EBM Machining & Electron Beam Machining

In ELECTRON-BEAM MACHINING (EBM) έχουμε το υλικό υψηλής ταχύτητας που στενεύει προς τα κάτω και τα ηλεκτρόνια συγκεντρώνονται προς την κατεύθυνση της θερμότητας. Έτσι το EBM είναι ένα είδος HIGH-ENERGY-BEAM MACHINING technique. Η κατεργασία με δέσμη ηλεκτρονίων (EBM) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πολύ ακριβή κοπή ή διάτρηση μιας ποικιλίας μετάλλων. Το φινίρισμα της επιφάνειας είναι καλύτερο και το πλάτος της βάσης είναι μικρότερο σε σύγκριση με άλλες διαδικασίες θερμικής κοπής. Οι δέσμες ηλεκτρονίων στον εξοπλισμό EBM-Machining παράγονται σε ένα πιστόλι δέσμης ηλεκτρονίων. Οι εφαρμογές της κατεργασίας με δέσμη ηλεκτρονίων είναι παρόμοιες με αυτές της κατεργασίας δέσμης λέιζερ, με τη διαφορά ότι το EBM απαιτεί καλό κενό. Έτσι αυτές οι δύο διαδικασίες ταξινομούνται ως ηλεκτρο-οπτικές-θερμικές διεργασίες. Το τεμάχιο προς κατεργασία με τη διαδικασία EBM βρίσκεται κάτω από τη δέσμη ηλεκτρονίων και διατηρείται υπό κενό. Τα πιστόλια δέσμης ηλεκτρονίων στις μηχανές μας EBM παρέχονται επίσης με συστήματα φωτισμού και τηλεσκόπια για την ευθυγράμμιση της δέσμης με το τεμάχιο εργασίας. Το τεμάχιο εργασίας είναι τοποθετημένο σε ένα τραπέζι CNC έτσι ώστε οι τρύπες οποιουδήποτε σχήματος να μπορούν να υποβληθούν σε μηχανική επεξεργασία χρησιμοποιώντας τη λειτουργία ελέγχου CNC και εκτροπής δέσμης του πιστολιού. Για να επιτευχθεί η γρήγορη εξάτμιση του υλικού, η επίπεδη πυκνότητα της ισχύος στη δοκό πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη. Μπορούν να επιτευχθούν τιμές έως 10exp7 W/mm2 στο σημείο της πρόσκρουσης. Τα ηλεκτρόνια μεταφέρουν την κινητική τους ενέργεια σε θερμότητα σε μια πολύ μικρή περιοχή και το υλικό που επηρεάζεται από τη δέσμη εξατμίζεται σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Το λιωμένο υλικό στο πάνω μέρος της πρόσοψης, αποβάλλεται από τη ζώνη κοπής από την υψηλή πίεση ατμών στα κάτω μέρη. Ο εξοπλισμός EBM κατασκευάζεται παρόμοια με τις μηχανές συγκόλλησης με δέσμη ηλεκτρονίων. Οι μηχανές δέσμης ηλεκτρονίων συνήθως χρησιμοποιούν τάσεις στην περιοχή από 50 έως 200 kV για να επιταχύνουν τα ηλεκτρόνια στο 50 έως 80% περίπου της ταχύτητας του φωτός (200.000 km/s). Οι μαγνητικοί φακοί των οποίων η λειτουργία βασίζεται στις δυνάμεις Lorentz χρησιμοποιούνται για την εστίαση της δέσμης ηλεκτρονίων στην επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας. Με τη βοήθεια ενός υπολογιστή, το σύστημα ηλεκτρομαγνητικής παραμόρφωσης τοποθετεί τη δέσμη όπως απαιτείται, ώστε να μπορούν να ανοίξουν τρύπες οποιουδήποτε σχήματος. Με άλλα λόγια, οι μαγνητικοί φακοί στον εξοπλισμό Electron-Beam-Machining διαμορφώνουν τη δέσμη και μειώνουν την απόκλιση. Τα ανοίγματα από την άλλη επιτρέπουν μόνο στα συγκλίνοντα ηλεκτρόνια να περάσουν και να συλλάβουν τα αποκλίνοντα ηλεκτρόνια χαμηλής ενέργειας από τις παρυφές. Το διάφραγμα και οι μαγνητικοί φακοί στα EBM-Machines βελτιώνουν έτσι την ποιότητα της δέσμης