Geätzte Metall-Biegefedern verbessern die Leistung des Weltraum-Kryokühlers von Thales

Photochemisches Ätzen - die Grundlagen

Obwohl das chemische Ätzen seit mehr als fünfzig Jahren eine Bearbeitungstechnologie ist, ist es immer noch ein relativ unauffälliges Verfahren, und seine praktische Anwendung in einer Vielzahl von Fertigungsszenarien mit einer immer größeren Anzahl von Materialien ist eines der bestgehüteten Geheimnisse der Industrie.

Das photochemische Ätzen, das häufig fälschlicherweise als reine Prototyping-Technologie dargestellt wird, ist in Wirklichkeit ein vielseitiges und zunehmend anspruchsvolleres Metallbearbeitungsverfahren, mit dem sich komplexe und funktionsreiche Metallteile und -komponenten in Serie herstellen lassen.

Durch die Verwendung von Fotolack und Ätzmitteln zur präzisen chemischen Bearbeitung ausgewählter Bereiche zeichnet sich das Verfahren durch die Beibehaltung der Materialeigenschaften, grat- und spannungsfreie Teile mit sauberen Profilen und ohne wärmebeeinflusste Zonen aus.

In Verbindung mit der Tatsache, dass beim chemischen Ätzen leicht wiederholbare und kostengünstige digitale Werkzeuge zum Einsatz kommen, bietet es eine kostengünstige, hochpräzise und schnelle Fertigungsalternative zu herkömmlichen Bearbeitungstechnologien.

Mehr als ein halbes Jahrhundert Innovation in der Ätztechnik

Precision Micro ist seit vielen Jahrzehnten in diesem Bereich tätig und erweitert ständig die Grenzen dessen, was mit chemischem Ätzen möglich ist. Das geschieht durch Fortschritte in der Ätzmittelchemie, die Entwicklung des Prozesses für mehr Metalle und die Steigerung der Genauigkeit.

Diese herausragende Stellung hat Thales dazu veranlasst, mit Precision Micro eine Partnerschaft für die Herstellung von Biegefedern einzugehen, die in langlebigen Kühlapplikationen verwendet werden, einschließlich solcher, die im Weltraum eingesetzt werden.

Thales Cryogenics

Thales Cryogenics B.V. wurde im Jahr 2000 gegründet, kann seine Wurzeln jedoch bis in die späten 1940er Jahre zurückverfolgen, als es eine Abteilung des Hightech-Ausrüsters Signaal USFA war.

Heute ist das Unternehmen ein führender Entwickler und Hersteller von Spezialgeräten für die Tieftemperaturtechnik mit Büros und Produktionsstätten in den Niederlanden.

Das Unternehmen verfügt über das umfassendste Angebot an kryogenen Produkten für militärische, zivile und Raumfahrtanwendungen.

Entwicklung von Kryokühlern mit Biegefeder

Die kritische Beschaffenheit dieser Komponente war ausschlaggebend für die Wahl des photochemischen Ätzverfahrens von Precision Micro als bevorzugte Herstellungsmethode.

Es gibt keine extremere Umgebung als den Weltraum, in der Teile und Komponenten nicht nur wie vorgesehen, sondern auch über einen längeren Zeitraum hinweg funktionieren müssen.

Als Fertigungsverfahren hat das chemische Ätzen eine Schlüsseleigenschaft, die es von anderen Techniken unterscheidet: Es beeinträchtigt oder verschlechtert die Materialeigenschaften nicht, wenn es um die Integrität der Teile geht.

Überwindung von Graten und Nachgussschichten

Die spezielle Biegefeder, die in dem Tieftemperaturkühler zum Einsatz kommt, war ursprünglich durch Drahterodieren bearbeitet worden, was jedoch zu kleinen Graten an den Teilen und zu neu aufgetragenen Schichten führte, die die Leistung beeinträchtigten.

Außerdem war das Verfahren teuer, vor allem, wenn zusätzliche Nachbearbeitungen zur Entfernung von Graten erforderlich waren.

Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Konformität

Während die Kosten bei der Bewertung von Fertigungstechnologien ein ständiges Thema sind, kann dies bei der Herstellung von Nischen- und hochkritischen Teilen durch garantierte Qualität, Wiederholbarkeit und Konformität ersetzt werden.

Diese Überlegungen waren für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der LSF- und LPT-Kühler von Thales ausschlaggebend, die das Unternehmen für eine Vielzahl von Kunden zur Kühlung hochempfindlicher Sensorsysteme wie Gammastrahlendetektoren, Detektoren für thermische Nachtsichtgeräte und Infrarot-Spektroskopiedetektoren für den Einsatz in Satelliten herstellt.

Kein oder nur minimaler Verschleiß während des Betriebs

Da diese Linearkühler Kolben enthalten, die sich mit einer Frequenz von etwa 50 Hz hin- und herbewegen, ist die Montage auf einer Biegefeder mit einer radialen Steifigkeit und einer geringen axialen Steifigkeit für einen berührungslosen Betrieb unerlässlich, da sie dafür sorgt, dass während des Betriebs wenig oder gar kein Verschleiß auftritt.

Thales Cryogenics stellte fest, dass die mit dem chemischen Ätzverfahren hergestellten Biegungen diese hohen Anforderungen erfüllten und ihre Eigenschaften auch nach dem Dauerbetrieb beibehielten.

Die Reinheit des für die Biegung verwendeten Spezialmetalls war von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass potenzielle Bruchstellen im Korn vermieden wurden.

Dies war nur durch die Grat- und Spannungsfreiheit des chemischen Ätzens und die umfassende Erfahrung von Precision Micro im Bereich des Metallätzens zu erreichen.

Schlussfolgerung

Das fotochemische Ätzen eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen kleine, präzise, komplexe, funktionsreiche Teile ohne Grat und ohne spannungsbedingte Veränderungen im Metall benötigt werden.

Die Verwendung von digitalen Werkzeugen durch das chemische Ätzen ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Herstellung von Prototypen, die in der Produktion nicht überarbeitet werden müssen.

Im Falle der für den Satellitenkühler von Thales Cryogenics hergestellten Biegefedern kamen all diese Eigenschaften zusammen und machten das Ätzen zum Herstellungsverfahren der Wahl für diese besonders kritische und anspruchsvolle Anwendung.