El grabado químico o grabado industrial es el proceso de fabricación sustractiva que consiste en utilizar baños de productos químicos de grabado a temperatura regulada para eliminar material y crear un objeto con la forma deseada. [1] [2] Otros nombres para el grabado químico incluyen fotograbado, grabado químico, grabado fotoquímico y mecanizado fotoquímico . Se utiliza principalmente en metales, aunque otros materiales son cada vez más importantes. Se desarrolló a partir de los procesos de grabado para decoración de armaduras e impresión desarrollados durante el Renacimiento como alternativas al grabado en metal. El proceso implica esencialmente bañar las áreas de corte en un químico corrosivo conocido como grabador , que reacciona con el material en el área a cortar y hace que el material sólido se disuelva; se utilizan sustancias inertes conocidas como enmascarantes para proteger áreas específicas del material como resistencias . [2] [3]
Los productos químicos orgánicos como el ácido láctico y el ácido cítrico se han utilizado para grabar metales y crear productos desde el año 400 a. C., cuando se utilizaba vinagre para corroer el plomo y crear el pigmento cerusa , también conocido como albayalde . [4] La mayoría de los métodos de molienda química modernos implican grabadores alcalinos; estos pueden haberse utilizado ya en el siglo I d. C.
El grabado de armaduras, con ácidos minerales fuertes, no se desarrolló hasta el siglo XV. Se aplicaban aguafuertes mezclados con sal, carbón y vinagre a las armaduras de placas que habían sido pintadas con un enmascarador de pintura de aceite de linaza. El aguafuerte se clavaba en las áreas desprotegidas, lo que hacía que las áreas pintadas se levantaran en relieve . [4] El grabado de esta manera permitió decorar la armadura como si fuera un grabado preciso, pero sin la existencia de rebabas elevadas ; también evitó la necesidad de que la armadura fuera más blanda que una herramienta de grabado. [5] A finales del siglo XVII, el grabado se empezó a utilizar para producir las graduaciones en los instrumentos de medición; la delgadez de las líneas que podía producir el grabado permitió la producción de instrumentos más precisos y exactos de lo que era posible antes. [6] No mucho después, se empezó a utilizar para grabar placas de información de trayectoria para operadores de cañones y artillería ; el papel rara vez sobrevivía a los rigores del combate, pero una placa grabada podía ser bastante duradera. A menudo, dicha información (normalmente marcas de distancia) se grababa en equipos como dagas con forma de estilete o palas.
En 1782, John Senebier descubrió que ciertas resinas perdían su solubilidad en trementina cuando se exponían a la luz; es decir, se endurecían. Esto permitió el desarrollo del fresado fotoquímico , en el que se aplica un enmascarador líquido a toda la superficie de un material y se crea el contorno del área a enmascarar exponiéndola a la luz ultravioleta. [7] El fresado fotoquímico se utilizó ampliamente en el desarrollo de métodos de fotografía, permitiendo que la luz creara impresiones en placas de metal.
Uno de los primeros usos del grabado químico para fresar piezas comerciales fue en 1927, cuando la empresa sueca Aktiebolaget Separator patentó un método para producir filtros de borde fresando químicamente los huecos de los filtros. [8] Más tarde, alrededor de la década de 1940, se empezó a utilizar ampliamente para mecanizar muestras delgadas de metal muy duro; el fotograbado de ambos lados se utilizó para cortar chapa metálica, papel de aluminio y calzas para crear calzas, trastes de grabación térmica y otros componentes. [9]
El grabado tiene aplicaciones en las industrias de fabricación de semiconductores y placas de circuitos impresos . También se utiliza en la industria aeroespacial [10] para eliminar capas superficiales de material de componentes de aeronaves grandes, paneles de revestimiento de misiles y piezas extruidas para fuselajes. El grabado se utiliza ampliamente para fabricar circuitos integrados y sistemas microelectromecánicos . [10] Además de las técnicas estándar basadas en líquidos, la industria de semiconductores utiliza comúnmente el grabado de plasma .
