EBM-bearbejdning og elektronstrålebearbejdning

In ELECTRON-BEAM MACHINING (EBM) vi har højhastighedselektroner koncentreret til et stykke, hvorved materialet bliver rettet mod varme. Således er EBM en slags HIGH-ENERGY-BEAM MACHINING teknik. Elektronstrålebearbejdning (EBM) kan bruges til meget nøjagtig skæring eller boring af en række forskellige metaller. Overfladefinishen er bedre, og snittets bredde er smallere sammenlignet med andre termiske skæreprocesser. Elektronstrålerne i EBM-Machining udstyr genereres i en elektronstrålekanon. Anvendelserne af elektronstrålebearbejdning ligner dem for laserstrålebearbejdning, bortset fra at EBM kræver et godt vakuum. Disse to processer er således klassificeret som elektro-optisk-termiske processer. Emnet, der skal bearbejdes med EBM-processen, er placeret under elektronstrålen og holdes under vakuum. Elektronstrålekanonerne i vores EBM-maskiner er også forsynet med belysningssystemer og teleskoper til justering af strålen med emnet. Emnet er monteret på et CNC-bord, så huller af enhver form kan bearbejdes ved hjælp af pistolens CNC-styring og stråleafbøjningsfunktion. For at opnå den hurtige fordampning af materialet skal den plane tæthed af kraften i strålen være så høj som muligt. Værdier op til 10exp7 W/mm2 kan opnås på stødstedet. Elektronerne overfører deres kinetiske energi til varme på et meget lille område, og det materiale, der påvirkes af strålen, fordampes på meget kort tid. Det smeltede materiale i toppen af fronten udstødes fra skærezonen af det høje damptryk i de nederste dele. EBM-udstyr er bygget på samme måde som elektronstrålesvejsemaskiner. Elektronstrålemaskiner anvender normalt spændinger i området 50 til 200 kV til at accelerere elektroner til omkring 50 til 80 % af lysets hastighed (200.000 km/s). Magnetiske linser, hvis funktion er baseret på Lorentz-kræfter, bruges til at fokusere elektronstrålen til overfladen af emnet. Ved hjælp af en computer placerer det elektromagnetiske afbøjningssystem strålen efter behov, så huller af enhver form kan bores. Med andre ord former de magnetiske linser i Electron-Beam-Machining-udstyr strålen og reducerer divergensen. Åbninger på den anden side tillader kun de konvergerende elektroner at passere og fanger de divergerende lavenergielektroner fra kanten. Blænden og de magnetiske linser i EBM-maskiner forbedrer således kvaliteten af elektronstrålen. Pistolen i EBM bruges i pulserende tilstand. Huller kan bores i tynde plader ved hjælp af en enkelt puls. For tykkere plader ville der dog være behov for flere impulser. Omskiftningspulsvarigheder på så lavt som 50 mikrosekunder til så længe som 15 millisekunder anvendes generelt. For at minimere elektronkollisioner med luftmolekyler, der resulterer i spredning og holde forurening på et minimum, bruges vakuum i EBM. Vakuum er svært og dyrt at fremstille. Især at opnå et godt vakuum i store volumener og kamre er meget krævende. Derfor er EBM bedst egnet til små dele, der passer ind i kompakte vakuumkamre af rimelig størrelse. Niveauet af vakuum i EBM's pistol er i størrelsesordenen 10EXP(-4) til 10EXP(-6) Torr. Samspillet mellem elektronstrålen og arbejdsemnet frembringer røntgenstråler, som udgør en sundhedsfare, og derfor bør veluddannet personale betjene EBM-udstyr. Generelt bruges EBM-bearbejdning til at skære huller så små som 0,001 tomme (0,025 millimeter) i diameter og slidser så smalle som 0,001 tomme i materialer op til 0,250 tomme (6,25 millimeter) tykke. Karakteristisk længde er den diameter, som strålen er aktiv over. Elektronstrålen i EBM kan have en karakteristisk længde på titusvis af mikron til mm afhængig af graden af fokusering af strålen. Generelt er den højenergifokuserede elektronstråle lavet til at ramme emnet med en pletstørrelse på 10 – 100 mikron. EBM kan give huller med diametre i området fra 100 mikron til 2 mm med en dybde på op til 15 mm, dvs. med et dybde/diameter-forhold på omkring 10. I tilfælde af defokuserede elektronstråler vil effekttæthederne falde så lavt som 1 Watt/mm2. Men i tilfælde af fokuserede stråler kan effekttæthederne øges til titusinder af kW/mm2. Til sammenligning kan laserstråler fokuseres over en spotstørrelse på 10 – 100 mikron med en effekttæthed så høj som 1 MW/mm2. Elektrisk afladning giver typisk de højeste effekttætheder med mindre pletstørrelser. Strålestrømmen er direkte relateret til antallet af tilgængelige elektroner i strålen. Strålestrømmen i elektronstrålebearbejdning kan være så lav som 200 mikroampere til 1 ampere. Forøgelse af EBM's strålestrøm og/eller pulsvarighed øger direkte energien pr. puls. Vi bruger højenergiimpulser på over 100 J/puls til at bearbejde større huller på tykkere plader. Under normale forhold giver EBM-bearbejdning os fordelen ved gratfrie produkter. De procesparametre, der direkte påvirker bearbejdningsegenskaberne i elektronstrålebearbejdning, er:

 

• Accelerationsspænding

 

• Strålestrøm

 

• Pulsvarighed

 

• Energi pr. puls

 

• Effekt pr. puls

 

• Linsestrøm

 

• Spotstørrelse

 

• Effekttæthed

 

Nogle fancy strukturer kan også opnås ved hjælp af elektronstrålebearbejdning. Huller kan være tilspidsede langs dybden eller tøndeformede. Ved at fokusere strålen under overfladen kan der opnås omvendte tilspidsninger. En bred vifte af materialer som stål, rustfrit stål, titanium og nikkel superlegeringer, aluminium, plast, keramik kan bearbejdes ved hjælp af e-beam-bearbejdning. Der kan være termiske skader forbundet med EBM. Den varmepåvirkede zone er dog smal på grund af korte pulsvarigheder i EBM. De varmepåvirkede zoner er generelt omkring 20 til 30 mikrometer. Nogle materialer såsom aluminium og titanlegeringer er lettere bearbejdet sammenlignet med stål. Endvidere involverer EBM-bearbejdning ikke skærekræfter på emnerne. Dette muliggør bearbejdning af skrøbelige og skøre materialer af EBM uden nogen væsentlig fastspænding eller fastgørelse, som det er tilfældet i mekaniske bearbejdningsteknikker. Huller kan også bores i meget lave vinkler som 20 til 30 grader.

 

 

 

Fordelene ved Electron-Beam-Machining: EBM giver meget høje borehastigheder, når der bores små huller med højt billedformat. EBM kan bearbejde næsten ethvert materiale uanset dets mekaniske egenskaber. Der er ingen mekaniske skærekræfter involveret, således kan omkostningerne til fastspænding, fastholdelse og fastgørelse ignoreres, og skrøbelige/skøre materialer kan behandles uden problemer. Varmepåvirkede zoner i EBM er små på grund af korte pulser. EBM er i stand til at levere enhver form for huller med nøjagtighed ved at bruge elektromagnetiske spoler til at afbøje elektronstråler og CNC-bordet.

 

 

 

Ulemperne ved elektronstrålebearbejdning: Udstyr er dyrt, og drift og vedligeholdelse af vakuumsystemer kræver specialiserede teknikere. EBM kræver betydelige vakuumpumpeperioder for at opnå de nødvendige lave tryk. Selvom den varmepåvirkede zone er lille i EBM, forekommer dannelsen af omstøbte lag hyppigt. Vores mange års erfaring og knowhow hjælper os med at drage fordel af dette værdifulde udstyr i vores produktionsmiljø.