Chemisches Ätzen von Präzisionsteilen für sicherheitskritische Anwendungen

Im Bereich der Fertigung komplexer Metallteile mit vielen Merkmalen für sicherheitskritische Anwendungen entscheiden sich Hersteller zunehmend für das chemische Ätzen anstelle traditionellerer Metallherstellungstechnologien.

Die Frage ist, warum!

Die Metallverarbeitung erfordert höchste Präzision, insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen, bei denen die Integrität des bearbeiteten Metalls nicht beeinträchtigt werden darf.

Gerade in diesem Bereich versagen viele Metallverarbeitungstechnologien. Stanzen, Prägen, Laser- und Wasserschneiden verursachen beispielsweise erhebliche Spannungen und eine Verschlechterung des bearbeiteten Metalls, und wenn das bearbeitete Metall dünner wird, sind Wärmeverzug und Materialzerkleinerung gängige Probleme.

Das chemische Ätzen als Fertigungsverfahren hat eine Schlüsseleigenschaft, wenn es um die Integrität der Teile geht: Es beeinträchtigt oder verschlechtert die Materialeigenschaften während des Produktionsprozesses nicht.

Die Grate und groben Schnitte, die mit traditionelleren Metallverarbeitungstechnologien verbunden sind, werden beim photochemischen Ätzen ebenfalls eliminiert, das sich auch für ungewöhnliche Produktformen und -merkmale gut eignet. Die Art des Verfahrens bedeutet, dass die Komplexität der Merkmale kein Problem darstellt, und in vielen Fällen ist das chemische Ätzen das einzige Herstellungsverfahren, das für bestimmte Teilegeometrien geeignet ist.

Darüber hinaus kann das chemische Ätzen bei einer Vielzahl von Metalldicken eingesetzt werden, aber auch bei ultradünnen Blechen, selbst bei Folien mit einer Stärke von nur 10 Mikrometern.

Abgesehen von den positiven Eigenschaften des Verfahrens in Bezug auf die nach der Bearbeitung entstehenden Metallteile zeichnet sich das chemische Ätzen auch durch seine Kosteneffizienz und Vielseitigkeit bei der Werkzeugherstellung aus. Der Werkzeugbau für das chemische Ätzen ist digital und daher wesentlich kostengünstiger als der Werkzeugbau für alternative Metallfertigungstechnologien. Das bedeutet, dass mehrere Design-Iterationen und die daraus resultierenden Werkzeugänderungen zur Gewährleistung der Integrität der gefertigten Teile beim chemischen Ätzen kein großes Problem darstellen.

Precision Micro hat an zahlreichen Fertigungsprojekten mitgewirkt, bei denen die hergestellten Teile und Komponenten für sicherheitskritische Anwendungen bestimmt sind. In diesem Zusammenhang sei an zwei aktuelle Fälle aus der Medizintechnik und der Luft- und Raumfahrt erinnert, bei denen absolute Integrität und Leistung der hergestellten Teile von größter Bedeutung waren.

Im Bereich modernster Diagnosetechnologie arbeitete Precision Micro mit Highland Biosciences zusammen, um sogenannte "Miniatur-Stimmgabel"-Biosensoren herzustellen. Diese Biosensoren bestehen aus drei mikrotechnisch hergestellten Edelstahlzinken, die Tausende Male pro Sekunde in Schwingung versetzt werden. Sie sind in der Lage, mikroskopisch kleine Veränderungen in der Schichtdicke, Dichte und Viskosität von Flüssigkeitsproben zu erkennen und den Nachweis von Bakterientoxinen in elektronische Signale umzuwandeln.

Der Innovationszyklus für die Biosensoren war sehr eng, und es war auch entscheidend, dass die Materialeigenschaften während der Herstellung nicht beeinträchtigt wurden, was Stanzen und Laserschneiden ausschloss, aber die Stärken des chemischen Ätzens ausspielte. Da für jeden hergestellten Biosensor eine perfekt saubere Oberfläche erforderlich ist, um eine gleichbleibende Haftung der Oberflächenbeschichtung zu gewährleisten, entwickelte Precision Micro einen speziellen Reinigungsprozess, der durch eine 100 % automatisierte optische Inspektion unterstützt wird.

