Leitfaden für Konstrukteure zum fotochemischen Ätzen

Als hochpräzises Verfahren für die Blechbearbeitung erreicht das fotochemische Ätzen enge Toleranzen, ist hoch reproduzierbar und in vielen Fällen die einzige Technologie, mit der Metallteile in der für anspruchsvolle und oft sicherheitskritische Anwendungen notwendigen Genauigkeit kostengünstig gefertigt werden können.

Wenn sich Konstrukteure für fotochemisches Ätzen als bevorzugtes Metallbearbeitungsverfahren entscheiden, ist es wichtig, dass sie nicht nur die Vielseitigkeit, sondern auch die spezifischen Aspekte der Technologie beachten. Diese können das Produktdesign beeinflussen, manchmal sogar verbessern. Fotochemisches Ätzen kann Innovationen fördern und bietet neue Möglichkeiten, anspruchsvolle Produktmerkmale und komplexe Teile zu produzieren. Doch was gilt es zu berücksichtigen, um die Ätztechnik optimal zu nutzen? Was sind die Vorteile gegenüber anderen Metallbearbeitungstechnologien? Und was gilt es für Konstrukteure zu bedenken, bevor sie sich für das fotochemische Ätzen entscheiden?

Vielseitig anwendbar

Fotochemisches Ätzen kann mit einer breiten Palette verschiedener Metalle in einer Vielzahl von Materialdicken und -güten, Härtegraden und Blechgrößen verwendet werden. Neben über 2.000 verschiedenen Materialsorten, die gute Hersteller heute in der Regel auf Lager haben, können auf Anfrage auch Spezialmaterialien beschafft oder vom Anwender zur Verfügung gestelltes Material verarbeitet werden.

Das Verfahren wird in der Regel für dünne Bleche (unter 1,5 mm) mit einer maximalen Blech-/Teilegröße von 600 × 1.500 mm verwendet. Bearbeitbare Metalle sind Stahl und Edelstahl, Nickel und Nickellegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen, Aluminium und schwer zu bearbeitende Metalle einschließlich korrosionsbeständiger Materialien wie Titan und Titanlegierungen.

Standardmäßige Ätztoleranzen

Toleranzen sind eine wichtige Überlegung für alle Konstruktionen. Beim fotochemischen Ätzen variieren diese abhängig von der Materialdicke: Für Materialdicken zwischen 0,025 mm und 0,250 mm liegt die erreichbare Mindesttoleranz bei ± 0,025 mm, für Materialdicken zwischen 0,250 mm und 1,5 mm bei ± 10 % der Materialdicke.

In einigen Fällen können herkömmliche Metallbearbeitungstechnologien engere Toleranzen erreichen. Aber auch hier gibt es Einschränkungen. Laserschneiden kann beispielsweise eine Genauigkeit von 5 % der Metallstärke erreichen, ist jedoch auf eine Mindestmerkmalsgröße von 0,2 mm begrenzt. Mit fotochemischem Ätzen sind Entwicklungen mit minimalen standardmäßigen Merkmalsgrößen von 0,1 mm und Öffnungen kleiner als 0,050 mm möglich; die Genauigkeit liegt dabei bei ± 8 % der Metalldicke. Darüber hinaus ist zu bedenken, dass Laserschneiden eine „Einzelpunkt“-Metallbearbeitungstechnologie ist. Das heißt: Für komplexe Teile wie z. B. Gewebe ist es in der Regel teurer, bietet aber nicht die für fluidtechnische Anwendungen – z. B. Brennstoffzellen oder Wärmetauscher – erforderliche Tiefe sowie die benötigten gravierten Merkmale, die mit Tiefenätzen problemlos möglich sind.

Grat- und spannungsfreie Bearbeitung

Wenn es um höchste Präzision und minimale Merkmalsgröße geht, kommt das Stanzen dem fotochemischen Ätzen wahrscheinlich am nächsten. Nachteile sind jedoch die Belastung des Metalls bei der Bearbeitung sowie die verbleibenden Grate – sie sind unvermeidbar bei der Bearbeitung in einer Presse. Gestanzte Teile müssen kostenintensiv nachbearbeitet werden. Für die Produktion werden außerdem teure Stahlwerkzeuge benötigt. Bei kleinen Stückzahlen ist dies keine rentable Lösung. Darüber hinaus ist der Werkzeugverschleiß bei der Bearbeitung von Hartmetallen problematisch, weil oft teure und zeitraubende Instandsetzungen erforderlich sind. Beim fotochemischen Ätzen dagegen können Teile grat- und spannungsfrei produziert werden. Verfahrensbedingt kann zudem der Werkzeugverschleiß vernachlässigt werden: ein großer Kostenvorteil, der die Ätztechnik gerade im Vergleich zum Stanzen bei großen wie auch bei kleinen Produktionsstückzahlen zu einer hochprofitablen Alternative macht.

