تولید قطعات ظریف به روش Photo Chemical Machining

چکیده :
تولید قطعات ظریف به روش Photo Chemical Machining بر پایه اسید کاری بنــا شده است که خود ازقدیمی ترین روشهای تولید قطعات می باشد.دراین روش که جزء روشهای ماشینکاری بدون براده می باشد می توان قطعه مورد نظر را با برداشتن قسمتهای اضافی ماده اولیه تولید کرد . ازجمله محصولاتی که به این روش می توان تولید کرد : چرخدنده ساعت ، بردهای الکترونیکی ، پایه کرنش سنج Strain gage ، انواع میکرو *****ها ، سوپاپ کمپرسور و...

تولید قطعات ظریف به روش Photo Chemical Machining

مقدمه :
مکانیزمهای ماشینکاری معمول که با انجام عمل براده برداری همراهند با توجه به معیارهای صنعتی و اقتصادی از بهره وری پائینی برخوردارند ، در این روشها مقادیر معتنابهی انرژی صرف براده برداری می شود که در نهایت دور انداخته می شود .غالباً کارسرد ناخواسته نیز در قطعه صورت می گیرد . این اثرات غالباً لزوم انجام عملیات دیگری را برای از بین بردنشان موجب می شوند. یک نکته نسبتاً مهم دیگر اتلاف مقادیر قابل توجهی ماده و مسئله دور کردن براده ها از محیط کار و بازیابی آنهاست.
علاوه بر این ماشینکاری با براده در موارد متعددی بر روی مواد جدید و موادی که احتمالاً در آینــده تولید می شوندبسیار دشوار است.بنابراین جای تعجب نیست که در سالهای اخیر نیروی فکری و پژوهشی فراوانی صرف بوجود آوردن و پیشرفت فرآیندهائی شده است که طی آن ماده ناخواسته بدون ایجاد براده از قطعه کار برداشته می شود. در نتیجه چندین فرآیند ماشینکاری بدون براده با کارائی زیاد بوجود آمده اند و نه تنها در بسیاری موارد جایگزین فرآیندهای ماشینکاری با براده شده اند بلکه امکان تولید فرآورده هائی را فراهم ساخته اند که قبل از این راه دیگری برای تولیدشان وجود نداشت که روش ماشینکاری فتو شیمیائی یکی از این روشهاست .

اصولاً ماشنکاری فتو شیمیائی ساده ترین نوع ماشینکاری بدون براده است .در این فرآیند ماده از محل مورد نظر قطعه بوسیله مواد شیمیائی برداشته می شود . مکانیزم عمل ، همان مکانیزم عملکرد پیل الکترو شیمیائی است که از خورده شدن یا حل شدن فلز در ماده شیمیائی و بدون مدار خارجی ایجاد می شود .این فرآیند را با توجه به نوع قطعه تولیدی به دو دسته تقسیم می کنند :

الف ) Chemical Milling :این نام از آنجا ناشی شده است که اولین موارد استفاده این فرآیند برای جایگزینی روش فرزکاری بوده است .
ب ) Chemical Blanking :در مواردی که امکان تولید قطعه با قالبهای سنبه ماتریس وجود دارد ( اگر چه در موارد متعددی اندازه وجزئیات ابعادی قطعه طوری است که امکان تهیه آن با روشهای معمولی بوسیله قالبهای برش وجود ندارد )
در واقع اساس روش ماشینکاری فتو شیمیائی چیز تازه ای نیست و سالهای متمادی در تهیه کلیشه های چاپ و تابلوهای برجسته کوچک بکار می رفته است . لیکن استفاده از آن بعنوان یک فرآیند ماشینکاری مستلزم برداشتن مقادیر بیشتری از ماده و رعایت دقت افزونتری است . اصول کار بسیار ساده است ، قطعه کار را در یک محلول شیمیائی که بر حسب جنس ماده ممکن است اسیدی یا بازی انتخاب شود فرو برده یا محلول شیمیائی را بر روی آن می پاشند . مجاورت محلول شیمیائی با قطعه کار آنقدر ادامه می یابد تا مقدار ماده مورد نظر طی عمل شیمیائی از قطعه کار برداشته شود . اگر از روش فروبردنی استفاده شود محلول شیمیائی را مرتباً به هم می زنند تا محصولات واکنش شیمیائی از محل دور شده و فلز در معرض ماده شیمیائی تازه (Fresh)قرار بگیرد ولی در روش پاشیدنی (Spray)این امر ضرورت ندارد . تکنیکی ترین مرحله این فرآیند ایجاد پوشش مقاوم روی سطح کار است به گونه ای که بتوان فقط در محلهای مورد نظر آنها را از سطح کار جدا کرد ، معمولاً این کار با روشهای عکسبرداری و با استفاده از ماده مقاوم حساس به نور PhotoResist صورت می گیرد .

