Ätztechnik

Ein Ätzteil kann unmöglich präziser als die Vorlage sein. Auch hundert Teile von einer schlechten Maske ergeben kein einziges brauchbares Resultat. Fehler bei der weiteren Verarbeitung, zum Beispiel Unter- oder Überbelichtung, zu langes Ätzen, zerstören vielleicht ein einzelnes Exemplar, das nächste aber kann vorzüglich sein. Die Vorlage ist daher das A und O jeder Ätzarbeit!
   
Vorlage

Der alte Weg aus dem Vor-PC-Zeitalter ist die Herstellung der Vorlage mit Hilfe von Abreibe- und Klebesymbolen. Vorteil: Keine technischen Einrichtungen nötig. Nachteile: Zeitaufwendig, Kleinteile müssen mit der Tuschefeder selbst gezeichnet werden. Bei Schriften fehlt vielleicht der entsprechende Typ, die benötigte Grösse oder nur ein einzelner Buchstabe ist auf dem Blatt nicht mehr vorhanden.   :-((   Die in dieser Technik hergestellte Vorlage für die BT Be 4/4 habe ich noch bei meinen Unterlagen gefunden. Von links erkennt man die Grössenangabe '4 cm', die Fensterrahmen, die Seitennummern und die Frontnummern für die fotografische Herstellung der Ätzmaske.

 
Heute werden die Vorlagen auf dem PC hergestellt. Vorteile: In den Zeichenprogrammen sind alle benötigten Elemente und Schriftarten vorhanden. Grösse und Position der einzelnen Teile können äusserst präzise angegeben werden. Für das Durchätzen, das zweiseitige Ätzen also, ist auch die Vorlage für die Rückseite genau und schnell herzustellen. Passkreuze nicht vergessen! In der Regel zeichne und drucke ich die Vorlage im Massstab 4:1 bis 10:1. Das Beispiel zeigt die Zeichnungen für die Treib- und Kuppelstangen einer Ed 2/2 (Glaskasten), die in die Version der Sensetalbahn modifiziert wird.
 
Maske
Ausdruck mit einem Laserdrucker auf eine Folie: Damit die Schichtseite bei der Belichtung auf dem Metall aufliegt, muss die Vorlage seitenverkehrt auf die Folie gedruckt werden. Da das Trägermaterial eine bestimmte Dicke (0.14 mm) aufweist, käme es sonst bei der Belichtung zu Unterstrahlungen.
Auch ich glaubte, mit Laserdrucker und Folie die ideale Technik der Maskenherstellung gefunden zu haben. Unter der Lupe oder dem Miskroskop im Durchlicht sieht man aber, dass der Druck nicht tiefschwarz und flächendeckend ist (ähnelt beinahe einem Emmentaler). Für ganz feine Linien und Schriften wie bei Herstellerschildern, Typenschildern etc. ist diese Methode daher nicht geeignet! Für Fahrzeugwände, Fronten oder Kuppelstangen ist sie möglich, für Platinen üblich. Der Ausdruck auf Transparent-Papier bringt einen neuen Nachteil, da dieser Papiertyp nicht verzugsfrei ist.
 
Ausdruck auf Papier für die anschliessende Aufnahme mit dem Fotoapparat: Der Ausdruck muss wieder seitenverkehrt vorgenommen werden. Auch diese Vorlage ist wahrscheinlich nicht restlos deckend, aber bei der folgenden fotografischen Aufnahme werden diese 'Löcher' ebenfalls verkleinert und stören nicht mehr. Als Beispiel die Vorlage des ganzen Beschilderungsatzes für den Prototypen der Be 4/6 12302. Links die Maskenvorlage für die Rückseite, rechts diejenige der Vorderseite für das zweiseitige Durchätzen.
 
Die Herstellung der Maske mit dem Fotoapparat: Grosser Aufwand mit einer technischen Planfilm-Kamera. Dazu brauche ich meine Linhof-Technika 4x5 inch Kamera. Als Film wird der Kodak 'Grafic Arts Ortho' mit einer 0.12 mm dicken Trägerschicht verwendet, die verzugsfrei sein muss. Orthochromatische Filme können in relativ heller, oranger Dunkelkammerbeleuchtung bearbeitet werden. Diese Methode ist leider sehr arbeitsaufwendig, denn die Vorlage muss zuerst fotografiert und nachher, damit man eine positive Vorlage erhält, nochmals kopiert werden. Das Fotografieren eines negativen Ausdruckes habe ich noch nie probiert, da mir der Druck mit so grossem Schwarzanteil zu wellig erscheint.
Leider wird der genannte Film nicht mehr produziert und ich werde mich nach dem Verbrauch meines Vorrates nach Ersatz umsehen müssen!
 
