Precision Micro Stanzen? Lasern? – Nein, Ätzen heißt die Alternative!

Autor / Redakteur: Michaela Wassenberg / M.A. Frauke Finus

Stanzen ist gerade bei großen Losgrößen ein etabliertes Verfahren in der Blechverarbeitung. Mit filigranen und konturreichen Teilen ist die Stanztechnik aber mitunter überfordert. Eine echte Alternative ist hier das photochemische Ätzen, denn in einem subtraktiven chemischen Prozess können hochpräzise Metallteile erzielt werden – und das auch noch in großen Stückzahlen wirtschaftlich.

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Präzision trifft Design: High-End-Lautsprecherabdeckung für die Mercedes-C-Klasse.
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(Bild: Precision Micro)

Wenn es um die Fertigung von Metallteilen geht, ist das Stanzen ein etabliertes Verfahren, insbesondere bei großen Serienproduktionen und dickeren Ausgangsmaterialien. Zu bedenken sind die hohen Kosten für die Werkzeugerstellung, die sich aber amortisieren, je höher die zu fertigende Stückzahl ist. Wenn jedoch filigrane, detailreiche und konturgenaue Teile gefragt sind, stößt das Stanzverfahren an seine Grenzen. Durch das Stanzen werden Spannungen im Metall ausgelöst, die zur Anschrägung der Konturen und Gratbildung führen. Diese können erst in einem weiteren Prozessschritt beseitigt werden – was die Kosteneffizienz beeinträchtigt.

Bestimmte Anwendungen erfordern also ein Verfahren, das Planität und Konturgenauigkeit garantiert und gleichzeitig wirtschaftlich und auf hohe Stückzahlen ausgelegt ist. Mit der Ätztechnik sind diese Anforderungen erfüllt. In einem subtraktiven chemischen Prozess können hochpräzise Metallteile erzielt werden, sowohl zur Prototypenfertigung als auch in der Serienproduktion. Die Wiederholgenauigkeit ist beachtlich, wie Markus Rettig, Sales Manager bei Precision Micro in Deutschland, betont: „Beim photochemischen Ätzen gibt es keinen Werkzeugverschleiß, keine Materialermüdung wie bei anderen Verfahren. Wir können unseren Kunden garantieren, dass das erste und das millionste Teil absolut identisch sind.“ Precision Micro ist Spezialist für Ätztechnik und eines der führenden Unternehmen der Branche. In welchen Anwendungen die Ätztechnik ihre Vorteile gegenüber anderen Metallbearbeitungsverfahren ausspielt, zeigen die nachfolgenden Produktbeispiele.

Flachfedern, Tellerfedern: Flach, glatt und gratfrei

Anwendungsbeispiele sind Federn für Benzindirekteinspritzung und ABS-Bremssysteme im Automotive-Sektor, Federn für kryogene Kühler sowie Federn im medizinischen Bereich.

Bei Federapplikationen kommt es sehr auf die Planität, Materialstärke und das Rückschnellverhalten an – Eigenschaften, die durch den Produktionsprozess nicht beeinträchtigt werden dürfen. Üblicherweise werden Flachfedern gestanzt oder gelasert, doch beide Verfahren haben ihre Grenzen. Beim Stanzen sind die Konturen nicht präzise genug und Grate entstehen. Das Lasern ist ein abtragender, thermischer Prozess, der aufgrund der hohen Wärmeerzeugung ebenfalls unebene Kanten hinterlässt. Wenn diese nicht in einem weiteren Schritt vollständig entfernt werden, können sie Angriffspunkt für eine mögliche Materialermüdung sein. Im Anschluss an beide Verfahren können die Teile zur Gratentfernung durch Taumelschleifen bearbeitet werden, ein Prozess, der jedoch seinerseits die Materialoberfläche beschädigen kann und außerdem zusätzliche Prozesskosten verursacht.