مراحل تولید قطعات به روش ماشینکاری فتوشیمیائی :

1- برش ورق با ابعاد مورد نظر از ورق با جنس دلخواه .

2- چربی زدائی : در این مرحله ورق بریده شده به کمک یکی از موادی نظیر اسید،

سود ، تینر ویا الکل چربی زدائی می شود و کلیه چربیهای آن گرفته می شود که دقت کار و تلرانسهای قطعه نهائی در انتخاب ماده چربی زدا موثر است .

3-شستشو : پس از چربی زدائی ورق ماده اولیه به کمک آب شستشو داده و عمل Polish انجام می شود .
4- عملیات Masking(پوشانیدن سطح کار با ماده مقاوم حساس به نور Photoresist ): برای این کار میتوان قطعه را در محلول فرو برده یا محلول را روی آن پاشید و یا در حالی که قطعه با سرعت حدودRPM 80 می چرخد محلول را بر روی آن ریخت .باید توجه داشت که عملیات Masking باید در محلی که عاری از نور معمولی باشد انجام شود که این مرحله را می توان در اطاق تاریک یا اطاق با نور زرد Yellow Room انجام داد که مورد دوم بدلیل دید بهتر در حین پوشانیدن سطح قطعه کار ارجحتر است .همچنین باید دقت داشت مرحله Masking باید در محلی که عاری از گرد و غبار باشد (ترجیحاً اطاق تمیز Clean Room ) انجام گیرد .
یکی از روشهای Masking استفاده از Laminate (استفاده از مواد پوشاننده که به صورت لایه ای تهیه شده اند) می باشد که Laminate با ضخامتهای متفاوتی وجود دارد (17m تا 40 m ) که با توجه به جنس قطعه کار ، تلرانسها و دقت مورد نیاز برای قطعه می توان از ضخامتهای مخـتلف استفاده کرد و گاهی برای کاربردهــای خــاص - مثلاً برای قطعات ضخیم (2mm یا 3mm) – عمل کشیدن Laminate بر روی قطعه را تکرار نموده تا به ضخامت مورد نظر حاصل شود .
5-آماده ساختن Art Work : در این مرحله نقشه دقیق قطعه با مقیاس 20 یا 50 ویا 100 برابر بر روی فیلم تهیه می شود . بعنوان مثال با بزرگنمائی 50 دقت 0.1mm در نقشه به معنی دقت 0.002 در قطعه نهائی است .
6- کوچک کردن نقشه با روش عکسبرداری و تهیه فیلم در ابعاد واقعی قطعه :در این مرحله باید توجه داشت که اگر سوراخهای قطعه راه بدر ( دو سر باز ) باشد یک جفت فیلم عکاسی نیاز است .در غیر اینصورت یک عدد فیلم کافی است .از یک سری فیلم تهیه شده می توان برای تولید چندین هزار قطعه استفاده نمود و تا هنگامی که فیلم تهیه شده شکسته یا مخدوش نشده باشد می توان از آن استفاده کرد.
7- تابانیدن نور از داخل فیلم بر روی قطعه کار : در این مرحله پس از قرار دادن فیلم عکاسی تهیه شده بر روی قطعه ای که قبلاً روی آن ماده Photoresist کشیده شده است به آن نور تابیده می شود.که تابش نور بهPhotoresist باعث می شود که محلهای مورد نظر سخت شده بطوری که در مرحله ظهور Developeاز سطح کار کنده می شود. در این مرحله برای بدست آوردن دقت ابعادی بیشتر از نور ماوراء بنفش ( با طول موج 380 nm– 420 nm) استفاده می گردد.در این مرحله برای اینکه فیلم و قطعه کار کاملاً به هم بچسبند عملیات در یک محفظه خلاء انجام گیرد به این ترتیب که پس از قرار دادن قطعه وفیلم داخل دستگاه ابتدا پمپ خلاء شروع به کار کرده و پس از گذشت زمانی جهت ایجاد خلاء نور ماوراء بنفش تابانیده می شود و متناسب با ظرافت قطعه زمان تابش نور نیز باید تنظیم شود .
8- ظهور قطعه کار : ظهور به معنی برداشتن یا حل کردن قسمتهایی است که در آنها ماده Photoresistنور نمی بیند و در نتیجه آن پوشش از روی محلهای مورد نظر سطح قطعه کار برداشته می شود. شستشو جهت پاک کردن مواد اضافی آخرین مرحله ظهور را تشکیل می دهد .
9- باز بینی قطعه ظاهر شده: در این مرحله قطعه کار ظاهر شده را حتماً بصورت چشمی بازبینی نموده تا اگر اشکالی در آن وجود داشت اقدام به رفع آن گردد.
10- حکاکی Etching : در این مرحله با استفاده از محلول شیمیائی مناسب قطعه نهائی از قطعه ای که عمل ظهور بر روی آن انجام گرفته بدست می آید. عملیات حکاکی می تواند به دو روش انجام شود :

الف ) غوطه ور کردن قطعه در محلول شیمیائی (Immersion )

ب ) پاشیدن محلول شیمیائی بر روی قطعه (Spray)

میزان غلظت محلول و همچنین مدت زمان عملیات Etching بستگی به مواردی نظیر جنس قطعه و ضخامت ورق دارد .