Maske als Auftrag von einem professionellen Reprostudio herstellen lassen: Liefert eine ausgezeichnete Qualität! Nachteile: Relativ teuer, vor allem für wenige und kleine Teile, da immer eine ganze A4 Seite berechnet werden muss (Format des Reprofilmes). Betriebe, die Lohnätzungen ausführen, stellen in der Regel auch die Masken selbst her.
 
 
Fotoresist
Das Auftragen des Resists auf das Basismaterial ist der schwierigste Schritt auf dem langen Weg zu einem gelungenen Ätzprodukt! Eine zu dünne Schicht bietet einen nur unzureichenden Schutz vor dem Angriff des Ätzmittels, andererseits lässt sich eine zu dicke kaum entwickeln und Feinheiten können verloren gehen.
 
Als Fotoresist verwende ich 'Positiv 20' aus der Sprühdose, einem Produkt von Kontakt-Chemie, erhältlich im Elektronikfachgeschäft. Der Name Positiv deutet darau hin, dass der Fotolack positiv arbeitet und die Zeichnung auf der Maske identisch auf das Basismaterial übertragen wird. Das heisst schwarze Flächen auf der Maske bleiben beim Metall erhaben stehen, weisse Teile werden weggeätzt. Jeder Dose liegt der 'Kontaktbrief 7' mit einer Arbeitsanleitung bei. Eigentlich ist die Anwendung des Produktes einfach, aber es ist schwierig, dünne und vor allem gleichmässige Schichten zu erzeugen. Bei Aufbewahrung im Kühlschrank kann der Fotolack bedenkenlos über das Ablaufdatum hinaus verwendet werden. Er muss allerdings vor Gebrauch während 4-5 Stunden Zimmertemperatur annehmen können.
 
Die besten Resultate habe ich mit einer Airbrushpistole von Model-Master mit Breit-Düse erzielt. Recht schwierig ist dabei, die unter Druck stehende Chemikalie aus der Sprühdose in das Vorratsgefäss der Spritzpistole umzufüllen, ohne die ganze Umgebung mit dem Fotoresist zu bekleckern.
Foto: Sehr wichtig ist auch eine peinliche Reinigung der Metalloberfläche, da sonst der Schutzlack ungenügend haftet. Das beste Resultat erzielte ich dabei mit einem Trockenschwamm (Polibloc), mit dem eine blanke, absolut fettfreie Oberfläche erreicht werden kann. Um beim zweiseitigen Aufbringen und Trocknen der Fotoschicht das Metallblech nicht mehr anfassen zu müssen, lohnt es sich, eine Halterung zu basteln, in der das Basismaterial fixiert werden kann.
 
Die einfachste Alternative wäre der Bezug des beschichteten Materials bei Saemann, Pirmasens. Unter welchen Bedingungen und ob er ins Ausland liefert, ist mir nicht bekannt.
 
 
Trocknung
  Nach der Beschichtung muss die Lackschicht sorgfältig getrocknet werden. In einer lichtdichten Kartonschachtel werden die Bleche, immer noch in der Halterung, bei Zimmertemperatur während ca. 2 Stunden vorgetrocknet. Dann können sie in den kalten Backofen mit Thermostat eingeschoben werden. Die eigentliche Trocknung geschieht bei 70° während etwa 20 bis 30 Minuten. Ohne Schachtel müsste die Frontplatte abgedunkelt sowie Backofenbeleuchtung und IR-Grill abgeschaltet werden.
 