Im photochemischen Ätzverfahren dagegen entstehen in einem Verfahrensschritt vollkommen flache, glatte und gratfreie Federn; es wird keine zusätzliche Beanspruchung auf das Material ausgeübt. Rettig gibt ein Beispiel: „Bei Federn für Benzindirekteinspritzanlagen ist das Stanzen keine Option, obwohl die produzierten Stückzahlen das Verfahren aus Kostengründen rechtfertigen würden. Aufgrund der Härte des zu bearbeitenden Edelstahls würden die Stanzwerkzeuge jedoch rasch verschleißen und müssten regelmäßig erneuert werden – ein unwirtschaftliches Vorgehen.“ Mit der Ätztechnik ist dagegen die nötige Präzision und auch ein wirtschaftlicher Produktionsprozess möglich: „Gemeinsam mit einem unserer Kunden aus dem Automotive-Sektor haben wir eine Feder für ein Einspritzsystem entwickelt, bei der das kleinste Detail eine Öffnung mit 4 mm Durchmesser ist, die wir dank der Ätztechnik mit einer Toleranz von +/-35 Mikrometer bei einem 0,6 mm dünnen Material produzieren können. Das entspricht einer 5-prozentigen Toleranz bezogen auf die Materialstärke. Diese Genauigkeit ist mit Stanzen oder Lasern nicht zu erreichen.“

Ein Aspekt, der nicht außer Acht gelassen werden darf, ist die Lebensdauer der gefertigten Metallteile. Sie sollen in ihren Anwendungen über lange Zeiträume fehlerfrei arbeiten und müssen daher so produziert werden, dass ihre vorhandenen Eigenschaften noch optimiert werden. Dabei ist die Kantenbeschaffenheit ein entscheidender Faktor. Mit dem Ätzverfahren gelingt eine einwandfreie Profilierung von spezifischem martensitischem Chromstahl, wie er in Federapplikationen in der Automobilbranche, in der Raumfahrt oder im medizinischen Bereich Verwendung findet.

Filter: Innovatives Design bei hoher Präzision

Typische Anwendungen, für die Precision Micro Komponenten produziert, sind Präzisionssprühdüsen für Haushaltsduschköpfe, High-End-Lautsprechergitter im Fahrzeuginnenraum für die Mercedes-C-Klasse, Insektengitter für Rauchmelder sowie kraniale Netzimplantate aus Titan.

Bei Gittern und Filtern sprechen die Komplexität und geringe Größe der Strukturen für das chemische Ätzen. Die Werkzeugerstellung verursacht beim Stanzen aufgrund der filigranen Öffnungen und Verbindungen deutlich höhere Kosten und benötigt eine viel längere Vorlaufzeit als beim Ätzen. Hier kommt es bei der digitalen Werkzeugerstellung nicht darauf an, ob es sich um ein Loch oder hunderte handelt. Die Fotomasken können wenn nötig in wenigen Stunden erstellt und auch unkompliziert modifiziert werden. Auch können Logos, dekorative Verzierungen (zum Beispiel bei Lautsprecherabdeckungen) oder Artikelnummern gleichzeitig während des Ätzvorgangs in die Netzstruktur eingraviert werden. Seriennummern sind beispielsweise bei Schädelimplantaten zur Identifizierung von Bedeutung. Die glatten und gratfreien Konturen, die beim Ätzvorgang entstehen, wirken sich positiv auf die Durchflusseigenschaften der Gitter aus; Grate können diese negativ beeinflussen.

Auf eine besondere Güte der Öffnungen kam es beispielsweise bei der Entwicklung eines Sprühtellers für den 360-Grad-Duschkopf eines führenden Herstellers von Duschsystemen an. Gefordert war ein besonders feines und gleichmäßiges Sprühmuster, das mit herkömmlichen Fertigungsverfahren wie Stanzen bisher nicht erreicht werden konnte. Das Design sah einen kleinen Sprühteller mit 900 Präzisionsöffnungen mit einer Größe von 0,148 mm vor – bei einer Toleranz von +/-0,02 mm. Die geometrische Form jedes einzelnen Lochs sollte dabei so perfekt sein, dass das Wasser ohne Ablenkung des feinen Strahls passieren konnte. Markus Rettig erläutert die Umsetzung bei Precision Micro: „Wir variierten die Größe der Öffnungen auf der Ober- und Unterseite des Werkzeugs und entwickelten so eine einzigartige konische, sich verjüngende Form, die ein extrem feines und gleichmäßiges Sprühmuster ermöglicht.“ Der Duschkopf ist nach der erfolgreichen Prototypenentwicklung mit der gleichen Ätztechnologie in Serienproduktion gegangen.

