INTRODUCCIN E HISTORIA

El maquinado qumico (CHM, por sus siglas en ingls) es un proceso no tradicional en el que ocurre una remocin de materiales mediante el contacto con sustancias de accin qumica fuerte.

El ataque qumico hmedo puede que sea uno de los ms antiguos mtodos de grabado no convencional, puesto que los egipcios, en el ao 2300 AC ya lo utilizaban para conformar cobre mediante el uso de cido ctrico. Desde entonces, es un proceso que ha evolucionado constantemente, llegando hasta el siglo XIX para su uso en grabados decorativos. Posteriormente, una de las mayores aportaciones constructivas al proceso se produjo gracias a la fotografa, disciplina en la que se empezaron a utilizar materiales fotosensibles para grabar sobre aleaciones de estao-plomo.

Las aplicaciones dentro del proceso industrial empezaron poco despus de la Segunda Guerra Mundial en la industria de las aeronaves. El uso de materiales qumicos para remover secciones no deseadas de una pieza de trabajo se aplica en varias formas y se han creado trminos distintos para diferenciar las aplicaciones. Estos trminos incluyen el fresado qumico, el preformado qumico, el grabado qumico y el maquinado fotoqumico (PCM, por sus siglas en ingls).Todos emplean el mismo mecanismo de remocin de material y es conveniente analizar las caractersticas generales del maquinado qumico antes de definir los procesos individuales.

La principal aplicacin en nuestros das es en la industria electrnica y microelectromecnica.

DESCRIPCIN

La eliminacin de material puede llevarse a cabo mediante la inmersin en la sustancia atacante, o bien por simple proyeccin de la misma. Es un proceso adecuado para grandes superficies, como recubrimientos de ala, ya que el ataque se produce en funcin del tiempo, independientemente de la extensin de la pieza. Si bien las velocidades de mecanizado que se consiguen no son muy elevadas, se cuenta con la ventaja de poder atacar toda la pieza de una vez. Por esta razn se tardara el mismo tiempo en mecanizar una pieza pequea, como un circuito impreso, que una grande como podra ser un panel de satlite. El tiempo que la pieza est sumergida en la solucin corrosiva es, por tanto, el factor a controlar puesto que de l depende la cantidad de material eliminado. Se observa sin embargo que la actividad de dicha sustancia va disminuyendo conforme avanza el tiempo, lo cual se trata de paliar en parte mediante la agitacin de la misma con el fin de renovar la sustancia activa en las zonas de ataque. Adems, para conseguir una mejor evacuacin de los residuos de material eliminado se suelen disponer las piezas en posicin vertical, ya que por gravedad se depositarn dichos restos en el fondo de la cubeta de inmersin.

MECNICA Y QUMICA DEL MAQUINADO QUMICO

El proceso de maquinado qumico consta de varios pasos. Las diferencias en las aplicaciones y las formas en que se realizan las etapas establecen las diferentes formas del CHM. Los pasos son:

1. Limpieza. El primer paso es una operacin de limpieza para asegurar que el material se remueva en forma uniforme de las superficies que se van a atacar.

2. Enmascarado. Un recubrimiento protector se aplica a ciertas zonas de la pieza. Este protector est hecho de material qumicamente resistente al material de ataque qumico (el trmino resistir se usa para el material protector). Por lo tanto, slo se aplica a aquellas porciones de la superficie de trabajo que no se van a atacar.

3. Ataque qumico. ste es el paso de remocin de material. La pieza de trabajo se sumerge en un material de ataque qumico que afecta aquellas porciones de la superficie de la pieza que no estn protegidas. En el mtodo normal de ataque, el material de trabajo (por ejemplo, un metal) se convierte en una sal que se disuelve dentro del material de ataque qumico, y posteriormente se remueve de la superficie. Cuando se ha removido la cantidad deseada de material, se retira la parte del material de ataque qumico y se enjuaga para detener el proceso.

4. Desenmascarado. El protector se retira de la pieza.

En el maquinado qumico, los dos pasos que implican variaciones significativas en los mtodos, materiales y parmetros del proceso son el enmascarado y el ataque qumico, es decir, los pasos 2 y 3.Los materiales protectores incluyen el neopreno, el cloruro de polivinilo, el polietileno y otros polmeros. La proteccin se consigue por alguno de estos tres mtodos:

1) corte y desprendimiento,

2) resistencia fotogrfica

3) resistencia de pantalla.

