Erfolgreiches photochemisches Ätzen von Aluminium für anspruchsvolle industrielle Anwendungen

Aluminium kommt in zahlreichen industriellen Anwendungen zum Einsatz, wo ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht notwendig ist. Zudem verfügt das Material über Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, eine geringe Dichte sowie gute Verformbarkeit und Biegsamkeit, die es zu einem attraktiven Werkstoff machen. Aluminium wird oft auch aufgrund seiner relativ hohen Leitfähigkeit genutzt. Dies ist zwar ein Vorteil, führt aber mitunter zu großen Problemen während des Bearbeitungsprozesses. Das ist besonders dann der Fall, wenn einer der präzisesten und kosteneffizientesten Bearbeitungsprozesse der Industrie (photochemisches Ätzen) zum Einsatz kommt, da es hinsichtlich der Genauigkeit und Wiederholbarkeit des Ätzprozesses zu Problemen führen kann. Dieser Artikel untersucht die Schwierigkeiten, die beim photochemischen Ätzen von Aluminium auftreten und erläutert die hierfür von Precision Micro, Europas führendem Anbieter von photochemischen Ätzprozessen, entwickelten Lösungen.

Trotz der Tatsache, dass photochemisches Ätzen als Bearbeitungstechnologie bereits seit mehr als 50 Jahren zum Einsatz kommt, ist dieser Prozess relativ unbekannt. Seine praktische Anwendung in einer Vielzahl an Fertigungsszenarien – mit wachsender Anzahl an Werkstoffen – ist eines der bestgehüteten Geheimnisse der Industrie. Oft fälschlicherweise als Prototyp-Technologie bezeichnet, ist photochemisches Ätzen tatsächlich eine vielseitige und zunehmend ausgefeilte Technologie zur Bearbeitung von Metall. Sie bietet Einsatzmöglichkeiten in der Massenfertigung von komplexen Metallteilen und -komponenten mit den verschiedensten Eigenschaften.

Durch die Anwendung von Photolack und Säuren – zur genauen chemischen Bearbeitung der ausgewählten Flächen – zeichnet sich der Prozess durch den Erhalt der Materialeigenschaften aus und produziert grat- und spannungsfreie Komponenten. Dabei entstehen klare Profile und die Bereiche werden nicht von Hitze beeinträchtigt. Aufgrund der Tatsache, dass photochemisches Ätzen leicht erneuerbare und kostengünstige digitale Werkzeuge nutzt, stellt diese Methode eine kosteneffiziente, hochgenaue und zeitsparende Alternative zu traditionellen Bearbeitungstechnologien wie Prägen, Pressen, Stanzen sowie Laser- und Wasserstrahlschneiden dar.

Allerdings muss dieser Vorgang, wie alle Bearbeitungstechnologien, die Ansprüche der Industrie erfüllen, um seinen Wert auch für moderne und innovative Fertigungsprojekte und Umgebungen zu erhalten. Besonders die Bearbeitungstechnologien von heute müssen in der Lage sein, innerhalb extremer Toleranzbereiche zu arbeiten – und das an noch mehr „modernen“ Metallen in verschiedenen industriellen Anwendungen.

Unternehmen wie Precision Micro haben aus diesen Gründen viel in die For-schung und Entwicklung im Bereich des photochemischen Ätzens investiert, um den Prozess für den Einsatz an Aluminium zu optimieren. Das Metall kommt heute aufgrund seiner besonderen Eigenschaften, die allerdings gleichzeitig sei-ne Verarbeitung erschweren, in immer mehr Bereichen zum Einsatz.

Unternehmen, die etwa traditionelle Prozesse zur Bearbeitung von Aluminium anwenden, sind einige der damit verbundenen Probleme bekannt: Beispielswei-se seine Reflexion, die Laserschneiden problematisch macht und die Tatsache, dass Aluminium Rückstände in Werkzeugen hinterlässt und Stanzen zu einem teils unsicheren Verfahren macht, wenn enge Toleranzen notwendig sind.


Aluminium — Ein vielseitiger Werkstoff

Aluminium kommt aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit, seines geringen Gewichts und seiner Belastbarkeit in zahlreichen industriellen Anwendungen zum Einsatz. Es hat außerdem parallele Eigenschaften zu Titan, was für das in der Industrie oftmals entscheidende Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht von Metallen spricht. Im Gegensatz zu Titan ist Aluminium sehr viel günstiger. Die Wiederverwertbarkeit, und nicht etwa die vielen Verarbeitungsmöglichkeiten oder die einfache Herstellung (seine Gewinnung aus dem Erz Bauxit ist sehr kostenintensiv), ist ausschlaggebend für die geringen Kosten des Werkstoffs. Es besteht tatsächlich die Vermutung, dass weiteres Gewinnen von Aluminium in 20 Jahren nicht mehr notwendig sein wird, da das bereits gewonnene Aluminium kontinuierlich wiederverwertet wird, um den Bedarf zu decken.