Belichtung
Persönlich verwende ich dazu eine Heimhöhensonne von 350 Watt Leistung. Beim einseitigen Ätzen wird die Folie auf das beschichtete Metall gelegt und zwischen zwei planen Glasplatten mit Wäscheklammern zusammengehalten. Für das zweiseitige Ätzen werden die beiden Masken passgenau zu einer Tasche zusammengefügt. Daran denken: Die Schichtseite der Maske kommt auf das Metall zu liegen. Da gewöhnliches Glas einen Teil der UV-Strahlung absorbiert, sollte besser Plexi- oder Quarzglas für das Zusammenpressen der einzelnen Komponenten verwendet werden. Die Belichtungszeit ist von der Leistung der Lichtquelle, dem Belichtungsabstand, den Materialfaktoren der Glasplatten und der Schichtdicke des Fotolackes abhängig. Sie muss daher durch Versuche bestimmt werden. Nach der Belichtung muss die Kopie der Maske dunkelviolett sichtbar sein.
Schematische Darstellung der Phasen
   
 
Entwicklung
Für die Entwicklung der belichteten Platten wird eine Lösung von 7g NaOH (Ätznatron) in 1 Liter Wasser verwendet. Diese Lösung ist nur beschränkt haltbar (Aufnahme von Kohlendioxyd aus der Luft). Vorteilhaft ist daher das Ansetzen einer konzentrierten Stammlösung von 7g NaOH in 250 ml Wasser. Erst kurz vor dem Entwickeln wird die benötigte Menge auf die vorgeschriebene Konzentration mit warmem Wasser verdünnt (1 Teil Lauge, 3 Teile Wasser). Der Entwicklungsprozess sollte bei einer Temperatur von 20 - 25° durchgeführt werden. Die gebrauchte Lösung kann nicht nochmals verwendet werden und wird entsorgt. Die sich ablösenden violetten Schleier können mit einem weichen Marderhaarpinsel vorsichtig entfernt werden.
   
 
Ätzbad
Schale: Geeignet sind flache Foto-Schalen aus Kunststoff, aber auch Glasschalen aus dem Haushalt. Wegen der guten Überwachung ist es ist immer noch die bevorzugte Methode beim Ätzen ganz feiner Vorlagen. Von Zeit zu Zeit wird die Metallplatte aus der Schale genommen und der Vorgang in einem zweiten, mit Wasser gefüllten Behälter, gestoppt. Unter der Lupe wird dann die Arbeit kontrolliert und bis zum Erreichen der gewünschten Tiefe fortgesetzt. Aber Achtung: Wegen der Unterätzung zerfallen ganz feine Linien urplötzlich, sind unwiederruflich weggeätzt und das Spielchen beginnt von neuem.
 
Für das Ätzen von grösseren Teilen und Platinen habe ich mir eine Küvette aus Plexiglas gebaut, um eine höhere Ätzgeschwindigkeit zu erzielen. Die Flüssigkeit wird mit einer Aquarienheizung von 100 W auf etwa 50° erwärmt. Da diese Temperatur den Fischen nicht förderlich wäre, sind die handelsüblichen Geräte mit einer Sperre bei ungefähr 30° versehen, die entfernt werden muss, denn wir benötigen die volle Leistung. Mit einem Thermometer, ebenfalls aus dem Aquarienhandel, wird die erreichte Temperatur kontrolliert. Das Umwälzen und Bewegen der Flüssigkeit übernehmen die hochperlenden Luftblasen, die mit einer Membranluftpumpe in die Küvette gedrückt werden. Baubeschrieb der Küvette.
 
Bei den Schaumätzgeräten wird mit einer Luftpumpe ein feinporiger Ätzmittelschaum erzeugt, der über die schräg stehende Platte nach unten fliesst. Durch die Anreicherung mit Luft und die ständige Bewegung des Schaumes werden kürzere Ätzzeiten erzielt, was sich auf eine Reduktion der Unterätzung auswirkt. Bedingt durch die Arbeitsweise müssen beim zweiseitigen Ätzen die Platinen gedreht werden.
 
Sprühätzanlage: Wer sich für dieses Vefahren interessiert, sollte unbedingt die Seiten von Randy Gordon-Gilmore (englisch) besuchen, denn es kommt vermutlich nur ein Selbstbau in Frage. Im Handel (Conrad) erhältliche Anlagen sind wohl zu teuer (3300 Fr. bzw. 4'700 Fr.). Zudem werden je nach Typ 16 oder 24 Liter Ätzmittel benötigt! Die Geschwindigkeit ist allerdings hervorragend, es werden 35 µm Cu/Min angegeben.
Persönliche Versuche sind nur bis zum Austesten einer als Geschenk erhaltenen Schlauchpumpe gediehen, denn die das Ätzmittel fördernde Pumpe muss selbstverständlich säurefest sein.
 
