger Stunden hergestellt werden können. Der vielleicht größte Nachteil für die Industrie im Allgemeinen besteht darin, dass das chemische Ätzen in vielen Fällen nicht zum Repertoire einiger Ingenieure gehört und dadurch die Innovation etwas gebremst werden kann. Das chemische Ätzen öffnet die Tür für Innovationen und überwindet die Grenzen, die viele Konstrukteure einschränken, und ermöglicht die Herstellung von Teilen, die viele für unmöglich hielten.

Komplexität ohne Kosten

Viele der heutigen Produkte sind äußerst komplex und auch sehr empfindlich. Geometrische Komplexität und die Forderung nach extrem genauen Toleranzen und Präzision bedeuten, dass das chemische Ätzen nicht nur „ein“ potenziell wünschenswertes Herstellungsverfahren ist, sondern in der Tat die „einzige“ Technologie, mit der bestimmte Produkte hergestellt werden können.

Betrachten wird das Problem der Komplexität einmal genauer.

Beim Stanzen führt die Komplexität der Teile in der Regel zu höheren Kosten, unabhängig davon, ob es sich um geringe, mittlere oder hohe Stückzahlen handelt. Die Komplexität eines Produkts bedeutet die Notwendigkeit eines komplexen Formwerkzeugs, und komplexe Werkzeuge bedeuten höhere Kosten, ein höheres Potenzial für Werkzeugausfälle und längere Vorlaufzeiten für eine zufriedenstellende Fertigstellung. Das chemische Ätzen ist unabhängig von der Komplexität des Werkzeugs, und es macht keinen Unterschied in Bezug auf Kosten oder Durchlaufzeit, wie komplex die Geometrie des Teils und damit die Komplexität des digitalen Werkzeugs ist.

Durch chemisches Ätzen können feinere Details als beim Stanzen hergestellt werden, und das alles bei minimaler oder gar keiner Verschlechterung und Verformung des bearbeiteten Metalls und geringer bis gar keiner Wahrscheinlichkeit von Graten oder Defekten. Die Fehlerquote ist sehr gering, und im Gegensatz zum Stanzverfahren ist jedes hergestellte Teil absolut plan, was bei einigen Anwendungen absolut unerlässlich ist.

Natürlich hat auch das Stanzen seine Berechtigung. Während der „Sweet Spot“ des chemischen Ätzens in der Herstellung komplexer Teile in kleinen bis mittelgroßen Serien liegt, ist das Stanzen bei extrem hohen Stückzahlen, bei denen die Werkzeugkosten vertretbar sind und die Konstruktionen nicht übermäßig komplex sind, in der Regel ein wirtschaftlicheres Verfahren.

Beim Stanzen wird ein Produkt im Wesentlichen durch das Pressen eines Substrats in eine Form hergestellt. Das chemische Ätzen ist ein weitaus komplizierteres Verfahren, weshalb es bei komplexen Geometrien eingesetzt werden kann und ein hohes Maß an Präzision erreicht.