El fresado químico se realiza normalmente en una serie de cinco pasos: limpieza, enmascaramiento, rayado, grabado y desenmascaramiento. [2] Vídeo del proceso de fresado químico Más información sobre el vídeo
La limpieza es el proceso preparatorio para asegurar que la superficie que se va a grabar esté libre de contaminantes que podrían afectar negativamente la calidad de la pieza terminada. [2] [11] Una superficie limpiada de manera inadecuada podría resultar en una mala adhesión del enmascarador, causando que las áreas se graben erróneamente, o una velocidad de grabado no uniforme que podría resultar en dimensiones finales inexactas. La superficie debe mantenerse libre de aceites, grasa, capas de imprimación, marcas y otros residuos del proceso de marcado , sarro (oxidación) y cualquier otro contaminante extraño. Para la mayoría de los metales, este paso se puede realizar aplicando una sustancia solvente a la superficie que se va a grabar, lavando los contaminantes extraños. El material también se puede sumergir en limpiadores alcalinos o soluciones desoxidantes especializadas. Es una práctica común en las instalaciones de grabado químico industrial modernas que la pieza de trabajo nunca se manipule directamente después de este proceso, ya que los aceites de la piel humana podrían contaminar fácilmente la superficie. [3]
El enmascaramiento es el proceso de aplicar el material enmascarador a la superficie para garantizar que solo se graben las áreas deseadas. [2] [3] Los enmascaradores líquidos se pueden aplicar mediante enmascaramiento por inmersión, en el que la pieza se sumerge en un tanque abierto de enmascarador y luego el enmascarador se seca. El enmascarador también se puede aplicar mediante recubrimiento por flujo: el enmascarador líquido se hace fluir sobre la superficie de la pieza. Ciertos enmascaradores conductores también se pueden aplicar mediante deposición electrostática , donde se aplican cargas eléctricas a partículas de enmascarador a medida que se rocía sobre la superficie del material. La carga hace que las partículas de enmascarador se adhieran a la superficie. [12]
El enmascarador que se utilizará se determina principalmente por el producto químico utilizado para grabar el material y el material en sí. El enmascarador debe adherirse a la superficie del material y también debe ser lo suficientemente inerte químicamente con respecto al grabador para proteger la pieza de trabajo. [3] La mayoría de los procesos de fresado químico modernos utilizan enmascaradores con una adhesión de alrededor de 350 g cm −1 ; si la adhesión es demasiado fuerte, el proceso de rayado puede ser demasiado difícil de realizar. Si la adhesión es demasiado baja, el área de grabado puede estar definida de manera imprecisa. La mayoría de las instalaciones de fresado químico industrial utilizan enmascaradores basados en elastómeros de neopreno o copolímeros de isobutileno-isopreno. [13]
El rayado es la eliminación del enmascarador en las áreas que se van a grabar. [2] Para aplicaciones decorativas, esto se hace a menudo a mano mediante el uso de un cuchillo de rayado, una aguja de grabado o una herramienta similar; las aplicaciones industriales modernas pueden implicar que un operador trace con la ayuda de una plantilla o utilice control numérico por computadora para automatizar el proceso. Para piezas que implican múltiples etapas de grabado, se pueden utilizar plantillas complejas que utilizan códigos de color y dispositivos similares. [14]
El grabado es la inmersión de la pieza en el baño químico y la acción del químico sobre la pieza a fresar. [15] El tiempo que se pasa sumergida en el baño químico determina la profundidad del grabado resultante; este tiempo se calcula mediante la fórmula:
donde E es la velocidad de grabado (generalmente abreviada como velocidad de grabado ), s es la profundidad del corte requerida y t es el tiempo total de inmersión. [10] [15] La velocidad de grabado varía en función de factores como la concentración y la composición del agente de grabado, el material a grabar y las condiciones de temperatura. Debido a su naturaleza inconstante, la velocidad de grabado a menudo se determina experimentalmente inmediatamente antes del proceso de grabado. Una pequeña muestra del material a cortar, de la misma especificación del material, condición de tratamiento térmico y aproximadamente el mismo espesor se graba durante un tiempo determinado; después de este tiempo, se mide la profundidad del grabado y se utiliza con el tiempo para calcular la velocidad de grabado. [16] El aluminio se graba comúnmente a velocidades de alrededor de 0,178 cm/h y el magnesio de aproximadamente 0,46 cm/h. [17] [10]
El desenmascaramiento es el proceso de limpieza de la pieza de reactivo de grabado y enmascarador. [2] [18] El reactivo de grabado se elimina generalmente con un lavado de agua fría clara. También puede ser necesario un baño desoxidante en el caso común de que el proceso de grabado haya dejado una película de óxido en la superficie del material. Se pueden utilizar varios métodos para eliminar el reactivo de grabado, siendo el más común la eliminación manual con herramientas de raspado. Esto suele llevar mucho tiempo y es laborioso, y para procesos a gran escala puede automatizarse. [19]
El 2% de Nital es un agente de grabado común para aceros al carbono simples.