Highland Biosciences legte großen Wert auf die Herstellung präziser und sauberer Komponenten mit minimalen Anforderungen an die nachfolgende Verarbeitung. Die Biosensoren waren ein entscheidender Bestandteil des Mikroviskosimeters des Unternehmens, und es gab keinen Raum für Kompromisse. Das Fachwissen von Precision Micro im Bereich des chemischen Ätzens und die Innovationskraft bei der Verfeinerung des Produktionsprozesses waren von entscheidender Bedeutung für den Erfolg des Projekts. Für ihre Arbeit in diesem Bereich erhielt das Unternehmen Anerkennung vom Technology Strategy Board in Großbritannien.

Während der sicherheitskritische Charakter medizinischer Produkte auf der Hand liegt und die Forderung nach einer Null-Fehler-Quote im Vordergrund steht, verdeutlicht ein weiteres Projekt im Bereich der Satellitenherstellung die Notwendigkeit für OEMs, ihr Herstellungsverfahren sorgfältig auszuwählen.

Precision Micro arbeitete eng mit einem führenden Entwickler und Hersteller von Spezialgeräten für die Tieftemperaturtechnik zusammen, um ein sicherheitskritisches Biegeelement für einen kryogenen Satellitenkühler herzustellen. Für den Kunden war es von entscheidender Bedeutung, ein kosteneffizientes, zuverlässiges und schnelles Herstellungsverfahren für seine Biegeteile zu finden, die unter extremen Bedingungen im Weltraum eingesetzt werden sollten. Diese Biegeteile mussten über lange Zeiträume hinweg zuverlässig funktionieren, da ein Ausfall im Weltraum keine Option war und keine Möglichkeit zur Reparatur besteht.

Der Kunde zog die maschinelle Bearbeitung und das Verdrahten in Betracht, bevor er sich für das chemische Ätzen als Produktionstechnologie entschied, aber beide Technologien hinterließen kleine Grate an den Teilen und überflüssige Schichten, die die Leistung beeinträchtigten. Das chemische Ätzen zeichnet sich, wie bereits erwähnt, dadurch aus, dass es keine Spannung im bearbeiteten Material erzeugt und keine Grate hinterlässt.

Bei der Bewertung alternativer Fertigungstechnologien spielen die Kosten eine wichtige Rolle. Dies gilt insbesondere bei der Herstellung von Nischen- und hochkritischen Teilen wie den Biegeteilen für die Satellitenanwendung. Hierbei ist entscheidend, ein Verfahren zu finden und anzuwenden, das höchste Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Konformität mit extrem engen Toleranzen gewährleistet, während gleichzeitig die Materialintegrität erhalten bleibt. Für den Kunden war es von größter Bedeutung sicherzustellen, dass potenzielle Schwachstellen in der Materialstruktur beseitigt werden. Diese Anforderung konnte nur durch den Einsatz des chemischen Ätzens in Kombination mit dem Fachwissen von Precision Micro erfüllt werden, da dieses Verfahren die erforderliche Präzision und Materialintegrität sicherstellen konnte.

Dies sind nur zwei Beispiele aus einer Vielzahl von Projekten, die Precision Micro bei der Herstellung von sicherheitskritischen Komponenten durchführt. Das fotochemische Ätzen eignet sich genau für solche Anwendungen, die kleine, präzise, komplexe, funktionsreiche Teile ohne Grate und ohne spannungsbedingte Veränderungen im Metall erfordern, wie sie bei alternativen Metallumformungstechnologien auftreten können. Die Verwendung digitaler Werkzeuge durch das chemische Ätzen stellt außerdem sicher, dass mehrere Iterationen der Werkzeuge - die oft notwendig sind, um die Präzision solch komplizierter Metallteile zu perfektionieren - weder zeit- noch kostenintensiv sind.

All diese Eigenschaften machen das chemische Ätzen zum Herstellungsverfahren der Wahl für besonders kritische und anspruchsvolle, sicherheitskritische Anwendungen.