El mtodo de corte y desprendimiento implica la aplicacin del protector sobre toda la pieza, ya sea por inmersin, recubrimiento o roco. El grosor del protector resultante es de 0.025 a 0.125 mm (0.001 a 0.005 in). Despus de que el protector endurece, se corta mediante una navaja para marcar y se desprende de las reas de la superficie de trabajo que se van a atacar. La operacin de corte del protector se realiza a mano, generalmente guiando la navaja con una plantilla. El mtodo de corte y desprendimiento se usa para la manufactura de piezas de trabajo grandes, cantidades de produccin bajas y donde la precisin no es un factor crtico. Este mtodo no se aplica para tolerancias ms estrechas de 0.125 mm (0.005 in), excepto que la tcnica se ejecute con mucho cuidado.

Como su nombre lo indica, el mtodo de resistencia fotogrfica (que se abrevia como fotorresistencia) usa tcnicas fotogrficas para realizar el paso de enmascarado. Los materiales enmascarados contienen qumicos fotosensibles. stos se aplican a la superficie de trabajo y la pieza recubierta se expone a la luz a travs de una imagen en negativo de las reas que se van a atacar. Despus, estas reas protegidas se retiran de la superficie mediante tcnicas de revelado fotogrfico. Dicho procedimiento deja con material protector la superficie deseada de la pieza y sin proteccin las reas restantes que son vulnerables al ataque qumico. Por lo general, las tcnicas de enmascarado fotorresistente se aplican don- de se producen piezas pequeas en grandes cantidades y se requieren tolerancias estrechas. Esta tcnica se aplica para tolerancias ms estrechas que 0.0125 mm (0.0005 in), excepto que la tcnica se ejecute con mucho cuidado.

En la tcnica resistencia de pantalla se aplica el protector mediante mtodos de seri- grafa. En estos mtodos, el protector se aplica sobre la superficie de las piezas de trabajo por medio de una malla de seda o acero inoxidable. La malla tiene incrustado un estncil que pro- tege la aplicacin con barniz protector y deja expuestas las reas que se van a atacar. As, el protector recubre las reas de trabajo que no se van a atacar. En general, el mtodo resistencia de pantalla se usa en aplicaciones que se encuentran entre los otros dos mtodos de enmasca- rado, en trminos de precisin, tamao de piezas y cantidades de produccin. Con este mtodo de enmascarado pueden obtenerse tolerancias de 0.075 mm (0.003 in).

La eleccin del material de ataque qumico depende del material de trabajo que se va a ata- car, la profundidad y la velocidad de remocin de material deseadas, as como los requerimientos de acabado superficial. El material de ataque qumico tambin debe combinarse con un protector que asegure que dicho agente no afecte al protector. En la tabla 26.2 se enlistan algunos de los materiales de trabajo que se maquinan bajo el mtodo de CHM, junto con los materiales de ataque qumico que se usan para estos materiales. La tabla tambin incluye una velocidad de penetracin y factores de ataque qumico. Estos parmetros se explican a continuacin.

Por lo general, las velocidades de remocin de material en el CHM se indican como velocidades de penetracin en mm/min (in/min), puesto que la velocidad de ataque qumico sobre el material de trabajo se dirige a la superficie. El rea de la superficie no afecta la velocidad de penetracin. Las velocidades de penetracin enlistadas en la tabla 26.2 son valores tpicos para los materiales de trabajo y los agentes de ataque qumico dados.

Las profundidades de corte en el maquinado qumico son de hasta 12.5 mm (0.5 in) para paneles de aeronaves hechas de placas metlicas. Sin embargo, muchas aplicaciones requieren profundidades de slo algunas centsimas de milmetro. Junto con la penetracin en el trabajo, tambin ocurre un ataque qumico en las regiones laterales situadas bajo el protector, como se ilustra en la figura 26.16.

Este efecto se denomina el socavado y debe considerarse durante el diseo de la mscara para producir un corte que tenga las dimensiones especificadas. Para determinado material de trabajo, el socavado se relacio- nar directamente con la profundidad del corte. La constante de proporcionalidad para el material se llama factor de ataque qumico, y se define como:

En donde:= factor de ataque qumico;d = profundidad de corte, mm (in); yu = socavado, mm (in).

