Usinagem Química Explicada: Princípios, Tipos, Aplicações e Vantagens

A usinagem química, também conhecida como processo de gravação (etching), pode parecer mágica devido à sua simplicidade operacional. Neste processo, a peça é simplesmente imersa em um tanque com solução química e, em poucos segundos, obtém-se a estrutura desejada. Não se trata de magia, mas de um processo cientificamente fundamentado que utiliza reagentes químicos fortemente ácidos ou alcalinos para remover material da peça.

Esta é uma técnica antiga, anterior a 400 a.C., quando produtos químicos orgânicos como ácidos cítrico e lático eram usados para gravar metais na fabricação de armaduras. A técnica foi posteriormente desenvolvida e comercializada em 1927 pela empresa sueca "Aktiebolaget Separators".

A usinagem química é um processo de remoção de material para obter uma forma desejada na peça através de sua imersão em um reagente químico forte.

Construção ou Componentes da Usinagem Química:

Consiste nos seguintes elementos:

• Tanque
• Bobina de aquecimento
• Agitador
• Peça de trabalho

#1. Tanque:

O processo utiliza um tanque com a face superior aberta. O tanque é construído em metal resistente revestido com materiais não reativos ao agente de gravação, dependendo das aplicações e concentração do reagente químico.

#2. Bobina de aquecimento:

Uma bobina de aquecimento é montada na parte inferior do tanque para manter a temperatura constante. Em qualquer processo de remoção de metal, a geração de calor é natural. A bobina também realiza resfriamento quando necessário.

#3. Agitador:

Um agitador é colocado no agente de gravação com o objetivo principal de misturar o agente consistentemente, mantendo concentração e calor uniformes ao longo do volume. Como é sabido, partículas quentes tendem a se acumular no topo, deixando as frias na parte inferior. O agitador espalha o calor uniformemente e também auxilia na remoção do metal dissolvido da peça, rompendo simultaneamente as bolhas formadas durante a usinagem devido à oxidação.

#4. Peça de trabalho:

A peça é mantida no agente de gravação por meio de um suporte no caso de aplicações pequenas. O comprimento do suporte é fixado sobre uma área mascarada para que a fixação não perturbe a zona de usinagem. No caso de peças maiores, utilizam-se fixadores revestidos com borracha e polímeros.

Princípio de Funcionamento da Usinagem Química:

O princípio baseia-se no agente de gravação químico (etchant), uma mistura de ácidos fortes reativos ao metal. Quando a peça é imersa, o agente reage com ela causando dissolução uniforme do metal. Para obter a forma desejada, aplica-se um revestimento elementar não reativo ao reagente químico, chamado "mascarante", nas áreas que não devem ser usinadas. A usinagem localizada é alcançada aplicando máscara adequada em todas as áreas onde não se deseja a reação, expondo apenas a zona de usinagem para remoção do metal.

A Usinagem Química Envolve Quatro Processos Principais em Série:

#1. Limpeza:

Processo preparatório para garantir que a superfície da peça esteja livre de contaminantes, ferrugem e partículas estranhas. Geralmente realizado com jatos de água de alta pressão, soluções alcoólicas e HCl diluído.

Necessidades da limpeza:

• Limpeza inadequada resulta em má adesão do mascarante, dimensões finais imprecisas e dissolução inadequada do metal.
• Contaminantes como óleo e graxa podem levar à oxidação.
• Limpeza inadequada pode causar descamação do mascarante, permitindo que o agente de gravação flua sob a máscara, prejudicando a geometria.
• Partículas estranhas podem levar à formação de incrustações.

Após a lavagem, a peça é seca com sopradores de ar quente. O processo de limpeza é sempre realizado em máquinas CNC avançadas.

#2. Mascaramento:

Processo de aplicação do mascarante sobre a superfície da peça. Uma camada de polímero ou borracha é revestida na peça para proteger as áreas que não requerem usinagem do processo de gravação. O mascaramento é feito em toda a peça, exceto nas áreas a serem usinadas.

#3. Gravação (Etching):

Processo onde ocorre a remoção de metal necessária. Após o mascaramento perfeito, a peça é imersa no tanque do reagente químico com o aquecedor e agitador ligados. O agente começa a reagir com as áreas não mascaradas, alterando suas características químicas e fazendo com que as porções pré-definidas se dissolvam camada por camada.

A profundidade de corte é diretamente proporcional ao tempo de imersão. Quanto mais tempo a peça permanece no agente, mais metal é removido. Isso é calculado pela fórmula:

E = S / T

Onde:

• E = Taxa de gravação.
• S = Profundidade de corte requerida.
• T = Tempo em segundos.

Os valores da taxa de gravação são pré-calculados por experimentação. A taxa depende da concentração do reagente químico e do tipo de peça a ser usinada. A profundidade de corte é obtida no projeto, permitindo calcular facilmente o tempo antes da imersão.

#4. Desmascaramento:

Processo de remoção do mascarante aplicado antes da gravação. Uma vez removido, a peça passa novamente por operação de limpeza onde qualquer resíduo de agente é lavado com água fria pressurizada. A peça é então seca e pronta para envio final.

Tipos de Operações de Usinagem Química:

1. Fresagem química (CHM): Realizada para obter bolsões, contornos na peça ou remover material em grande quantidade.

2. Gravação química (CHE): Realizada para reproduzir um desenho especial na peça com alta precisão. Ex.: títulos, marcas, números de série.

3. Polimento químico (CHP): Realizada para obter acabamento fino ou desbaste da peça, usando reagente químico mais diluído.