Präzision und Flexibilität            

Fotochemisch geätzte Teile können einzigartige Merkmale enthalten. Verantwortlich dafür ist die inhärente Biegelinie. Eine moderne Ätztechnik-Produktion kann Biegelinien kontrollieren und ermöglicht so eine Reihe von Profilen zur Produktion scharfer Schnittkanten, beispielsweise für medizinische Klingen, oder konische Öffnungen, zum Beispiel zur Ausrichtung von Strömungen in Filtergewebe.

Kostengünstige Werkzeugherstellung und Designiterationen

Fotochemisches Ätzen ermöglicht die Herstellung detailreicher, komplexer und präziser Metallteile. Die Technologie bietet Konstrukteuren eine enorme Flexibilität, da Anpassungen von Designs bis direkt vor der Herstellung möglich sind und auch schwierige Geometrien optimal umgesetzt werden können.

Ein wesentlicher Faktor hierfür ist die Verwendung digitaler Werkzeuge, die günstig zu produzieren sind und ohne großen Aufwand bis wenige Minuten vor der Fertigung geändert werden können. Im Gegensatz zum Stanzen steigen die Kosten für die digitale Werkzeugherstellung nicht mit der Komplexität der Teile. Dies motiviert zu Innovationen, da sich die Konstrukteure ohne Sorgen um die Kosten auf optimierte Funktionalität konzentrieren können.

Mit zunehmender Bauteil-Komplexität steigen bei herkömmlichen Metallbearbeitungstechnologien die Produktionskosten. Das ist die Folge der notwendigen kostspieligen und komplizierten Werkzeugherstellung. Die Kosten erhöhen sich außerdem auch, wenn herkömmliche Technologien mit nicht-standardmäßigen Materialien, Materialdicken und Materialgüten verwendet werden. Dies hat beim fotochemischen Ätzen keinerlei Auswirkungen auf die Kosten.

Da beim fotochemischen Ätzen keine Bearbeitung mit mechanischen Werkzeugen erfolgt, kommt es nicht zu Verzerrungen und Spannungen. Zudem sind die produzierten Teile absolut flach und gratfrei und weisen eine saubere Oberfläche auf, da das Metall einheitlich und gleichmäßig entfernt wird, bis die gewünschten Geometrien erreicht sind.

Wirtschaftliches Prototyping

Fotochemisches Ätzen wird pro Blech berechnet, nicht pro Teil. Das bedeutet, dass auch Teile mit unterschiedlichen Geometrien nutzenoptimiert auf ein und demselben Blech positioniert und gleichzeitig mit einem einzigen Werkzeug bearbeitet werden können. Diese Fähigkeit, viele Teiletypen in einem Produktionslauf herzustellen, ist der Schlüssel zu den enormen Kosteneinsparungen, die mit dem Verfahren erzielt werden können.

Fotochemisches Ätzen eignet sich für praktisch alle Metalltypen. Dazu gehören auch weiche, harte oder spröde Metalle. Aluminium beispielsweise ist schwierig zu stanzen, da es ein sehr weiches Metall ist, während Laserschneiden von Aluminium aufgrund der Reflektivität des Materials problematisch ist. Auch die Härte von Titan kann sich als schwierig erweisen. Das Ätzverfahren ist für derartige kompliziert zu bearbeitende Metalle eine alternative Bearbeitungstechnik. Unternehmen, die spezielle Verarbeitungsprozesse für diese Sondermaterialien entwickelt haben, werden zukünftig den Markt bestimmen. Dazu zählt beispielsweise die bisher einzigartige Titan-Ätzanlage, wie sie etwa von Precision Micro betrieben wird.

Viele  Metallbearbeitungsverfahren benötigen zur Herstellung der Werkzeuge Wochen. Fotochemisches Ätzen zeichnet sich dagegen durch einen inhärent schnellen Produktionsprozess aus. Die Werkzeugherstellung dauert in der Regel nicht länger als einen Tag. Das wirkt sich positiv auf die Lieferfristen sowie die gesamte Time-to-Market-Phase aus.

Fazit

Konstrukteure vertrauen immer häufiger auf fotochemisches Ätzen, weil der Miniaturisierungstrend auf dem Markt immer kleinere und komplexere Präzisionsmetallteile fordert. Wie bei jeder Auswahl eines Verfahrens müssen Konstrukteure vor diesem Hintergrund die spezifischen Attribute der gewählten Fertigungstechnik bei den Merkmalen und Parametern der Konstruktion berücksichtigen. Die Vielseitigkeit des fotochemischen Ätzens und seine einzigartigen Vorteile als hochpräzises Bearbeitungsverfahren für Metallbleche fördern innovative Designs. Mit der Ätztechnik können Teile hergestellt werden, die mit alternativen Metallbearbeitungstechnologien unmöglich wären.