Las dimensiones u y d se definen en la figura 26.16. En el maquinado qumico, los diferentes materiales de trabajo tienen distintos factores de ataque qumico. Algunos valores tpicos se presentan en la tabla 26.2. El factor de ataque qumico puede usarse para determinar las dimensiones de las reas de corte en el protector, de manera que se logren las dimensiones especificadas de las reas por atacar en la pieza.

PROCESOS DE MAQUINADO QUMICO

En esta seccin se describirn los principales procesos de maquinado qumico:

1. fresado qumico.2. preformado qumico.3. grabado qumico.4. maquinado fotoqumico.

FRESADO QUMICO: El fresado qumico fue el primer proceso de CHM que se comercializ. Durante la Segunda Guerra Mundial, una compaa de aeronaves en Estados Unidos empez a usar dicho proceso para remover el metal de algunos componentes de las aeronaves. En la actualidad, el fresado qumico todava se utiliza ampliamente en la industria

Aeronutica para retirar material de paneles de las alas y el fuselaje, con el propsito de reducir el peso. El mtodo es aplicable a piezas grandes, de las cuales se retiran cantidades sustanciales de metal durante el proceso. Se emplea el mtodo de corte y desprendimiento del protector. Por lo general se usa una plantilla, que toma en cuenta el socavado que se producir durante el ataque qumico. La secuencia de los pasos del procesamiento se ilustra en la figura 26.17.El fresado qumico produce un acabado superficial que vara con cada material de trabajo. En la tabla 26.3 se proporciona una muestra de los valores. El acabado superficial depende de la profundidad de penetracin. Conforme aumenta la profundidad, empeora el acabado, acercndose al lmite superior de los rangos que proporciona la tabla. El dao metalrgico del fresado qumico es muy pequeo, quiz de alrededor de 0.005 mm (0.0002 in) dentro de la superficie de trabajo.

PREFORMADO QUMICO: El preformado qumico usa la erosin qumica para cortar piezas de lminas metlicas muy delgadas, con un espesor de hasta 0.025 mm (0.001 in), o para patrones de corte complicados. En ambos ejemplos, los mtodos convencionales para per- forado y troquelado no funcionan, debido a que las fuerzas de troquelado pueden daar las lminas metlicas, o el costo de las herramientas es muy alto. El preformado qumico produce piezas sin rebabas y aventaja a otras operaciones convencionales de corte.

Los mtodos que se usan para aplicar el protector en el preformado qumico son la fotorresistencia o la resistencia de pantalla. Para patrones de corte pequeos o complicados, as como para tolerancias estrechas, se usa el mtodo de fotorresistencia; de lo contrario, se usa el mtodo de resistencia de pantalla. Cuando el tamao de la pieza de trabajo es pequeo, el preformado qumico excluye el mtodo de corte y desprendimiento del protector.

La figura 26.18 muestra los pasos del preformado qumico mediante el ejemplo del mtodo de resistencia de pantalla. Como en este proceso el ataque qumico ocurre en ambos lados de la pieza, es importante que el procedimiento de enmascarado proporcione un registro preciso entre los dos lados. De lo contrario, la erosin de la pieza no podr alinear- se desde direcciones opuestas. Esto resulta especialmente crtico con piezas de tamao pequeo y patrones complicados.

Por las razones expuestas, la aplicacin del preformado qumico se limita a materiales delgados o patrones complicados. El grosor mximo de la materia prima es de alrededor de 0.75 mm (0.030 in). Asimismo, es posible procesar materiales endurecidos y frgiles mediante el preformado qumico, lo cual sera imposible usando mtodos mecnicos porque seguramente se fracturara el trabajo. En la figura 26.19 se presenta una muestra de piezas producidas por medio del proceso de preformado qumico.Cuando se utiliza el mtodo de fotorresistencia para enmascarar, pueden mantenerse tolerancias tan reducidas como 0.0025 mm (0.0001 in) sobre materiales que tengan un grosor de hasta 0.025 mm (0.001 in). Conforme aumenta el grosor de la materia prima, deben permitirse tolerancias ms amplias. Los mtodos de enmascarado con resistencia de pantalla no son tan precisos como el de fotorresistencia. En consecuencia, cuando se requieren tolerancias estrechas en la pieza, debe usarse el mtodo de fotorresistencia para realizar el paso de enmascarado.

