EBM-Bearbeitung, Elektronenstrahl-Bearbeitung

In ELECTRON-BEAM MACHINING (EBM) wir haben Hochgeschwindigkeitselektronen, die in einem schmalen Strahl konzentriert sind, der auf das Werkstück gerichtet ist, Hitze erzeugt und das Material verdampft. Somit ist EBM eine Art von HIGH-ENERGY-BEAM MACHINING Technik. Elektronenstrahlbearbeitung (EBM) kann zum sehr genauen Schneiden oder Bohren einer Vielzahl von Metallen verwendet werden. Die Oberflächengüte ist besser und die Schnittfugenbreite ist im Vergleich zu anderen thermischen Schneidverfahren schmaler. Die Elektronenstrahlen in EBM-Bearbeitungsanlagen werden in einer Elektronenstrahlkanone erzeugt. Die Anwendungen der Elektronenstrahlbearbeitung ähneln denen der Laserstrahlbearbeitung, außer dass EBM ein gutes Vakuum erfordert. Somit werden diese beiden Prozesse als elektrooptisch-thermische Prozesse klassifiziert. Das mit dem EBM-Verfahren zu bearbeitende Werkstück befindet sich unter dem Elektronenstrahl und wird unter Vakuum gehalten. Die Elektronenstrahlkanonen in unseren EBM-Maschinen sind außerdem mit Beleuchtungssystemen und Teleskopen zur Ausrichtung des Strahls auf das Werkstück ausgestattet. Das Werkstück wird auf einem CNC-Tisch montiert, so dass Löcher jeder Form mit der CNC-Steuerung und Strahlablenkungsfunktion der Pistole bearbeitet werden können. Um die schnelle Verdampfung des Materials zu erreichen, muss die flächige Leistungsdichte im Strahl möglichst hoch sein. Am Auftreffpunkt können Werte bis 10exp7 W/mm2 erreicht werden. Die Elektronen setzen ihre kinetische Energie auf engstem Raum in Wärme um und das vom Strahl getroffene Material wird in kürzester Zeit verdampft. Das geschmolzene Material oben an der Vorderseite wird durch den hohen Dampfdruck an den unteren Teilen aus der Schneidzone ausgestoßen. EBM-Geräte sind ähnlich aufgebaut wie Elektronenstrahlschweißmaschinen. Elektronenstrahlmaschinen verwenden normalerweise Spannungen im Bereich von 50 bis 200 kV, um Elektronen auf etwa 50 bis 80 % der Lichtgeschwindigkeit (200.000 km/s) zu beschleunigen. Zur Fokussierung des Elektronenstrahls auf die Werkstückoberfläche werden magnetische Linsen eingesetzt, deren Funktion auf Lorentzkräften beruht. Mit Hilfe eines Computers positioniert das elektromagnetische Ablenksystem den Strahl nach Bedarf, sodass Löcher beliebiger Form gebohrt werden können. Mit anderen Worten, die magnetischen Linsen in der Elektronenstrahl-Bearbeitungsanlage formen den Strahl und reduzieren die Divergenz. Öffnungen andererseits erlauben nur den konvergenten Elektronen, durchzugehen und die divergenten niederenergetischen Elektronen von den Rändern einzufangen. Die Blende und die magnetischen Linsen in EBM-Maschinen verbessern somit die Qualität des Elektronenstrahls. Die Pistole in EBM wird im gepulsten Modus verwendet. Mit einem einzigen Impuls können Löcher in dünne Bleche gebohrt werden. Für dickere Platten wären jedoch mehrere Impulse erforderlich. Im Allgemeinen werden Schaltimpulsdauern von nur 50 Mikrosekunden bis zu 15 Millisekunden verwendet. Um Kollisionen von Elektronen mit Luftmolekülen, die zu Streuungen führen, zu minimieren und die Kontamination auf ein Minimum zu beschränken, wird bei der EBM Vakuum verwendet. Vakuum ist schwierig und teuer herzustellen. Besonders das Erhalten eines guten Vakuums in großen Volumina und Kammern ist sehr anspruchsvoll. Daher eignet sich EBM am besten für kleine Teile, die in kompakte Vakuumkammern mit angemessener Größe passen. Das Vakuumniveau in der Kanone des EBM liegt in der Größenordnung von 10 EXP (-4) bis 10 EXP (-6) Torr. Die Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit dem Werkstück erzeugt gesundheitsgefährdende Röntgenstrahlen, weshalb gut geschultes Personal EBM-Geräte bedienen sollte. Im Allgemeinen wird die EBM-Bearbeitung zum Schneiden von Löchern mit einem Durchmesser von nur 0,001 Zoll (0,025 Millimeter) und von Schlitzen mit einer Breite von nur 0,001 Zoll in Materialien mit einer Dicke von bis zu 0,250 Zoll (6,25 Millimeter) verwendet. Die charakteristische Länge ist der Durchmesser, über den der Strahl aktiv ist. Elektronenstrahlen in EBM können je nach Fokussierungsgrad des Strahls eine charakteristische Länge von mehreren zehn Mikrometern bis mm haben. Im Allgemeinen wird der hochenergetische fokussierte Elektronenstrahl mit einer Punktgröße von 10 – 100 Mikrometer auf das Werkstück auftreffen gelassen. EBM kann Löcher mit Durchmessern im Bereich von 100 Mikrometer bis 2 mm mit einer Tiefe von bis zu 15 mm bereitstellen, dh mit einem Tiefe/Durchmesser-Verhältnis von etwa 10. Im Fall von defokussierten Elektronenstrahlen würden die Leistungsdichten auf bis zu 1 fallen Watt/mm2. Im Fall von fokussierten Strahlen könnten die Leistungsdichten jedoch auf mehrere zehn kW/mm2 erhöht werden. Im Vergleich dazu können Laserstrahlen über eine Punktgröße von 10 – 100 Mikrometer mit einer Leistungsdichte von bis zu 1 MW/mm2 fokussiert werden. Elektrische Entladung liefert typischerweise die höchsten Leistungsdichten mit kleineren Punktgrößen. Der Strahlstrom steht in direktem Zusammenhang mit der Anzahl der im Strahl verfügbaren Elektronen. Der Strahlstrom bei der Elektronenstrahlbearbeitung kann so niedrig wie 200 Mikroampere bis 1 Ampere sein. Eine Erhöhung des Strahlstroms und/oder der Impulsdauer des EBM erhöht direkt die Energie pro Impuls. Wir verwenden hochenergetische Pulse von über 100 J/Puls, um größere Löcher in dickeren Platten zu bearbeiten. Unter normalen Bedingungen bietet uns die EBM-Bearbeitung den Vorteil gratfreier Produkte. Die Prozessparameter, die die Bearbeitungseigenschaften bei der Elektronenstrahlbearbeitung direkt beeinflussen, sind:

 

• Beschleunigungsspannung

 

• Strahlstrom

 

• Impulsdauer

 

• Energie pro Impuls

 

• Leistung pro Impuls

 

• Linsenstrom

 

• Punktgröße

 

• Leistungsdichte

 

Einige ausgefallene Strukturen können auch durch Elektronenstrahlbearbeitung erzielt werden. Löcher können entlang der Tiefe verjüngt oder tonnenförmig sein. Durch Fokussieren des Strahls unterhalb der Oberfläche können umgekehrte Verjüngungen erzielt werden. Eine breite Palette von Materialien wie Stahl, Edelstahl, Titan- und Nickel-Superlegierungen, Aluminium, Kunststoffe, Keramik kann mit der Elektronenstrahlbearbeitung bearbeitet werden. Im Zusammenhang mit EBM können thermische Schäden auftreten. Allerdings ist die Wärmeeinflusszone aufgrund kurzer Pulsdauern bei EBM schmal. Die Wärmeeinflusszonen liegen im Allgemeinen bei etwa 20 bis 30 Mikron. Einige Materialien wie Aluminium- und Titanlegierungen lassen sich im Vergleich zu Stahl leichter bearbeiten. Außerdem wirkt die EBM-Bearbeitung nicht mit Schnittkräften auf die Werkstücke. Dies ermöglicht die Bearbeitung von zerbrechlichen und spröden Materialien durch EBM ohne nennenswertes Einspannen oder Befestigen, wie es bei mechanischen Bearbeitungstechniken der Fall ist. Löcher können auch in sehr flachen Winkeln wie 20 bis 30 Grad gebohrt werden.

 

 

 

Die Vorteile der Elektronenstrahlbearbeitung: EBM liefert sehr hohe Bohrraten, wenn kleine Löcher mit hohem Aspektverhältnis gebohrt werden. EBM kann fast jedes Material unabhängig von seinen mechanischen Eigenschaften bearbeiten. Es wirken keine mechanischen Schnittkräfte, somit sind die Kosten für Werkstückspannung, -haltung und -fixierung vernachlässigbar und zerbrechliche/spröde Materialien können problemlos verarbeitet werden. Wärmeeinflusszonen in EBM sind wegen kurzer Pulse klein. EBM ist in der Lage, jede Form von Löchern mit Genauigkeit bereitzustellen, indem elektromagnetische Spulen verwendet werden, um Elektronenstrahlen und den CNC-Tisch abzulenken.

 

 

 

Die Nachteile der Elektronenstrahlbearbeitung: Die Ausrüstung ist teuer und der Betrieb und die Wartung von Vakuumsystemen erfordern spezialisierte Techniker. EBM erfordert erhebliche Vakuumabpumpzeiten, um die erforderlichen niedrigen Drücke zu erreichen. Obwohl die Wärmeeinflusszone bei EBM klein ist, tritt die Bildung der Umschmelzschicht häufig auf. Unsere langjährige Erfahrung und unser Know-how helfen uns, diese wertvollen Geräte in unserem Fertigungsumfeld zu nutzen.