Lavorazione EBM e lavorazione a fascio di elettroni

In ELECTRON-BEAM MACHINING (EBM) abbiamo elettroni ad alta velocità concentrati in un fascio stretto che sono diretti verso il pezzo, creando calore e vaporizzando il materiale. Quindi EBM è una sorta di HIGH-ENERGY-BEAM MACHINING technique. La lavorazione a fascio di elettroni (EBM) può essere utilizzata per il taglio o l'alesatura molto accurati di una varietà di metalli. La finitura superficiale è migliore e la larghezza del taglio è più stretta rispetto ad altri processi di taglio termico. I fasci di elettroni nelle apparecchiature EBM-Machining sono generati in un cannone a fascio di elettroni. Le applicazioni della lavorazione a fascio di elettroni sono simili a quelle della lavorazione a raggio laser, tranne per il fatto che l'EBM richiede un buon vuoto. Quindi questi due processi sono classificati come processi elettro-ottici-termici. Il pezzo da lavorare con il processo EBM si trova sotto il fascio di elettroni e viene mantenuto sotto vuoto. I cannoni a fascio di elettroni delle nostre macchine EBM sono inoltre dotati di sistemi di illuminazione e telescopi per l'allineamento del fascio con il pezzo. Il pezzo è montato su un tavolo CNC in modo che i fori di qualsiasi forma possano essere lavorati utilizzando il controllo CNC e la funzionalità di deflessione del raggio della pistola. Per ottenere la rapida evaporazione del materiale, la densità planare della potenza nella trave deve essere la più alta possibile. Nel punto dell'impatto è possibile ottenere valori fino a 10exp7 W/mm2. Gli elettroni trasferiscono la loro energia cinetica in calore in un'area molto piccola e il materiale colpito dal raggio evapora in brevissimo tempo. Il materiale fuso nella parte superiore del frontale, viene espulso dalla zona di taglio dall'elevata pressione di vapore nelle parti inferiori. Le apparecchiature EBM sono costruite in modo simile alle saldatrici a fascio di elettroni. Le macchine a fascio di elettroni di solito utilizzano tensioni comprese tra 50 e 200 kV per accelerare gli elettroni a circa il 50-80% della velocità della luce (200.000 km/s). Lenti magnetiche la cui funzione si basa sulle forze di Lorentz vengono utilizzate per focalizzare il fascio di elettroni sulla superficie del pezzo. Con l'aiuto di un computer, il sistema di deflessione elettromagnetica posiziona il raggio secondo necessità in modo da poter praticare fori di qualsiasi forma. In altre parole, le lenti magnetiche nelle apparecchiature per la lavorazione di fasci di elettroni modellano il raggio e riducono la divergenza. Le aperture d'altra parte consentono solo agli elettroni convergenti di passare e catturare gli elettroni divergenti a bassa energia dalle frange. L'apertura e le lenti magnetiche nelle macchine EBM migliorano così la qualità del fascio di elettroni. La pistola in EBM viene utilizzata in modalità pulsata. I fori possono essere eseguiti su lamiere sottili utilizzando un solo impulso. Tuttavia, per piastre più spesse, sarebbero necessari più impulsi. Generalmente vengono utilizzate durate di impulso di commutazione da 50 microsecondi fino a 15 millisecondi. Per ridurre al minimo le collisioni di elettroni con le molecole d'aria con conseguente dispersione e ridurre al minimo la contaminazione, nell'EBM viene utilizzato il vuoto. Il vuoto è difficile e costoso da produrre. Soprattutto ottenere un buon vuoto all'interno di grandi volumi e camere è molto impegnativo. Pertanto l'EBM è più adatto per piccole parti che si adattano a camere a vuoto compatte di dimensioni ragionevoli. Il livello di vuoto all'interno della pistola dell'EBM è nell'ordine da 10EXP(-4) a 10EXP(-6) Torr. L'interazione del fascio di elettroni con il pezzo in lavorazione produce raggi X che rappresentano un pericolo per la salute e pertanto personale ben addestrato dovrebbe utilizzare apparecchiature EBM. In generale, la lavorazione EBM viene utilizzata per tagliare fori fino a 0,001 pollici (0,025 millimetri) di diametro e scanalature strette fino a 0,001 pollici in materiali fino a 0,250 pollici (6,25 millimetri) di spessore. La lunghezza caratteristica è il diametro su cui è attivo il raggio. Il fascio di elettroni nell'EBM può avere una lunghezza caratteristica da decine di micron a mm a seconda del grado di focalizzazione del fascio. Generalmente, il fascio di elettroni focalizzato ad alta energia viene fatto incidere sul pezzo con una dimensione del punto di 10 – 100 micron. L'EBM può fornire fori di diametro compreso tra 100 micron e 2 mm con una profondità fino a 15 mm, cioè con un rapporto profondità/diametro di circa 10. In caso di fasci di elettroni sfocati, le densità di potenza scenderebbero fino a 1 Watt/mm2. Tuttavia, in caso di fasci focalizzati, le densità di potenza potrebbero essere aumentate a decine di kW/mm2. A titolo di confronto, i raggi laser possono essere focalizzati su una dimensione dello spot di 10 – 100 micron con una densità di potenza fino a 1 MW/mm2. La scarica elettrica in genere fornisce le densità di potenza più elevate con dimensioni dello spot più piccole. La corrente del fascio è direttamente correlata al numero di elettroni disponibili nel fascio. La corrente del fascio in Electron-Beam-Machining può variare da 200 microampere a 1 ampere. L'aumento della corrente del fascio dell'EBM e/o della durata dell'impulso aumenta direttamente l'energia per impulso. Usiamo impulsi ad alta energia superiori a 100 J/impulso per lavorare fori più grandi su piastre più spesse. In condizioni normali, la lavorazione EBM ci offre il vantaggio di prodotti privi di bave. I parametri di processo che influenzano direttamente le caratteristiche di lavorazione in Electron-Beam-Machining sono:

 

• Tensione di accelerazione

 

• Corrente del fascio

 

• Durata dell'impulso

 

• Energia per impulso

 

• Potenza per impulso

 

• Corrente dell'obiettivo

 

• Dimensione spot

 

• Densità di potenza

 

Alcune strutture fantasiose possono anche essere ottenute utilizzando la lavorazione del fascio di elettroni. I fori possono essere rastremati lungo la profondità o sagomati a botte. Focalizzando il raggio al di sotto della superficie, si possono ottenere conicità inversa. Un'ampia gamma di materiali come acciaio, acciaio inossidabile, superleghe di titanio e nichel, alluminio, plastica, ceramica possono essere lavorati utilizzando la lavorazione a trave elettronica. Potrebbero esserci danni termici associati all'EBM. Tuttavia, la zona interessata dal calore è stretta a causa delle brevi durate degli impulsi nell'EBM. Le zone interessate dal calore sono generalmente comprese tra 20 e 30 micron. Alcuni materiali come le leghe di alluminio e titanio sono più facilmente lavorabili rispetto all'acciaio. Inoltre, la lavorazione EBM non comporta forze di taglio sui pezzi da lavorare. Ciò consente la lavorazione di materiali fragili e fragili mediante EBM senza alcun bloccaggio o fissaggio significativo come nel caso delle tecniche di lavorazione meccanica. I fori possono anche essere praticati ad angoli molto bassi come da 20 a 30 gradi.

 

 

 

I vantaggi della lavorazione a fascio di elettroni: EBM fornisce velocità di perforazione molto elevate quando vengono praticati piccoli fori con proporzioni elevate. L'EBM può lavorare quasi tutti i materiali indipendentemente dalle sue proprietà meccaniche. Non sono coinvolte forze di taglio meccaniche, quindi i costi di bloccaggio, tenuta e fissaggio sono ignorabili e i materiali fragili/fragili possono essere lavorati senza problemi. Le zone colpite dal calore nell'EBM sono piccole a causa degli impulsi brevi. EBM è in grado di fornire con precisione qualsiasi forma di fori utilizzando bobine elettromagnetiche per deviare i fasci di elettroni e la tavola CNC.

 

 

 

Gli svantaggi della lavorazione a fascio di elettroni: le apparecchiature sono costose e il funzionamento e la manutenzione dei sistemi per vuoto richiedono tecnici specializzati. L'EBM richiede significativi periodi di inattività della pompa del vuoto per raggiungere le basse pressioni richieste. Anche se la zona interessata dal calore è piccola nell'EBM, la formazione dello strato di rifusione si verifica frequentemente. La nostra pluriennale esperienza e know-how ci aiuta a sfruttare questa preziosa attrezzatura nel nostro ambiente di produzione.