GRABADO QUMICO: El grabado qumico es un proceso de maquinado qumico para hacer placas con nombres y otros paneles planos que tienen letras o dibujos en un lado. De otra forma, estas placas y paneles se haran usando una mquina convencional de grabado o un proceso similar. El grabado qumico se usa para hacer paneles con las letras bajo relieve o alto relieve, con slo invertir las partes del enmascarado a las que se va a aplicar el ataque qumico. El enmascarado se hace mediante el mtodo de fotorresistencia o por medio de la resistencia de pantalla. La sucesin de pasos para el grabado qumico es similar a la de otros procesos de CHM, excepto porque despus del ataque con material qumico se hace una operacin de rellenado. El propsito del rellenado es aplicar pintura u otra proteccin en las reas hundidas formadas por el material de ataque qumico. Despus, el panel se sumerge en una solucin que disuelve el protector pero no ataca el material de recubrimiento. As, cuando se retira el protector, el recubrimiento permanece en las reas atacadas, con lo que el patrn resalta.

MAQUINADO FOTOQUMICO: En el maquinado fotoqumico (PCM, por sus siglas en ingls), se usa el mtodo de fotorresistencia para enmascarar. Por lo tanto, el trmino se aplica correctamente al preformado qumico y al grabado qumico cuando estos mtodos usan el mtodo de resistencia fotogrfica. El PCM se emplea en el procesamiento de metales cuando se requieren tolerancias cerradas o patrones complicados sobre piezas planas. Los procesos fotoqumicos tambin se usan ampliamente en la industria de la electrnica para producir diseos de circuitos complicados sobre tarjetas de semiconductores (seccin 35.3.1).En la figura 26.20 se muestra la sucesin de pasos en el maquinado fotoqumico, cuando ste se aplica al preformado qumico. Existen varias formas de exponer fotogrficamente la imagen deseada sobre la resistencia.

La figura muestra el negativo en contacto con la superficie de la resistencia durante la exposicin. sta es una impresin de contacto, pero existen otros mtodos de impresin fotogrfica que exponen el negativo a travs de un sistema de lentes para ampliar o reducir el tamao del patrn impreso en la superficie del protector. Los materiales fotoprotectores de uso actual son sensibles a la luz ultravioleta, pero no a la luz de otras longitudes de onda. Por lo tanto, con una iluminacin adecuada en la fbrica, no es necesario realizar los pasos del procesamiento en un ambiente de cuarto oscuro. Una vez que se efecta la operacin de enmascarado, los pasos restantes del procedimiento son similares a los de otros mtodos de maquinado qumico.En el maquinado fotoqumico, el trmino que corresponde al factor de ataque qumico es anisotropa, que se define como la profundidad del corte d dividida entre el socavado u (vase la figura 26.18). Es la misma definicin que en la ecuacin (26.9).CONSIDERACIONES PARA LA APLICACINLas aplicaciones tpicas de los procesos no tradicionales incluyen las geometras de piezas con caractersticas especiales y los materiales de trabajo que no se procesan con facilidad mediante las tcnicas convencionales. En esta seccin se examinarn estos aspectos. Tambin se har un resumen de las caractersticas de desempeo generales de los procesos no tradicionales.Geometra de la pieza de trabajo y materiales de trabajo En la tabla 26.4 se enlistan algunas de las formas de piezas de trabajo especiales, para las que son convenientes los procesos no tradicionales; adems se mencionan los procesos no tradicionales que podran resultar adecuados.Como grupo, los procesos no tradicionales se aplican a casi todos los materiales de trabajo, tanto metales como no metales. Sin embargo, ciertos procesos no son convenientes para ciertos materiales de trabajo. En la tabla 26.5 se relaciona la aplicabilidad de los procesos no tradicionales a diversos tipos de materiales. Varios de estos procesos pueden usarse sobre metales, pero nunca sobre no metales. Por ejemplo, el ECM, el EDM y el PAM requieren materiales de trabajo que sean conductores elctricos. Esto generalmente limita su aplicabilidad a piezas metlicas. El maquinado qumico depende de la disponibilidad de un material de ataque qumico apropiado para el material de trabajo determinado.Como los metales son ms susceptibles al ataque qumico de ciertos materiales, por lo general se usa el CHM para procesar metales. Con algunas excepciones, es posible usar USM, AJM, EBM y LBM tanto en metales como en no metales. Generalmente, el WJC est limitado al corte de plsticos, cartulinas, textiles y otros materiales que no poseen la resistencia de los metales.

