Химическое измельчение - Chemical milling

Химическое фрезерование или промышленное травление - это субтрактивный производственный процесс с использованием ванн с химикатами для травления с регулируемой температурой для удаления материала с целью создания объекта желаемой формы. Другие названия химического травления включают фототравление, химическое травление, фотохимическое травление и фотохимическую обработку . В основном он используется для обработки металлов, хотя все большее значение приобретают другие материалы. Он был разработан на основе процессов декорирования доспехов и гравировки, разработанных в эпоху Возрождения в качестве альтернативы гравировке на металле. Процесс, по существу, включает в себя омывание режущих поверхностей коррозионно-активным химическим веществом, известным как травитель , который вступает в реакцию с материалом в зоне разреза и вызывает растворение твердого материала; инертные вещества, известные как масканты , используются для защиты определенных участков материала в качестве резиста .

История

Травленная, частично ржавая и позолоченная полудоспехи из стали, латуни, кожи и текстиля.

Органические химические вещества, такие как молочная кислота и лимонная кислота, использовались для травления металлов и создания продуктов еще в 400 г. до н.э., когда уксус использовался для коррозии свинца и создания пигмента церузы , также известного как белый свинец . В большинстве современных химических методов измельчения используются щелочные травители; возможно, они использовались еще в первом веке нашей эры.

Травление брони с использованием сильных минеральных кислот не было разработано до пятнадцатого века. Травы, смешанные с солью, углем и уксусом, наносили на пластинчатые доспехи, окрашенные маскирующей краской на основе льняного масла. Травитель будет вгрызаться в незащищенные участки, в результате чего окрашенные участки становятся рельефными . Такое травление позволяло декорировать доспехи, как если бы они были нанесены точной гравировкой, но без заусенцев ; это также предотвратило необходимость того, чтобы доспех был мягче гравировального инструмента. В конце семнадцатого века травление стало использоваться для нанесения градуировки на измерительных приборах; тонкость линий, которые могло быть произведено травлением, позволила изготавливать более точные и точные инструменты, чем это было возможно раньше. Вскоре после этого он стал использоваться для гравировки табличек с информацией о траектории для артиллерийских и артиллерийских орудий ; бумага редко переживала суровые условия боя, но гравированная пластина могла быть довольно прочной. Часто такая информация ( как правило , в диапазоне меток) был травление на оборудование , таком как шпильки крестики или лопату.

В 1782 году Джон Сенебьер сделал открытие, что некоторые смолы теряют растворимость в терпентине при воздействии света; то есть они закалились. Это позволило развить фотохимическое фрезерование , при котором жидкий маскирующий агент наносится на всю поверхность материала, а контур маскируемой области создается путем воздействия ультрафиолетового света. Фотохимическое фрезерование широко использовалось в развитии методов фотографии, позволяя свету создавать отпечатки на металлических пластинах.

Одно из первых применений химического травления для фрезерования промышленных деталей было в 1927 году, когда шведская компания Aktiebolaget Separator запатентовала метод изготовления краевых фильтров путем химического фрезерования зазоров в фильтрах. Позже, примерно в 1940-х годах, он стал широко использоваться для обработки тонких образцов очень твердого металла; Фототравление с обеих сторон использовалось для резки листового металла, фольги и прокладок для создания прокладок, регистрации тепловых ударов и других компонентов.

Приложения

Травление находит применение в производстве печатных плат и полупроводников . Он также используется в аэрокосмической промышленности для удаления мелких слоев материала с крупных компонентов самолетов, панелей обшивки ракет и экструдированных деталей для корпусов самолетов. Травление широко используется при производстве интегральных схем и микроэлектромеханических систем . В дополнение к стандартным жидкостным методам в полупроводниковой промышленности обычно используется плазменное травление .