Wärmetauscherplatten: Teures Titan effizient bearbeiten

Im Bereich Wärmetauscherplatten produziert Precision Micro Kühlplatten aus Titan oder Edelstahl für die Halbleiterindustrie und bipolare Platten in Brennstoffzellen sowohl für den Energiebereich als auch die Automobilindustrie.

Bei Wärmetauscherplatten und Platten in Brennstoffzellen kommt es auf absolute Ebenheit der Flächen und Konturen an. Grate stören den direkten Kontakt der Platten, die üblicherweise in Stapeln verbunden sind. Jede Unebenheit, jeder Grat kann die darüber- oder darunterliegende Platte negativ beeinflussen. Beim Stanzvorgang kann abgesehen von den Konturungenauigkeiten das Material zudem verbiegen. Das photochemische Ätzen liefert hier in einem Schritt deutlich bessere Ergebnisse. Ein weiterer Faktor, der für das Ätzen spricht, ist das bevorzugte Material der Hersteller: Titan. Üblicherweise wurden Wärmetauscherplatten aus Edelstahl gefertigt, jedoch ist Titan der stabilere und korrosionsfestere Werkstoff und damit zu bevorzugen. Gleichzeitig lassen die stabilen Materialeigenschaften Titan nur äußerst schwierig und langsam bearbeiten, insbesondere mit den gängigen Fertigungsmethoden wie Stanzen oder Lasern. Titan ist zudem ein sehr teurer Werkstoff, sodass es beim Bearbeitungsverfahren darauf ankommt, Abfall so weit wie möglich zu reduzieren. Als erstes Unternehmen in Europa hat Precision Micro das Ätzen von Titan in Serienproduktion etabliert und eine Antwort auf die genannten Herausforderungen gefunden. „Nicht ganz einfach“, erinnert sich Markus Rettig, „schließlich ist Ätzen ein korrosiver Vorgang – und Titan aber ein korrosionsbeständiges Metall. Die chemischen Grundlagen und die Infrastruktur mussten daher exakt auf die Titanbearbeitung angepasst werden.“

Mit Erfolg: Bei der Waferproduktion eines Kunden wurde eine diffusionsgeschweißte Kühlplatte aus Titan benötigt. Zuvor fertigte das Unternehmen einen Stab aus 6 mm dickem Titan in einem Zeitraum von 24 Stunden. Das Material musste so dick sein, um ein Aufwölben zu vermeiden, da es durch Laserschweißen zu sich deckenden 1 mm dicken Platten weiterverarbeitet wurde. Das Laserschweißen wurde zweifach durchgeführt, um ein Auslaufen von Kühlflüssigkeit zu vermeiden. „Ein sehr aufwendiger und kostenintensiver Prozess“, so Markus Rettig, „der durch den Einsatz der Ätztechnik deutlich verkürzt werden konnte.“ Das Ätzen erlaubt die Verarbeitung von zwei 0,7 mm dünnen Titanplatten, was wiederum eine Gewichtsreduzierung von 75 % bedeutet. Außerdem verläuft der Bearbeitungsvorgang deutlich schneller und effizienter. Die Kombination von photochemischem Ätzen und Diffusionsschweißen ermöglicht die Herstellung von auslaufsicheren Produkten ohne Nahtstellen oder Schweißpunkte.

Hohe Stückzahlen versus Präzision und Schnelligkeit

Das Stanzen von Metall ist bei hohen Stückzahlen und gleichzeitig geometrisch einfacheren Teilen eine wirtschaftliche Lösung. Zumal sich bei großen Serien die Initialkosten der Werkzeugerstellung ausgleichen. Zudem sind beim Stanzen auch Bleche mit größeren Stärken möglich. Photochemisches Ätzen eignet sich nur für Metalle mit einer Dicke bis zu 1,5 mm; andernfalls wird der Vorgang unökonomisch. In den genannten Produktbeispielen jedoch ist das photochemische Ätzen aufgrund der Komplexität und Präzision der zu fertigenden Teile sowie der Schnelligkeit und Kosteneffizienz des Prozesses das Verfahren der Wahl.

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