Usinage chimique expliqué : processus, applications et avantages

Qu'est-ce que l'usinage chimique ?

L'usinage chimique est l'enlèvement propre de métal sur des zones prédéfinies sans altérer l'intégrité ou les propriétés du métal par un processus photochimique. Ce processus est principalement utilisé pour créer de petites pièces métalliques minces au design complexe sans brûlures ni contraintes.

Le processus commence par le nettoyage des saletés et huiles du métal. Un photorésist est appliqué et cuit pour assurer une application uniforme. Le motif est ensuite placé sur la feuille de métal préparée et exposé à la lumière ultra-violette, résultant en la résolution et les spécifications de gravure souhaitées.

Le motif est retiré et le résist est prêt à être développé ou enlevé. À ce stade, le métal est prêt à être gravé en plongeant la feuille dans une solution chimique qui dissout tout le matériau non intégral à la pièce. Après gravure, le résist est enlevé et les pièces métalliques sont nettoyées, inspectées et emballées.

Processus d'usinage chimique

Les différents processus d'usinage chimique sont donnés ci-dessous :

1. Nettoyage

Au nettoyage, les pièces sont nettoyées pour enlever huile, graisse, poussière ou toute substance afin que le traitement ultérieur se fasse correctement.

Le nettoyage est nécessaire pour assurer l'adhérence du matériau de masquage à la pièce. En cas de défaut de masquage, une gravure parasite se produit.

Divers types de nettoyage (dégraissage vapeur, gravure alcaline, etc., comme les masquants) sont effectués selon le matériau et la profondeur d'usinage requise. Le nettoyage de matériau poreux est difficile.

Il y a principalement deux méthodes : mécanique et chimique. La méthode chimique est largement utilisée car elle cause beaucoup moins de dommages que la méthode mécanique.

Si le masque est plus épais ou plus fin et nettoyé chimiquement, les parties plus fines ou nettoyées du masque sont raffinées. Chauffer le nettoyage aide.

2. Masquage

Le masquage utilise des masques. Ces masques sont inertes et ne réagissent pas avec les produits chimiques du processus. Le masque doit être facile à peler.

Dans ce processus, les parties de la pièce qui ne doivent pas être usinées sont masquées pour que la partie usinée soit exposée au produit chimique. Mais lors du masquage, toute la pièce est masquée initialement.

Les masques sont appliqués par trois méthodes :

• Méthode découper-et-peler.
• Méthode sérigraphie.
• Méthode photorésist.

3. Gravure du masque (Scribing)

Après le masquage, le masque est enlevé sur la zone à usiner pour qu'une réaction chimique puisse s'y produire. Après le scribing, seules les zones à usiner sont exposées à l'usinage chimique.

4. Attaque chimique (Etching)

Après filtrage, la pièce est immergée dans un contenant avec un produit chimique qui réagit avec la pièce.

Quand la pièce est immergée, la zone masquée ne subit aucune réaction chimique, et la zone non masquée réagit avec le chimique et le matériau de la zone non masquée commence à s'en aller.

L'attaque est généralement effectuée à température élevée. Les bulles de gaz ne doivent pas être piégées pour éviter l'usinage non uniforme.

5. Démasquage

Après l'attaque, les masques sont enlevés de la zone non usinée, et la couche d'oxyde aussi de la zone usinée.

6. Lavage

Après le démasquage, la pièce est soigneusement rincée à l'eau douce pour enlever complètement toute substance de la surface.

Une étape optionnelle est le chauffage/refroidissement de l'attaquant : la température est maintenue dans le contenant par une tige chauffante ou refroidissante.

Types de processus d'usinage chimique

Le processus s'applique à diverses opérations : fraisage, découpage, gravure. Les processus peuvent être classés comme :

• Fraisage chimique
• Découpage chimique
• Gravure chimique

L'usinage chimique pour usages spéciaux peut aussi être réalisé avec des gaz réactifs, ex: jets de chlore dans la zone d'usinage. C'est l'usinage chimique gazeux ou au chlore chaud, utilisé pour le débogage de pièces métalliques.