Процесс

Химическое измельчение обычно выполняется в пять этапов: очистка, маскирование, скрайбирование, травление и снятие маски. Видео процесса химического измельчения Подробнее о видео

Уборка

Очистка - это подготовительный процесс, позволяющий убедиться, что на протравляемой поверхности нет загрязнений, которые могут отрицательно повлиять на качество готовой детали. Неправильно очищенная поверхность может привести к плохой адгезии маскирующего средства, что приведет к ошибочному травлению участков, или к неравномерной скорости травления, что может привести к неточным окончательным размерам. На поверхности не должно быть масел, смазок, грунтовочных покрытий, маркировок и других остатков процесса разметки , окалины (окисления) и любых других посторонних загрязнений. Для большинства металлов этот этап может быть выполнен путем нанесения растворителя на поверхность, которую нужно протравить, смывая посторонние загрязнения. Материал также можно погрузить в щелочные очистители или специальные деокислительные растворы. В современных промышленных установках для химического травления обычной практикой является запрет на непосредственное обращение с заготовкой после этого процесса, поскольку масла с кожи человека могут легко загрязнить поверхность.

Маскировка

Маскирование - это процесс нанесения маскирующего материала на поверхность, чтобы гарантировать протравливание только желаемых участков. Жидкие маскирующие средства можно наносить методом окунания, при котором деталь погружается в открытый резервуар с маскирующим средством, а затем маскант сушится. Маскант также можно наносить методом обливания: жидкий маскант растекается по поверхности детали. Определенные токопроводящие маскирующие средства также можно наносить электростатическим осаждением , когда электрические заряды прикладываются к частицам масканта по мере его распыления на поверхность материала. Заряд заставляет частицы масканта прилипать к поверхности.

Типы маскантов

Используемый маскант определяется в первую очередь химическим веществом, используемым для травления материала, и самим материалом. Маскирующий агент должен прилипать к поверхности материала, а также должен быть достаточно химически инертным по отношению к травителю, чтобы защитить заготовку. Большинство современных химических процессов фрезерования используют maskants с адгезией около 350 г см ^-1 ; если адгезия слишком сильная, процесс разметки может оказаться слишком сложным для выполнения. Если адгезия слишком низкая, площадь травления может быть определена неточно. На большинстве промышленных предприятий химического помола используются маскирующие средства на основе неопреновых эластомеров или сополимеров изобутилена и изопрена.

Разметка

Скрайбирование - это удаление маскирующего средства на протравливаемых участках. В декоративных целях это часто делается вручную с помощью разметочного ножа, иглы для травления или аналогичного инструмента; современные промышленные приложения могут включать разметку оператором с помощью шаблона или использование числового программного управления для автоматизации процесса. Для деталей, требующих нескольких этапов травления, могут использоваться сложные шаблоны с использованием цветовых кодов и аналогичные устройства.

Травление

Травление - это погружение детали в химическую ванну и воздействие химиката на фрезерованную деталь. Время, проведенное в химической ванне, определяет глубину полученного травления; это время рассчитывается по формуле:

{\ displaystyle E = {\ frac {s} {t}}}

где E - скорость травления (обычно сокращенно - скорость травления ), s - требуемая глубина реза, а t - общее время погружения. Скорость травления зависит от таких факторов, как концентрация и состав травителя, материал для травления и температурные условия. Из-за непостоянства, скорость травления часто определяется экспериментально непосредственно перед процессом травления. Небольшой образец разрезаемого материала с такими же характеристиками материала, условиями термообработки и примерно такой же толщины протравливается в течение определенного времени; по истечении этого времени измеряется глубина травления и используется вместе со временем для расчета скорости травления. Алюминий обычно травится со скоростью около 0,178 см / ч , а магний - около 0,46 см / ч.

Демаскирование

Демаскирование - это процесс очистки части травителя и масканта. Травление обычно удаляется чистой холодной водой. Ванна для раскисления также может потребоваться в том общем случае, когда в процессе травления на поверхности материала остается оксидная пленка. Для удаления маскирующего средства можно использовать различные методы, наиболее распространенным из которых является удаление вручную с помощью соскоба. Это часто требует времени и усилий, а для крупномасштабных процессов может быть автоматизировано.