DESEMPEO DE LOS PROCESOS NO TRADICIONALESEn general, los procesos no tradicionales se caracterizan por las velocidades bajas en la remocin de material y energas especficas altas, en relacin con las operaciones de maquinado convencionales. La capacidad de control de las dimensiones y el acabado superficial de los procesos no tradicionales varan mucho, pues mientras algunos proporcionan una enorme precisin y buenos acabados, otros producen acabados y precisiones deficientes. Otra consideracin es el dao de las superficies. Algunos de estos procesos producen muy poco dao metalrgico sobre el material localizado inmediatamente abajo de la superficie de trabajo, mientras que otros (sobre todo los procesos trmicos) causan un dao considerable a las superficies. La tabla 26.6 compara estas caractersticas importantes de los procesos no tradicionales, y usa el fresado y el esmerilado de superficies convencionales con propsitos de comparacin. El anlisis de los datos revela amplias diferencias en las caractersticas de maquinado. Al comparar las caractersticas de los maquinados no tradicional y convencional no debe olvidarse que los procesos no tradicionales se usan generalmente cuando los mtodos convencionales no son prcticos o econmicos.

MATERIALES:Para atacar acero con este proceso se utilizan los cidos, como el clorhdrico (HCl) o el ntrico (HNO3), mientras que para aleaciones ligeras se emplean las bases, como puede ser la sosa (NaOH) o la potasa (KOH). En el caso del titanio se trata de sumergir la pieza en una mezcla de cido ntrico-fluorhdrico en presencia de un tensoactivo a unos 400C de temperatura. El aislante usado para las zonas que no se deseen atacar es un compuesto de base de neopreno o copolmero de isobutileno-isopropileno. Se suele enmascarar toda la pieza para despus proceder a la eliminacin del aislante de las zonas a atacar mediante procesos de corte convencional, o ms modernamente con tecnologas lser.Fresado qumico en cloruro frrico para produccin casera de circuitos impresos.Los siguientes metales y aleaciones son comnmente mecanizados mediante cloruro frrico: Aluminio Latn Cobre Berilio-Cobre Nquel Nquel-Plata Fsforo-Bronce Acero al carbono Acero Inoxidable - Serie 300, Serie 400, PH15-7, PH17-7 Acero elstico Cinc Monel Alloy 42 KovarINHIBIDORES:Adems de la sustancia activa, se incluyen otros compuestos como los inhibidores, que se encargan de: Disminuir las reacciones violentas (evitar el burbujeo). Que se produzca un desgaste uniforme. Evitar la absorcin de hidrgeno en el material, especialmente importante en aleaciones de aluminio en las que se producira enfragilizacin.VENTAJAS Disminucin uniforme, en tiempo (se produce poco a poco) y espacio, del espesor. Por tanto no produce distorsiones en paredes de seccin delgada. Disminucin progresiva del ataque qumico. Esto puede considerarse una ventaja en caso de que la pieza se deje por descuido en el bao, puesto que llegar un momento en el que la solucin se pasiva y no se perder todo el material. Se pueden conseguir diversas geometras en el espesor cambiando los recubrimientos entre emersin e inmersin en el bao corrosivo. El tiempo de mecanizado no depende de la superficie de la pieza a mecanizar, sino nicamente de la profundidad deseada.INCONVENIENTES Espesores limitados: hasta 5mm en Titanio y 12mm en Aluminio. La precisin del proceso es baja, ya que no es una de las finalidades de este proceso. Los defectos superficiales pueden verse reproducidos sobre la superficie acabada. Los cortes angulosos nunca se podrn producir con radio nulo, contarn con un radio de acuerdo, y los bordes de corte resultarn afilados.