11- شستشوی قطعات تولید شده با آب وخشک کردن قطعات .

لازم به ذکر است که مراحل 1تا 4 می توانند به موازات مراحل 5و6 باشند .

نکات قابل توجه در طراحی قطعات برای ماشینکاری فتو شیمیایی
در طراحی قطعات به منظور تهیه به روش فتوشیمیائی رعایت چند نکته خاص لازم است ، تغییرات دما و رطوبت اتاق کار در اندازه Art Work تاثیر می گذارد و در بیشتر موارد می توان با استفاده از فیلمهای ضخیمتر این عدم دقت را تا حد مطمئنی از بین برد .در مواردی که اندازه قطعات باید بسیار دقیق باشد لازم است رطوبت و دمای اتاق کنترل شود .
نکته دیگری که باید مورد توجه قرار گیرد شعاع حکاکی یا ضریب حک Etch Factor است . از آنجا که ماده حکاکی بر روی هر سطحی که با آن در تماس باشد اثر می کند ، قسمتهائی که به مدت زیادتری در معرض آن باشند ، بیشتر خورده می شود در نتیجه با ادامه حکاکی و افزایش عمق قسمت برداشتنی تمایل به خالی شدن زیر پوشش مقاوم بیشتر می شود.

هنگام انجام عمل Chemical Blanking دو طرفه ، فصل مشترک بصورت لبه تیزی در وسط فاصله برداشته شده از قطعه باقی می ماند که مطلوب نمی باشد . در نتیجه معمولاً عمل حکاکی را آنقدر ادامه می دهیم تا دیواره مستقیم بوجود آید .( شکل 2)

امتیازات و معایب ماشینکاری فتو شیمیائی :

ماشینکاری فتو شیمیائی دارای چند امتیاز مشخص است که در ذیل به پاره ای از آنها می پردازیم :

1-حرارت ، تنش و دیگر خواص فیزیکی فلز در طی عملیات تغییر نمی کند .

2- این فرآیند را می توان برای طیف وسیعی از مواد استفاده نمود.( تقریباً برای هر فلزی می توان مورد استفاده قرار داد )
3- تقریباً قطعات به هر شکل را می توان با این فرآیند ماشینکاری کرد و کاربرد اقتصادی آن بیشتر برای کاهش وزن قطعات پیچیده است .
4- زمان تولید قطعات نسبت به سایر فرآیندها ( مثل تولید با قالب ) بسیار پائین است .

5-فلزات در ابعاد بسیار ریز بدون هرگونه اعوجاجی بریده می شوند .

6- سختی فلز به عنوان یک عامل تاثیر گذار در عملیات فتوشیمیائی تاثیری ندارد .
7- فلزات ترد ( از قبیل فولادهای الکتریکی – فولادی که دارای حدود 12% سیلیسیم میباشد - که اغلب در حین عمل Blanking معمولی می شکنند ) بدون مشکل توسط این روش Blank می شوند

8-هزینه تغییر طرح وقتی که فقط Art Work تغییر میکند ، پائین است .

معایب فرآیند ماشینکاری فتو شیمیائی :

1- در کارگاهی که عملیات انجام می شود باید موارد ایمنی بطور کامل و دقیق رعایت شود چون بخارات سمی حاصل از واکنشهای شیمیائی که در هوا منتشر می شوند برای سلامتی افراد مضر می باشند . همچنین نگهداری و حمل ونقل مواد شیمیائی نیاز به تدابیر ایمنی خاصی برای جلوگیری از آتش سوزی و سایر موارد نیاز دارد .

2- استحکام تسلیم محصولات تولید شده نسبتاً پائین است .

3- محدودیت ضخامت در این روش یک مشکل جدی است و حداکثر ضخامت ورق مورد استفاده 2 mm می باشد.
4- عکسبرداری مناسب برای تهیه فیلم اغلب نیاز به تجهیزات و امکانات ویژه دارد .
5- اپراتورها در پاره ای از مراحل کاری بایستی از مهارت نسبتاً بالائی برخوردارباشند .

6- گوشه های تیز را نمی توان با این روش ایجاد کرد .

نتیجه :

ماشینکاری فتوشیمیائی سریعترین روش تولید دقیق و ظریف بدون قالب وپرس جهت قطعات تخت و صاف با کمترین هزینه می باشد و مزیت دیگر این روش امکان استفاده آن در هر دو زمینه تولید نمونه Prototype و تولید انبوه می باشد که در هر دو حال مقرون به صرفه است .