المعالجة الكيميائية الضوئية

التصنيع الكيميائي الضوئي ( PCM )، المعروف أيضًا باسم الطحن الكيميائي الضوئي أو الحفر الضوئي ، هو عملية طحن كيميائية تُستخدم لتصنيع مكونات الصفائح المعدنية باستخدام مادة مقاومة للضوء ومواد حفر لإزالة مناطق محددة بشكل تآكلي. ظهرت هذه العملية في ستينيات القرن الماضي كفرع من صناعة لوحات الدوائر المطبوعة. يُمكن للحفر الضوئي إنتاج أجزاء بالغة التعقيد بتفاصيل دقيقة للغاية بدقة واقتصادية.

تُوفر هذه العملية بدائل اقتصادية لعمليات التشكيل بالضغط ، والتثقيب ، والقطع بالليزر أو الماء ، أو القطع الكهربائي السلكي (EDM) للأجزاء الدقيقة ذات السماكة الرقيقة. تتميز الأدوات المستخدمة بانخفاض تكلفتها وسرعة إنتاجها، مما يجعل العملية مفيدة في صناعة النماذج الأولية ، ويُتيح إجراء تعديلات سهلة في الإنتاج الكمي . كما تحافظ على دقة الأبعاد ، ولا تُنتج نتوءات أو حواف حادة. ويمكن تصنيع القطعة في غضون ساعات قليلة من استلام الرسم.

يمكن استخدام تقنية تغيير الطور (PCM) على أي معدن أو سبيكة متوفرة تجاريًا تقريبًا، بغض النظر عن صلابتها. وتقتصر هذه التقنية على المواد التي يتراوح سمكها بين 0.0005 و0.080 بوصة (0.013 إلى 2.032 مم) . وتشمل المعادن التي يمكن تطبيق هذه التقنية عليها : الألومنيوم ، والنحاس الأصفر ، والنحاس ، والإنكونيل ، والمنغنيز ، والنيكل ، والفضة ، والفولاذ ، والفولاذ المقاوم للصدأ ، والزنك ، والتيتانيوم .  

التصنيع الكيميائي الضوئي هو شكل من أشكال النقش الضوئي ، وتسمى عملية مماثلة في التصنيع الدقيق بالطباعة الضوئية .

تبدأ العملية بطباعة شكل القطعة على فيلم فوتوغرافي شفاف بصريًا وثابت الأبعاد . تتكون " أداة التصوير " من ورقتين من هذا الفيلم تعرضان صورًا معكوسة للقطع (أي أن المنطقة التي ستُشكّل القطع شفافة، بينما جميع المناطق المراد حفرها سوداء). تُطابق الورقتان بصريًا وميكانيكيًا لتشكيل النصفين العلوي والسفلي للأداة. ^{[ 1 ]}

تُقطع الصفائح المعدنية إلى الحجم المطلوب، ثم تُنظف وتُغلف من كلا الجانبين بطبقة من مادة مقاومة للضوء حساسة للأشعة فوق البنفسجية . توضع الصفائح المعدنية المطلية بين صفيحتي أداة التصوير، ويُسحب فراغ لضمان التلامس التام بين الأداة والصفيحة المعدنية. بعد ذلك، تُعرض الصفيحة للأشعة فوق البنفسجية ، مما يسمح بتصلب مناطق المادة المقاومة الموجودة في الأجزاء الشفافة من الفيلم. بعد التعريض، تُعالج الصفيحة، فتُزال المادة المقاومة غير المعرضة للضوء، تاركةً المناطق المراد حفرها مكشوفة.

خط الحفر عبارة عن آلة متعددة الحجرات مزودة بسيور ناقلة ذات عجلات دافعة لنقل الصفائح، ومجموعة من فوهات الرش فوقها وتحتها. يتكون محلول الحفر عادةً من محلول مائي لحمض، غالباً كلوريد الحديديك ، يُسخّن ويُوجّه تحت ضغط إلى جانبي الصفيحة. يتفاعل محلول الحفر مع المعدن غير المحمي، مما يؤدي إلى تآكله بسرعة. بعد معادلة الحمض وشطفه، تُزال طبقة المقاومة المتبقية، ثم تُنظف وتُجفف صفيحة الأجزاء.

تعتبر الأجزاء الرقيقة (أقل من 0.050 بوصة (1.3 مم) ) المصنوعة من مجموعة واسعة من السبائك مرشحة للحفر الضوئي.  

تشمل التطبيقات الصناعية الشاشات والشبكات الدقيقة، والفتحات والأقنعة، وشبكات البطاريات، ومكونات خلايا الوقود ، وأجهزة الاستشعار ، والينابيع ، وأغشية الضغط ، ومشتتات الحرارة ، وعناصر التسخين المرنة ، ودوائر ومكونات الترددات الراديوية والميكروويف، وإطارات توصيل أشباه الموصلات، وصفائح المحركات والمحولات، والحشيات والأختام المعدنية ، والدروع والمثبتات ، والموصلات الكهربائية، وأجهزة التشفير ومقطعات الضوء، ودروع الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي/الترددات الراديوية ، والمجوهرات والغسالات .

تتميز عملية تصنيع الأدوات الضوئية بالسرعة وانخفاض التكلفة. إذ لا تتجاوز تكلفة معظمها 350 دولارًا أمريكيًا، ويمكن إنتاجها في غضون يومين أو أقل. وعلى عكس الأدوات الصلبة، كقوالب التشكيل والختم ، فإن الأدوات الضوئية لا تتعرض إلا للضوء، وبالتالي لا تتلف. ونظرًا لتكلفة الأدوات الصلبة المستخدمة في التشكيل والقطع الدقيق، فإن تبرير هذه التكلفة يتطلب إنتاج كميات كبيرة. بعض الأجزاء، كإطارات توصيل أشباه الموصلات، بالغة التعقيد والهشاشة، لدرجة أنه حتى مع إنتاج ملايين القطع، لا يمكن تصنيعها إلا بتقنية الحفر الضوئي.

في نظام إدارة الإنتاج (PCM)، تُقاس تكلفة العمل بالصفائح. لذا، يُعدّ من الأجدى اقتصادياً تخطيط أكبر حجم ممكن للصفائح بما يتناسب مع حجم القطعة وتفاوت أبعادها. وكلما زاد عدد القطع في الصفيحة الواحدة، انخفضت تكلفة العمل لكل قطعة.

يؤثر سمك المادة على التكاليف تبعاً لمدة الحفر. وتحفر معظم السبائك بمعدلات تتراوح بين 0.0005 و0.001 بوصة (0.013-0.025 مم) من العمق في الدقيقة لكل جانب.  

بشكل عام، بالنسبة لقطع العمل المصنوعة من الفولاذ أو النحاس أو الألومنيوم بسماكة تصل إلى 0.51 مم ، تتراوح تكلفة القطعة الواحدة بين 0.15 و0.20 دولار أمريكي لكل بوصة مربعة. ومع ازدياد تعقيد شكل القطعة، تكتسب المعالجة الكيميائية الضوئية ميزة اقتصادية أكبر مقارنةً بالعمليات التسلسلية مثل التثقيب باستخدام الحاسوب، والقطع بالليزر أو النفاث المائي، والتصنيع بالتفريغ الكهربائي.