Phototooling: Schnelle und kosteneffiziente Präzisionsfertigung

Was ist ein Fotowerkzeug?

Ein Fotowerkzeug wird verwendet, um das CAD-Bild eines Bauteildesigns vor der Prototypen- oder Serienproduktion mit Hilfe des chemischen Ätzverfahrens auf ein Blech zu übertragen.

Der Prozess der Herstellung des Fotowerkzeugs beginnt mit dem ursprünglichen Entwurf, der mit einer CAD-Software erstellt wird. Dieser Entwurf wird anschließend kompensiert, um Schwankungen im Ätzprozess zu berücksichtigen, bevor er auf Mylarblätter gedruckt oder "geplottet" wird.

Diese Mylar-Fotowerkzeuge können ein- oder doppelseitig sein, wobei doppelseitige Varianten für kompliziertere Geometrien oder wenn Ätzmerkmale auf beiden Seiten des Blechs erforderlich sind, eingesetzt werden.

Wie funktioniert das Phototooling?

Phototooling funktioniert wie eine Schablone, wenn es mit einem Metallblech kombiniert wird, das mit einem lichtempfindlichen Material beschichtet ist. Der Fotolack reagiert kontrolliert, wenn er durch das Fotowerkzeug mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird, und prägt das gewünschte Muster auf das Substratmaterial. Anschließend wird das Material chemisch behandelt, um das gewünschte Muster zu entwickeln und durch den Fotolack hindurch freizulegen, bevor es geätzt wird - ein subtraktiver Prozess, bei dem chemische Ätzmittel eingesetzt werden, um das belichtete Blech selektiv aufzulösen.

Wie unterscheidet sich das Phototooling von herkömmlichen Werkzeugen für die Blechbearbeitung?

Stanzen

Beim Stanzen entwirft ein Werkzeugmacher eine Reihe von speziellen Stempeln und Matrizen, die dann nach detaillierten Plänen sorgfältig bearbeitet werden.

Die Herstellung von Stanzwerkzeugen kann recht kostspielig sein und oft mehrere zehntausend Dollar betragen, je nach Faktoren wie Komplexität der Komponenten, Größe und gewähltem Material. Auch die Vorlaufzeiten können je nach Komplexität des Werkzeugs zwischen Wochen und Monaten schwanken.

Darüber hinaus kann die Wartung von Stanzwerkzeugen aufgrund von Verschleiß zu Problemen führen, was wiederum höhere Kosten und längere Vorlaufzeiten zur Folge hat.

Phototooling versus Stanzwerkzeugbau

Phototooling ist eine kosteneffiziente Alternative zu herkömmlichen Hartprägewerkzeugen. Das Drucken der Werkzeuge direkt aus CAD-Daten ermöglicht eine schnelle Erstellung, vereinfacht Änderungen und verkürzt die Vorlaufzeiten. Das digital hergestellte Phototooling, das in der Regel um die 200 $ kostet, bietet auch eine wirtschaftliche Prototypenherstellung. Außerdem sind die Mylarfolien haltbar, leicht austauschbar und wiederverwendbar, was die Kosten und Vorlaufzeiten weiter reduziert.

Laserschneiden und Wasserstrahlschneiden

Das Laserschneiden und das Wasserstrahlschneiden haben eines gemeinsam: Bei beiden Verfahren sind keine harten oder weichen Werkzeuge erforderlich. Stattdessen wird ein Laser- oder Wasserstrahl so programmiert, dass er die gewünschten Komponenten präzise aus einem Metallblech schneidet. Da keine Werkzeuge benötigt werden, beschränken sich die Hauptausgaben auf die Programmierkosten, was die Einrichtung beider Verfahren für die Ingenieure kosteneffizient macht.

Trotz ihrer Erschwinglichkeit stellt die Einrichtung jedoch nur die Anfangsphase des Prozesses dar. Als Ein-Punkt-Verfahren können sich die Vorlaufzeiten auf mehrere Wochen erstrecken, und bei der Bearbeitung komplizierter Komponenten, die ein hohes Maß an Genauigkeit erfordern, können sich zusätzliche Herausforderungen ergeben.

Phototooling gegenüber Laserschneiden und Wasserstrahlschneiden

Das Phototooling erfordert zwar eine bescheidene finanzielle Investition, zeichnet sich aber durch seine Fähigkeit aus, komplizierte Designs mit unübertroffener Präzision zu realisieren, so dass Designanpassungen möglich sind, bis die Komponentenspezifikationen erfüllt sind. Darüber hinaus eliminiert das chemische Ätzen das Risiko von Graten und Spannungen und gewährleistet eine optimale Effizienz der Komponenten.

Elektroforming

Bei der Galvanoformung, einer Technik, bei der durch Elektrolyse Metall auf eine leitfähige Oberfläche aufgebracht wird, kommen verschiedene Formen von Werkzeugen zum Einsatz. Glaswerkzeuge beispielsweise funktionieren ähnlich wie Mylarfolien, die beim chemischen Ätzen oder beim Laser Direct Imaging (LDI) verwendet werden. Beim LDI wird der CAD-Entwurf mit einem Laser auf die fotobeschichtete Oberfläche eines Substrats übertragen. Mit diesen Werkzeugen können die Ingenieure eine Präzision von bis zu ±1 Mikrometer erreichen. Sie bieten ultrafeine Details und enge Toleranzen, die andere Blechbearbeitungstechnologien übertreffen.

Trotz seiner unübertroffenen Genauigkeit und Präzision ist Galvanoforming das teuerste Bearbeitungsverfahren. Herkömmliche Galvanoforming-Werkzeuge verursachen in der Regel Kosten in Höhe von Tausenden von Dollar, und beim Einsatz von LDI müssen auch die Programmierkosten berücksichtigt werden. Außerdem ist die Materialflexibilität beim Galvanoforming begrenzt und beschränkt sich in der Regel auf Kupfer und Nickel.

Phototooling versus Elektroforming-Werkzeuge

Das Phototooling erreicht zwar nicht das Präzisionsniveau der Galvanotechnik, stellt aber eine kostengünstigere Alternative dar. Es bietet den Ingenieuren die Möglichkeit, Bauteile teilweise zu ätzen, indem zwei unterschiedliche Fotowerkzeuge auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats positioniert werden, was zu einem "gravierten" Merkmal führt. Darüber hinaus zeigt das chemische Ätzen eine außergewöhnliche Vielseitigkeit, da es mehr als 2.000 verschiedene Materialvarianten aufnehmen kann und den Ingenieuren somit eine breite und anpassungsfähige Materialauswahl für ihre Präzisionsbauteile bietet.

Schlussfolgerung

Phototooling erweist sich als vielseitige Methode zur Herstellung von präzisionsgeätzten Komponenten. Die Verwendung von verschleißfesten Mylar-Folien trägt zur Senkung von Kosten und Vorlaufzeiten bei und macht das Phototooling zu einer kosteneffizienten Option. Konstrukteure genießen außerdem unvergleichliche Freiheit und Flexibilität, da zusätzliche Kosten für Änderungen, die mit harten Werkzeugen verbunden sind, entfallen. Darüber hinaus eignet sich das Phototooling hervorragend für die Bearbeitung komplexer und komplizierter Designs und gewährleistet Präzision und Einheitlichkeit in verschiedenen Anwendungen und Branchen.