Химическое фрезерование или промышленное травление — это субтрактивный производственный процесс с использованием ванн с регулируемыми по температуре травильными химикатами для удаления материала с целью создания объекта желаемой формы. [1] [2] Другие названия химического травления включают фототравление, химическое травление, фотохимическое травление и фотохимическую обработку . В основном оно используется на металлах, хотя другие материалы становятся все более важными. Оно было разработано на основе процессов декорирования брони и печати травлением, разработанных в эпоху Возрождения в качестве альтернативы гравировке на металле. Процесс по сути включает в себя купание областей резки в едком химикате, известном как травитель , который реагирует с материалом в области резки и вызывает растворение твердого материала; инертные вещества, известные как маскирующие вещества, используются для защиты определенных областей материала в качестве резистов . [2] [3]
Органические химикаты, такие как молочная кислота и лимонная кислота, использовались для травления металлов и создания продуктов еще в 400 году до н. э., когда уксус использовался для разъедания свинца и создания пигмента церуса , также известного как свинцовые белила . [4] Большинство современных методов химического измельчения включают щелочные травители; они, возможно, использовались еще в первом веке н. э.
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. Травитель въедался в незащищенные области, в результате чего окрашенные области приподнимались до рельефа . [4] Травление таким образом позволяло украшать доспехи так, как будто это была точная гравировка, но без наличия выступающих заусенцев ; это также устраняло необходимость в том, чтобы доспехи были мягче, чем инструмент для гравировки. [5] В конце семнадцатого века травление стало использоваться для создания градуировок на измерительных приборах; тонкость линий, которые можно было получить с помощью травления, позволяла производить более точные и аккуратные приборы, чем это было возможно раньше. [6] Вскоре после этого его стали использовать для травления пластин с информацией о траектории для операторов пушек и артиллерии ; бумага редко выдерживала суровые условия боя, но травленая пластина могла быть довольно прочной. Часто такая информация (обычно метки дальности) наносилась на снаряжение, например, на стилеты или лопаты.
В 1782 году Джон Сенебьер сделал открытие, что некоторые смолы теряют свою растворимость в скипидаре под воздействием света; то есть они затвердевают. Это позволило разработать фотохимическое фрезерование , при котором жидкий маскирующий материал наносится на всю поверхность материала, а контур маскируемой области создается путем воздействия на него УФ-излучения. [7] Фотохимическое фрезерование широко использовалось при разработке методов фотографии, позволяя свету создавать отпечатки на металлических пластинах.
Одно из самых ранних 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, около 1940-х годов, 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, термоэлектродов и других компонентов. [9]
Травление применяется в производстве печатных плат и полупроводников . Оно также используется в аэрокосмической промышленности [10] для удаления неглубоких слоев материала с крупных компонентов самолетов, панелей обшивки ракет и экструдированных деталей для планеров. Травление широко используется для производства интегральных схем и микроэлектромеханических систем . [10] В дополнение к стандартным жидкостным методам в полупроводниковой промышленности обычно используется плазменное травление .
Химическое фрезерование обычно выполняется в серию из пяти этапов: очистка, маскирование, скрайбирование, травление и демаскирование. [2] Видео процесса химического фрезерования Узнайте больше о видео
Очистка — это подготовительный процесс, гарантирующий, что поверхность, подлежащая травлению, свободна от загрязнений, которые могут негативно повлиять на качество готовой детали. [2] [11] Неправильно очищенная поверхность может привести к плохой адгезии маскирующего средства, что приведет к неправильному травлению участков или неравномерной скорости травления, что может привести к неточным конечным размерам. Поверхность должна быть очищена от масел, смазки, грунтовочных покрытий, маркировки и других остатков процесса разметки , окалины (окисления) и любых других посторонних загрязнений. Для большинства металлов этот шаг можно выполнить, нанеся растворяющее вещество на поверхность, подлежащую травлению, смывая посторонние загрязнения. Материал также можно погрузить в щелочные очистители или специальные раскисляющие растворы. На современных промышленных предприятиях по химическому травлению общепринятой практикой является то, что заготовку никогда не следует брать в руки непосредственно после этого процесса, так как масла с человеческой кожи могут легко загрязнить поверхность. [3]
Маскирование — это процесс нанесения маскирующего материала на поверхность, чтобы гарантировать, что травятся только нужные области. [2] [3] Жидкие маскирующие материалы могут наноситься методом погружения-маскирования, при котором деталь окунается в открытую емкость с маскирующим материалом, а затем маскирующий материал высушивается. Маскирующий материал также может наноситься методом полива: жидкий маскирующий материал течет по поверхности детали. Некоторые проводящие маскирующие материалы также могут наноситься методом электростатического осаждения , при котором электрические заряды прикладываются к частицам маскирующего материала, когда он распыляется на поверхность материала. Заряд заставляет частицы маскирующего материала прилипать к поверхности. [12]
Маскант, который будет использоваться, определяется в первую очередь химикатом, используемым для травления материала, и самим материалом. Маскант должен прилипать к поверхности материала, а также быть достаточно химически инертным по отношению к травителю, чтобы защитить заготовку. [3] Большинство современных процессов химического фрезерования используют масканты с адгезией около 350 г см −1 ; если адгезия слишком сильная, процесс скрайбирования может быть слишком сложным для выполнения. Если адгезия слишком низкая, область травления может быть определена неточно. Большинство промышленных предприятий химического фрезерования используют масканты на основе неопреновых эластомеров или сополимеров изобутилена и изопрена. [13]
Скрайбирование — это удаление маскирующего слоя на участках, которые необходимо протравить. [2] Для декоративных применений это часто делается вручную с помощью скрайбирующего ножа, травильной иглы или аналогичного инструмента; современные промышленные применения могут включать оператора, выполняющего скрайбирование с помощью шаблона, или использовать числовое программное управление для автоматизации процесса. Для деталей, требующих многоэтапного травления, могут использоваться сложные шаблоны с использованием цветовых кодов и аналогичных устройств. [14]
Травление представляет собой погружение детали в химическую ванну и воздействие химиката на фрезеруемую деталь. [15] Время, проведенное в погружении в химическую ванну, определяет глубину получаемого травления; это время рассчитывается по формуле:
где E — скорость травления (обычно сокращенно скорость травления ), s — требуемая глубина реза, а t — общее время погружения. [10] [15] Скорость травления варьируется в зависимости от таких факторов, как концентрация и состав травителя, материал, который нужно протравить, и температурные условия. Из-за своей непостоянной природы скорость травления часто определяется экспериментально непосредственно перед процессом травления. Небольшой образец материала, который нужно протравить, с той же спецификацией материала, условиями термообработки и примерно той же толщиной, протравливается в течение определенного времени; по истечении этого времени глубина травления измеряется и используется вместе со временем для расчета скорости травления. [16] Алюминий обычно протравливается со скоростью около 0,178 см/ч , а магний — около 0,46 см/ч. [17] [10]
Демаскировка — это процесс очистки части травителя и маскирующего вещества. [2] [18] Травитель обычно удаляется промывкой чистой холодной водой. Ванна для раскисления может также потребоваться в общем случае, когда процесс травления оставляет пленку оксида на поверхности материала. Для удаления маскирующего вещества могут использоваться различные методы, наиболее распространенным из которых является ручное удаление с помощью скребковых инструментов. Это часто занимает много времени и трудоемко, и для крупномасштабных процессов может быть автоматизировано. [19]
2% Нитал — обычный травитель для простых углеродистых сталей.