Eine weitere Abgrenzung zu Titan ist die erheblich geringere Dichte von Alumi-nium. Während Titan eine höhere Belastbarkeit und Korrosionsbeständigkeit als Aluminium bietet, ist seine Dauerfestigkeit relativ gering. Daher kommt Aluminium bevorzugt in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, Transport und Bauwesen zum Einsatz. Der Schlüssel liegt in seiner geringen Dichte, die Aluminium, in Verbindung mit anderen Eigenschaften wie einer exzellenten Leitfähigkeit von Wärme und Strom, zu einem bevorzugten Werkstoff für Verkabelungen und Wärmetauscher macht.

Wenn es um seine Bearbeitung geht, wird diese Eigenschaft allerdings zur Achil-lesferse des Werkstoffes. Beim photochemischen Ätzen reagiert Aluminium bei-spielsweise mit korrosiven Chemikalien und gibt Wärme ab, da eine exotherme Reaktion stattfindet. Dies führt zu einem Dominoeffekt, der die Effizienz und Genauigkeit des photochemischen Ätzprozesses beeinträchtigt.

Arbeiten mit Aluminium

Folglich sind es seine exothermen Eigenschaften, die zur Hürde für die effiziente Nutzung von photochemischen Ätzprozessen bei der Bearbeitung von Aluminium werden. Ebenso wie die Tatsache, dass Aluminium ein korrosionsbeständiges Metall und photochemisches Ätzen ein Bearbeitungsprozess ist, der auf selektiver Korrosion basiert.

Aluminium ist ein Amphoter. Das bedeutet, dass es mit Säuren und Basen rea-giert. Als solcher lässt es sich entweder mit sauren oder basischen photochemi-schen Ätzstoffen bearbeiten, was beides allerdings Herausforderungen mit sich bringt. Der Schlüssel zum erfolgreichen photochemischen Ätzen ist eine hochge-naue Steuerung der Prozesse. Seine weitreichende Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet machen Precision Micro heute zu einem qualifizierten Unter-nehmen in Europa, wenn es um die Anwendung von photochemischen Ätzpro-zessen an Aluminium geht.

Die stark exotherme Reaktion von Aluminium auf den Ätzprozess kann unter Umständen den Photolack zerstören und zu einer rauen Oberfläche führen. Der Photolack wird durch die exotherme Reaktion vom Aluminiumblech gezogen und ermöglicht es dem Ätzmittel, unter den Photolack zu gelangen und die Ät-zung zu beeinträchtigen. Dies führt zu einer rauen, scharfkantigen und körnigen Oberfläche, die mit den glatten und geraden Ätzprofilen – die für photochemi-sche Ätzprozesse charakteristisch sind – nichts mehr gemeinsam haben.

Ein Teil der Forschung zur effizienten Ätzung von Aluminium konzentriert sich auf das eingesetzte Ätzmittel oder auf die Temperaturregelung. Dennoch be-schäftigt sich der Hauptteil mit der Reinigung und der Vorbereitung des Metalls.

Die Nachfrage nach Aluminium für zahlreiche industrielle Anwendungen ist enorm. Ebenso ist ein Bearbeitungsprozess notwendig, der sowohl wiederholbar und konsistent ist, als auch die bereits erwähnten Probleme in Bezug auf Laserschneiden und Stanzen löst. In diesem Zusammenhang hat Precision Micro erhebliche Ressourcen (ca. 600.000 Euro) in Beschichtungstechnik investiert, um die Haftung des Photolacks an Aluminium zu verbessern. Außerdem hat das Unternehmen seine fünf Jahrzehnte an Erfahrung auf dem Gebiet der photochemischen Ätzprozesse dafür eingesetzt, um die Konzentration der zur Bearbeitung des Aluminiums genutzten korrosiven Chemikalien zu optimieren und anzupassen. Damit werden einige Probleme gelöst, die das Ätzen von Amphoteren mit sich bringt.