ηλεκτρονίων. Το πιστόλι στο EBM χρησιμοποιείται σε παλμική λειτουργία. Μπορείτε να ανοίξετε τρύπες σε λεπτά φύλλα χρησιμοποιώντας έναν μόνο παλμό. Ωστόσο, για παχύτερες πλάκες, θα χρειαστούν πολλαπλοί παλμοί. Συνήθως χρησιμοποιούνται διάρκειες εναλλαγής παλμών από 50 μικροδευτερόλεπτα έως και 15 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Για να ελαχιστοποιηθούν οι συγκρούσεις ηλεκτρονίων με τα μόρια του αέρα που έχουν ως αποτέλεσμα τη σκέδαση και τη διατήρηση της μόλυνσης στο ελάχιστο, χρησιμοποιείται κενό στο EBM. Η παραγωγή κενού είναι δύσκολη και ακριβή. Ιδιαίτερα η απόκτηση καλού κενού σε μεγάλους όγκους και θαλάμους είναι πολύ απαιτητική. Επομένως, το EBM είναι το πλέον κατάλληλο για μικρά εξαρτήματα που χωρούν σε συμπαγείς θαλάμους κενού λογικού μεγέθους. Το επίπεδο κενού μέσα στο πιστόλι του EBM είναι της τάξης από 10EXP(-4) έως 10EXP(-6) Torr. Η αλληλεπίδραση της δέσμης ηλεκτρονίων με το τεμάχιο εργασίας παράγει ακτίνες Χ που αποτελούν κίνδυνο για την υγεία, και ως εκ τούτου καλά εκπαιδευμένο προσωπικό θα πρέπει να χειρίζεται τον εξοπλισμό EBM. Σε γενικές γραμμές, το EBM-Machining χρησιμοποιείται για την κοπή οπών με διάμετρο έως 0,001 ίντσας (0,025 χιλιοστά) και υποδοχές τόσο στενές όσο 0,001 ίντσας σε υλικά πάχους έως 0,250 ίντσες (6,25 χιλιοστά). Χαρακτηριστικό μήκος είναι η διάμετρος πάνω από την οποία είναι ενεργή η δοκός. Η δέσμη ηλεκτρονίων στο EBM μπορεί να έχει χαρακτηριστικό μήκος δεκάδων μικρών έως mm ανάλογα με τον βαθμό εστίασης της δέσμης. Γενικά, η εστιασμένη δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας είναι κατασκευασμένη για να προσκρούει στο τεμάχιο εργασίας με μέγεθος κηλίδας 10 – 100 microns. Το EBM μπορεί να παρέχει οπές διαμέτρων στην περιοχή από 100 microns έως 2 mm με βάθος έως 15 mm, δηλαδή με λόγο βάθους/διάμετρου περίπου 10. Σε περίπτωση μη εστιασμένης δέσμης ηλεκτρονίων, η πυκνότητα ισχύος θα πέσει έως και 1 Watt/mm2. Ωστόσο, στην περίπτωση εστιασμένων δεσμών, οι πυκνότητες ισχύος θα μπορούσαν να αυξηθούν σε δεκάδες kW/mm2. Για σύγκριση, οι ακτίνες λέιζερ μπορούν να εστιαστούν σε ένα μέγεθος σημείου 10 – 100 microns με πυκνότητα ισχύος τόσο υψηλή όσο 1 MW/mm2. Η ηλεκτρική εκκένωση παρέχει συνήθως τις υψηλότερες πυκνότητες ισχύος με μικρότερα μεγέθη κηλίδων. Το ρεύμα της δέσμης σχετίζεται άμεσα με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που είναι διαθέσιμα στη δέσμη. Το ρεύμα δέσμης στη Μηχανική Ηλεκτρονικής Δέσμης μπορεί να είναι από 200 μικροαμπέρ έως 1 αμπέρ. Η αύξηση του ρεύματος δέσμης και/ή της διάρκειας παλμού του EBM αυξάνει άμεσα την ενέργεια ανά παλμό. Χρησιμοποιούμε παλμούς υψηλής ενέργειας άνω των 100 J/παλμό για να επεξεργαστούμε μεγαλύτερες τρύπες σε παχύτερες πλάκες. Υπό κανονικές συνθήκες, η κατεργασία EBM μας προσφέρει το πλεονέκτημα των προϊόντων χωρίς γρέζια. Οι παράμετροι της διαδικασίας που επηρεάζουν άμεσα τα χαρακτηριστικά μηχανικής κατεργασίας στην Ηλεκτρονική Δέσμη-Μηχανική είναι:

 

• Τάση επιτάχυνσης

 

• Ρεύμα δέσμης

 

• Διάρκεια παλμού

 

• Ενέργεια ανά παλμό

 

• Ισχύς ανά παλμό

 

• Ρεύμα φακού

 

• Μέγεθος σημείου

 

• Πυκνότητα ισχύος

 

Ορισμένες φανταχτερές δομές μπορούν επίσης να ληφθούν χρησιμοποιώντας Ηλεκτρονική Δέσμη-Μηχανική. Οι τρύπες μπορούν να λεπτυνθούν κατά μήκος του βάθους ή σε σχήμα κάννης. Εστιάζοντας τη δέσμη κάτω από την επιφάνεια, μπορούν να ληφθούν αντίστροφα κωνικά. Μια ευρεία γκάμα υλικών όπως χάλυβας, ανοξείδωτος χάλυβας, υπερκράματα τιτανίου και νικελίου, αλουμίνιο, πλαστικά, κεραμικά μπορούν να υποβληθούν σε μηχανική κατεργασία με τη χρήση e-beam-machining. Μπορεί να υπάρχουν θερμικές βλάβες που σχετίζονται με το EBM. Ωστόσο, η ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα είναι στενή λόγω της μικρής διάρκειας παλμού στο EBM. Οι ζώνες που επηρεάζονται από τη θερμότητα είναι γενικά περίπου 20 έως 30 μικρά. Ορισμένα υλικά, όπως το αλουμίνιο και τα κράματα τιτανίου, υποβάλλονται σε επεξεργασία πιο εύκολα σε σύγκριση με τον χάλυβα. Επιπλέον, η κατεργασία EBM δεν περιλαμβάνει δυνάμεις κοπής στα τεμάχια εργασίας. Αυτό επιτρέπει την κατεργασία εύθραυστων και εύθραυστων υλικών με EBM χωρίς σημαντική σύσφιξη ή προσάρτηση, όπως συμβαίνει στις τεχνικές μηχανικής κατεργασίας. Οι τρύπες μπορούν επίσης να ανοίξουν σε πολύ ρηχές γωνίες όπως 20 έως 30 μοίρες.

 

 

 

Τα πλεονεκτήματα της κατεργασίας με δέσμη ηλεκτρονίων: Το EBM παρέχει πολύ υψηλούς ρυθμούς διάτρησης όταν ανοίγονται μικρές οπές με υψηλό λόγο διαστάσεων. Η EBM μπορεί να επεξεργαστεί σχεδόν οποιοδήποτε υλικό ανεξάρτητα από τις μηχανικές του ιδιότητες. Δεν εμπλέκονται μηχανικές δυνάμεις κοπής, επομένως το κόστος σύσφιξης εργασίας, συγκράτησης και στερέωσης είναι αμελητέο και τα εύθραυστα/εύθραυστα υλικά μπορούν να υποστούν επεξεργασία χωρίς προβλήματα. Οι ζώνες που επηρεάζονται από τη θερμότητα στο EBM είναι μικρές λόγω των βραχέων παλμών. Το EBM είναι σε θέση να παρέχει οποιοδήποτε σχήμα οπών με ακρίβεια χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνητικά πηνία για να εκτρέπει τις δέσμες ηλεκτρονίων και τον πίνακα CNC.

 

 

 

Τα μειονεκτήματα της κατεργασίας με δέσμη ηλεκτρονίων: Ο εξοπλισμός είναι ακριβός και η λειτουργία και η συντήρηση συστημάτων κενού απαιτεί εξειδικευμένους τεχνικούς. Το EBM απαιτεί σημαντικές περιόδους απενεργοποίησης της αντλίας κενού για την επίτευξη των απαιτούμενων χαμηλών πιέσεων. Παρόλο που η ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα είναι μικρή στο EBM, ο σχηματισμός αναδιατυπωμένου στρώματος συμβαίνει συχνά. Η πολυετής εμπειρία και η τεχνογνωσία μας μας βοηθά να εκμεταλλευτούμε αυτόν τον πολύτιμο εξοπλισμό στο περιβάλλον παραγωγής μας.