1. Fraisage chimique

Le fraisage chimique ou gravure industrielle est le processus soustractif utilisant des bains de produits chimiques à température régulée pour enlever de la matière et créer un objet de la forme désirée.

Autres noms : photo-gravure, gravure chimique, photogravure chimique, usinage photochimique. Surtout utilisé sur métaux, d'autres matériaux deviennent importants. Développé à partir de processus de gravure pour décoration d'armures et imprimerie à la Renaissance comme alternatives à la gravure sur métal.

Le processus implique de baigner les zones de coupe dans un chimique corrosif (attaquant), qui réagit avec le matériau dans la zone à couper et dissout le matériau solide ; des substances inertes (masquants) protègent les zones spécifiques comme résistances.

Applications

La gravure a des applications dans les industries des circuits imprimés et fabrication de semi-conducteurs. Aussi utilisée dans l'aérospatial pour enlever des couches superficielles de grands composants d'avion, panneaux de missiles, pièces extrudées pour cellules d'avion.

Largement utilisée pour fabriquer circuits intégrés et systèmes microélectromécaniques. En plus des techniques liquides standards, l'industrie des semi-conducteurs utilise couramment la gravure plasma.

2. Découpage chimique

Le découpage chimique, photo-fabrication, photo-vibration, ou photo-gravure sont des variantes du fraisage chimique. Dans ce processus, les matériaux sont complètement enlevés de nombreuses zones par action chimique.

Principalement utilisé sur feuilles et feuilles minces. Presque tous les métaux peuvent être travaillés ; cependant, non recommandé pour amincir des matériaux > 2 mm.

La pièce est nettoyée, réduite, et sélectionnée par acide ou alcali. Le métal nettoyé est séché, et le photorésist appliqué par trempage, centrifugation ou pulvérisation. Puis séché et durci. Des matériaux photographiques produisent des images résistantes à la dégradation dans le photorésist.

Ce masque est sensible à une fréquence lumineuse particulière, lumière ultraviolette généralement, pas à la lumière ambiante. La surface est exposée à la lumière à travers un négatif, une plaque photographique du design requis. Après exposition, l'image est développée. Les parties inattendues se séparent pendant le développement montrant le métal nu.

Le métal est maintenu dans une machine pulvérisant des produits chimiques ou ajoutés à la boue. La solution peut être acide fluorhydrique (pour titane) ou autres chimiques. Après 1 à 15 minutes, le métal indésirable a été ingéré, et la pièce finie est prête à démaquiller immédiatement.

3. Gravure chimique

Cartes de circuits imprimés, autres opérations de gravure, et découpes de designs complexes peuvent être chimiquement découpées en utilisant des masquants photorésist.

• Métaux très fins (0,005 mm) peuvent être bien gravés.
• Haute précision de l'ordre de ±0,015 mm maintenue.
• Taux de production élevés possibles avec technique photographique automatisée.

Applications de l'usinage chimique

• CHM appliqué où la profondeur d'enlèvement de métal est cruciale à quelques microns près, tolérances serrées.
• Finition de surface obtenue : 0,5 à 2 microns.
• Enlève le métal d'une partie de toute la surface de pièces formées ou de forme irrégulière : forgés, coulés, extrudés ou étirés formés.
• Une application majeure : fabrication d'estampillages complexes sans bavures.

Avantages et inconvénients de l'usinage chimique

• Avantages : ne déforme pas la pièce, ne produit pas de bavures, utilisable sur matériaux les plus difficiles à usiner.
• Inconvénients : processus lent, pas utilisé pour grandes quantités ou matériaux > 2 mm d'épaisseur.
• Petites pièces : 10 à 100 à la fois sur une plaque, accélère la production.