Химическое фрезерование или промышленное травление — это субтрактивный производственный процесс, в котором используются ванны с травильными химикатами с регулируемой температурой для удаления материала и создания объекта желаемой формы. [1] [2] Другие названия химического травления включают фототравление, химическое травление, фотохимическое травление и фотохимическую обработку . В основном его используют для металлов, хотя другие материалы приобретают все большее значение. Он был разработан на основе процессов украшения доспехов и печати, разработанных в эпоху Возрождения в качестве альтернативы гравировке на металле. По сути, этот процесс включает в себя обработку зон резки коррозионным химическим веществом, известным как травитель , который вступает в реакцию с материалом в области резки и вызывает растворение твердого материала; инертные вещества, известные как масканты, используются для защиты определенных участков материала в качестве резистов . [2] [3]
Органические химические вещества, такие как молочная кислота и лимонная кислота, использовались для травления металлов и создания изделий еще в 400 году до нашей эры, когда уксус использовался для разъедания свинца и создания пигмента церуса , также известного как свинцовые белила . [4] Большинство современных методов химического измельчения используют щелочные травители; возможно, они использовались еще в первом веке нашей эры.
Травление доспехов с использованием сильных минеральных кислот не было разработано до пятнадцатого века. Травители, смешанные из соли, древесного угля и уксуса, наносились на пластинчатые доспехи, окрашенные маскирующей краской на основе льняного масла. Травка вгрызалась в незащищенные участки, в результате чего окрашенные участки приобретали рельефность . [4] Травление таким способом позволяло украшать доспехи, как будто с помощью точной гравировки, но без выступающих заусенцев ; это также исключало необходимость того, чтобы броня была мягче, чем инструмент для гравировки. [5] В конце семнадцатого века травление стало использоваться для создания градуировок на измерительных приборах; тонкость линий, которые можно было создавать при травлении, позволяла производить более точные и аккуратные инструменты, чем это было возможно раньше. [6] Вскоре после этого его стали использовать для гравировки табличек с информацией о траектории для операторов пушек и артиллерийских орудий ; бумага редко выдерживала суровые условия боя, но гравированная пластина могла быть весьма прочной. Часто такая информация (обычно знаки дальности) была выгравирована на таком оборудовании, как кинжалы -шпильки или лопаты.
В 1782 году Джон Сенебье сделал открытие, что некоторые смолы теряют растворимость в скипидаре под воздействием света; то есть они ожесточились. Это позволило разработать фотохимическое фрезерование , при котором жидкий маскирующий агент наносится на всю поверхность материала, а контур маскируемой области создается путем воздействия на нее ультрафиолетового света. [7] Фотохимическое фрезерование широко использовалось при разработке методов фотографии, позволяющих свету создавать отпечатки на металлических пластинах.
Одно из первых применений химического травления для фрезерования коммерческих деталей было в 1927 году, когда шведская компания Aktiebolaget Separator запатентовала метод производства краевых фильтров путем химического фрезерования зазоров в фильтрах. [8] 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, записи тепловых ладов и других компонентов. [9]
Травление находит применение в производстве печатных плат и полупроводников . Он также используется в аэрокосмической промышленности [10] для удаления неглубоких слоев материала с крупных компонентов самолетов, панелей обшивки ракет и экструдированных деталей планеров. Травление широко применяется при изготовлении интегральных схем и микроэлектромеханических систем . [10] В дополнение к стандартным жидкостным методам в полупроводниковой промышленности обычно используется плазменное травление .