4. Usinagem fotoquímica (PCM): Processo de fabricação de componentes livres de tensão e trincas. Usado onde detalhes microscópicos devem ser usinados. Utiliza a usinagem química (CHM) como técnica principal e máscara fotorresistente para design. É um processo avançado cuja raiz é a usinagem química.

Aplicações da Usinagem Química:

• Redução de peso de contornos complexos, impossíveis por métodos convencionais.
• Usinagem de componentes finos e delicados.
• Usinagem de contornos presentes no interior de furos.
• Uso nas indústrias automobilística e de aviação.
• Fabricação de telas e malhas finas.
• Remoção de metal onde a fixação da peça é difícil.

Vantagens da Usinagem Química:

• Remove metal uniformemente.
• Bom acabamento superficial com tolerâncias apertadas.
• Contornos complexos podem ser usinados facilmente.
• Remoção de material ao longo de todos os eixos simultaneamente.
• Requer operador menos qualificado.
• Não produz tensão mecânica na peça.
• Baixo custo inicial.
• Baixo custo de usinagem.

Desvantagens da Usinagem Química:

• Menor segurança do operador; um pequeno derramamento do agente na pele pode causar danos.
• Chances de corrosão dias após a usinagem.
• Usinagem de ligas pode resultar em mau acabamento superficial.
• Processo não é ecológico.
• Descarte de subprodutos pode prejudicar o meio ambiente.
• Taxa de remoção de material (MRR) é menor comparada a outros processos.
• Chances de formação de bolhas, que podem resultar em usinagem inadequada.

Parâmetros Importantes:

Mascarante: Material usado para revestir a peça impedindo a gravação de determinadas porções.

Fatores para selecionar o tipo de mascarante:

• Deve ser inerte ao reagente químico usado.
• Resistente para suportar manuseio.
• Não deve alterar suas características durante o processo.
• Deve suportar calor.
• Deve permitir corte e risco.
• Deve aderir bem à peça.
• Disponibilidade e baixo custo.

Material da peça	Material do mascarante
Alumínio e suas ligas	Borracha butílica, Polímero e Neoprene
Cobre e suas ligas	Polímero
Ligas à base de ferro	Borracha butílica e Polímero
Níquel	Neoprene
Magnésio	Polímero
Titânio	Polímero

Técnicas de Aplicação do Mascarante:

Existem três técnicas principais para aplicar mascarante na peça.

1. Corte e Remoção (Cut and Peel):

Nesta técnica, a peça é primeiro imersa em um tanque de mascarante líquido, similar a um revestimento. Após secar por alguns minutos, um riscador corta a camada de mascarante conforme o desenho a ser usinado. O mascarante é então removido das áreas a serem gravadas. Envolve materiais relativamente espessos como neoprene, butil e materiais à base de vinil. Usada exclusivamente para operações de fresagem química (CHM). Ao longo do tempo, facilitou a produção de mísseis, aeronaves e suas peças estruturais. Devido à natureza inerte do mascarante e espessura envolvida (cerca de 0,5 polegadas ou mais), oferece altíssima resistência química. A principal limitação é tolerância de qualidade relativamente baixa.

Materiais usados: Vinil, borracha neoprene, materiais à base de butil, cera de abelha, piche de Borgonha aplicados por fluxo, imersão ou pulverização. Espessura varia de 0,03 a 0,13 mm.

2. Impressão em Tela (Screen Print):

Utiliza tecnologia convencional de impressão em tela de seda. Telas finas de seda ou aço inoxidável são aplicadas na peça. O desenho completo é impresso na tela e malhas de aço inoxidável. A malha é pressionada contra a superfície da peça, marcando as áreas a serem usinadas. Em seguida, uma camada de mascarante é rolada sobre toda a peça. A adesão é alcançada por secagem e cozimento. Uma vez aderido, as malhas são removidas, resultando na remoção do mascarante das áreas a serem usinadas.

A impressão em tela é técnica rápida e econômica para produções em grande escala, oferecendo maior precisão. Espessura do mascarante sempre inferior a 0,05 mm. Ideal para peças menores que 1,2m × 1,2m com superfícies planas e contornos moderados.

3. Fotoresistente (Photo-resist):

Exercida apenas no processo de usinagem fotoquímica. Técnica versátil na era autônoma atual. Transforma a usinagem química em processo não tradicional: usinagem fotoquímica (PCM).

Uma imagem do desenho do produto final é impressa em filme de material fotossensível que atrai e reflete raios ultravioleta. O filme impresso é colocado cuidadosamente sobre a chapa metálica (peça) e esta passa por uma máquina de UV. Devido à característica do filme de permitir e refletir luz UV, apenas as zonas pré-impressas permitem a passagem de UV para a peça. Esta exposição suaviza as partes pré-projetadas para usinagem química. O restante do processo ocorre na usinagem fotoquímica.

O material usado tem espessura entre 1,27 mm a 1,5 mm. Amplamente usado na fabricação de PCB, semicondutores, chips eletrônicos, componentes metálicos de computadores, engrenagens pequenas para relógios, etc.

Agente de Gravação (Etchant):

Mistura de ácidos químicos diluídos ou concentrados que reagem com o metal e o dissolvem.

Material da peça	Agente de gravação	Temp. operac. (°C)	Taxa de gravação (mm/min × 10³)
Alumínio e suas ligas	Na(OH)	49	20-30
	FeCl₃	49	13-25
Latão ou bronze	NH₄HF₂	27	10-15
	FeCl₃	49	25
Chumbo	FeCl₃	54
Liga de magnésio	HNO₃	32-49	25-50
Níquel	FeCl₃	49	13-38
Titânio	HNO₃/HF	Ambiente	13-25