Diese chemischen Anpassungen haben sich für die vielen Kundenprojekte von Precision Micro als zufriedenstellend erwiesen. Hinzu kam ein zusätzlicher Fo-kus auf zahlreiche weitere Faktoren wie Prozessgeschwindigkeit und Tempera-turregelung. All diese Aspekte sind miteinander verknüpft und können sich ne-gativ aufeinander auswirken. Beispielsweise kann eine Anpassung der Prozess-geschwindigkeit beim Ätzen zur Abhebung des Photolacks führen. Die Optimie-rung des Prozesses ist daher ein Balanceakt, dessen Erfolg auf gutem Fachwissen beruht, das über viele Jahre und zahlreiche Projekte hinweg gesammelt wurde.

Praktische Anwendungen

Die Rekonfiguration von Maschinen, Chemikalien und Prozessparametern hat es Precision Micro ermöglicht, in zahlreichen Ländern an erfolgreichen Projekten zu arbeiten, bei denen das photochemische Ätzen von Aluminium zum Einsatz kam.

Eines dieser Projekte umfasste das Ätzen von Luftansauggittern aus Aluminium für einen führenden Hersteller von Helikoptern. Dies war kein Großprojekt und die zu bearbeitenden Teile waren bei weitem nicht so komplex, wie die üblichen Komponenten, mit denen Precision Micro arbeitet (photochemische Ätzprozesse kommen typischerweise bei Großprojekten mit komplexen Teilen zum Einsatz). Allerdings fiel die Wahl des Bearbeitungsprozesses auf Ätzen, da andere Technologien die Bestandteile Spannungen aussetzen. Da es sich hierbei um eine Anwendung in der Luftfahrt handelte, war Gewicht ein Schlüsselfaktor. Um die offensichtlichen Gewichtsvorteile zu nutzen, entschied sich der Kunde für den Einsatz von Aluminium. Das Projekt konnte durch die von Precision Micro gebotene Kombination aus Chemie, Prozessen und Maschinen gelungen beendet werden.

Für eine andere Anwendung im Bereich Luftfahrt nutzte Precision Micro erfolg-reich ähnliche Techniken zur Herstellung von zahlreichen verschiedenen Alumi-niumkomponenten für Luftentfeuchter in Flugzeugkabinen. Für diese Anwen-dung kam aus verschiedenen Gründen Aluminium zum Einsatz. Hauptsächlich waren hierbei sein geringes Gewicht und die thermischen Eigenschaften aus-schlaggebend. Precision Micro fertigt Teile mit geätzten Kanälen und präzise Ausschnitte für viele dieser Komponenten, wobei die Wahl des Fertigungspro-zesses auf photochemisches Ätzen fiel, da Stanzen durch den Einsatz von 36 unterschiedlichen Stanzwerkzeugen zu unerschwinglichen Einmalkosten geführt hätte. Zusätzlich wäre es nur durch Stanzen nicht möglich gewesen, die Teile ohne weitere spanende Bearbeitung herzustellen. Nebenbei bemerkt, wurden die Fluss- und Wärmeeigenschaften durch Fotoätzen nicht beeinträchtigt.

Der photochemische Ätzprozess ermöglichte es auch, die Umformung von ein-zelnen Schichten zu vermeiden, was für einige Bearbeitungsprozesse wie Senk-erodieren typisch ist.

Eine weitere Anwendung war die Herstellung von flachen Hochtönern für High-End-Lautsprecher eines Herstellers von Audiogeräten, wie sie in Tonstudios eingesetzt werden. Im Rahmen dieses Projektes stellte Precision Micro hochflexible Leiterplatten aus Compound-Material (Aluminium 20Mikrometer/Kapton 40 Mikrometer) her. Dazu wurde das Aluminium partiell ausgeätzt. Das Material war zu dünn und die Struktur mit 100 Mikrometer Kanalbreite zu fein, um mit konventionellen Prozessen das gewuenschte Ergebnis zu erzielen.

Zusammenfassung

Die Tatsache, dass Aluminium in der Industrie so oft zum Einsatz kommt, machte es notwendig, den Werkstoff effizient und präzise zu bearbeiten. Photochemisches Ätzen ist heute eine der kosteneffizientesten und genausten Fertigungstechnologien, die besonders bei der Großfertigung komplexer Produkte und Komponenten mit zahlreichen Eigenschaften von Vorteil ist. Die natürliche Genauigkeit des Prozesses sowie die Tatsachen, dass es keine Spannung auf die bearbeiteten Werkstoffe ausübt und der Einsatz des Prozesses eine erhebliche Einsparung von Werkzeugkosten ermöglicht, bietet photochemisches Ätzen die Möglichkeit, den Prozess für eine Vielzahl an Werkstoffen zu nutzen.

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Datum: 16.10.2014 - 12:51 Uhr
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