Химическое фрезерование обычно выполняется в пять этапов: очистка, маскировка, скрайбирование, травление и демаскирование. [2] Видео процесса химического измельчения. Подробнее о видео
Очистка — это подготовительный процесс, позволяющий убедиться, что поверхность, подлежащая травлению, очищена от загрязнений, которые могут отрицательно повлиять на качество готовой детали. [2] [11] Неправильно очищенная поверхность может привести к плохой адгезии маскинта, что приведет к ошибочному травлению участков или к неравномерной скорости травления, что может привести к неточным окончательным размерам. Поверхность должна быть очищена от масел, жиров, грунтовок, маркировки и других остатков процесса разметки , окалины (окисления) и других посторонних загрязнений. Для большинства металлов этот этап можно выполнить путем нанесения на травимую поверхность вещества-растворителя, смывающего посторонние загрязнения. Материал также можно погружать в щелочные чистящие средства или специальные раскисляющие растворы. На современных промышленных предприятиях по химическому травлению принято никогда не прикасаться к заготовке после этого процесса, поскольку масла с человеческой кожи могут легко загрязнить поверхность. [3]
Маскирование — это процесс нанесения маскирующего материала на поверхность, обеспечивающий протравливание только нужных участков. [2] [3] Жидкие маскирующие средства можно наносить методом погружения, при котором деталь погружают в открытый резервуар с маскирующим средством, а затем маскирующее средство высушивается. Маскирующий материал также можно наносить методом обливного покрытия: жидкий маскирующий раствор растекается по поверхности детали. Некоторые проводящие масканты также можно наносить электростатическим осаждением , при котором электрические заряды прикладывают к частицам масканта при его распылении на поверхность материала. Заряд заставляет частицы масканта прилипать к поверхности. [12]
Используемый маскант определяется в первую очередь химическим веществом, используемым для травления материала, и самим материалом. Маскирующий материал должен прилегать к поверхности материала, а также быть достаточно химически инертным по отношению к травителю, чтобы защитить заготовку. [3] В большинстве современных процессов химического измельчения используются маскирующие вещества с адгезией около 350 г см -1 ; если адгезия слишком сильная, процесс разметки может быть слишком трудным для выполнения. Если адгезия слишком низкая, область травления может быть определена неточно. На большинстве промышленных химических предприятий используются маскирующие вещества на основе неопреновых эластомеров или сополимеров изобутилена и изопрена. [13]
Скрайбирование – это удаление маскирующего вещества с участков, подлежащих травлению. [2] В декоративных целях это часто делается вручную с помощью канцелярского ножа, иглы для травления или аналогичного инструмента; современные промышленные приложения могут включать в себя написание оператором с помощью шаблона или использование числового программного управления для автоматизации процесса. Для деталей, требующих многоэтапного травления, могут использоваться сложные шаблоны с цветовыми кодами и подобные устройства. [14]
Травление — это погружение детали в химическую ванну и воздействие химиката на фрезеруемую деталь. [15] Время, проведенное в химической ванне, определяет глубину полученного травления; это время рассчитывается по формуле:
где E — скорость травления (обычно сокращается до скорости травления ), s — необходимая глубина разреза, а t — общее время погружения. [10] [15] Скорость травления варьируется в зависимости от таких факторов, как концентрация и состав травителя, материал, подлежащий травлению, и температурные условия. Из-за непостоянного характера скорость травления часто определяют экспериментально непосредственно перед процессом травления. Небольшой образец разрезаемого материала с той же характеристикой материала, состоянием термообработки и примерно одинаковой толщины травится в течение определенного времени; по истечении этого времени измеряется глубина травления и используется время для расчета скорости травления. [16] Алюминий обычно травят со скоростью около 0,178 см/ч , а магний — со скоростью около 0,46 см/ч. [17] [10]
Демаскирование – это процесс очистки части травителя и масканта. [2] [18] Травку обычно удаляют промыванием чистой холодной водой. Раскисляющая ванна также может потребоваться в том случае, если в процессе травления на поверхности материала остается пленка оксида. Для удаления масканта можно использовать различные методы, наиболее распространенным из которых является удаление вручную с использованием скребков. Это часто требует много времени и усилий, а для крупномасштабных процессов можно автоматизировать. [19]
2% нитал является обычным травителем для простых углеродистых сталей.