 
Ätzmittel
 
Bitte beachten, dass mit Chemikalien gearbeitet wird, die Metalle auflösen. Hände und Augen sind zu schützen. Hinweise auf den Packungen sind unbedingt zu beachten. Die zur Giftklasse 2 gehörende konzentrierte technische Salzsäure ist nur mit einem Giftschein erhältlich. Es gibt gesetzliche Vorschriften über das Entsorgen von mit Kupfer belasteten Lösungen. Wer Ätzmittel in den Abguss leert, die nicht neutralisiert wurden, handelt fahrlässig! Verätzte Armaturen werden es ihm danken.
Vorsicht, auch das Wasserstoffsuperoxyd ist eine äusserst agressive Substanz, die Hautverätzungen hervorrufen kann!
 
Das bekannteste und verbreitetste Ätzmittel ist das Eisen-III-Chlorid, das in gelber, kugeliger Form gehandelt wird. Es wird in Wasser bis zur Sättigung aufgelöst und ist in jedem Elektronikladen erhältlich. Diese Chemikalie setze ich nur bei der Schalenätzung von ganz feinen Vorlagen ein. Einerseits kann der Ätzvorgang in der goldgelben Lösung nur schlecht beobachtet werden, andererseits arbeitet das Ätzmittel langsam und der Vorgang kann beim Erreichen der gewünschten Tiefe präzise gestoppt werden. Die Geschwindigkeit kann durch Erwärmen und fleissiges Bewegen erhöht werden.
 
Ein weiteres Ätzmittel ist das Natriumpersulfat. Es arbeitet mit einer deutlich höheren Geschwindigkeit als das vorher aufgeführte Eisen-III-Chlorid und wird daher als 'Schnellätzmittel' gehandelt. In Lösung ergibt es eine helle, durchsichtige Flüssigkeit. Die besten Ergebnisse erzielt man in der Schale oder Küvette bei einer Temperatur von ~50°.
 
Der Salzsäureprozess wird grosstechnisch angewendet, er ist aber auch für den Hausgebrauch in Schale oder Küvette empfehlenswert.
Alle grösseren Arbeiten habe ich mit dem Salzsäure-Prozess durchgeführt. Es ergeben sich kurze Ätzzeiten in einer hellen, durch das herausgelöste Kupfer grünlichen Flüssigkeit. Allerdings muss der Anteil von H2O2 genau eingehalten werden und der ist bei einer gebrauchten Lösung leider unbekannt. Das Peroxyd zerfällt dauernd in Wasser und Sauerstoff. Die Ätzlösung darf daher niemals in einer dicht verschlossenen Flasche aufbewahrt werden, damit sich der Überdruck vermindern kann. Beim erneuten Gebrauch muss die Lösung durch Zugabe von frischem H2O2 wieder regeneriert werden. Die korrekte Konzentration von Wasserstoffperoxyd ist erreicht, wenn sich die eingelegte Kupferplatte rot bis dunkelbraun verfärbt und sich beim Bewegen der Platte deutlich sichtbare Schlieren auf der Kupferoberfläche bilden. Sollten übermässig Bläschen aufsteigen, deutet dies auf einen H2O2-Überschuss hin, der zum Abbruch des Prozesses führt und der durch Hinzufügen von verdünnter Salzsäure wieder in Gang gebracht werden kann. Durch Erwärmung auf maximal 50° kann der Prozess weiter beschleunigt werden.
200 ml Salzsäure, etwa 35 %
  60 ml * Wasserstoffsuperoxyd (Wasserstoffperoxyd), 15%
770 ml Wasser
* wegen dem Zerfall besitzt das Wasserstoffperoxyd höchstens beim Kauf die angegebene Konzentration. Bei einer älteren Chemikalie muss ihre Menge vorsichtig aus einer Pipette vergrössert werden, bis die beschriebene Verfärbung und die Schlierenbildung auf einer eingehängten Kupferplatte eintritt!
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