EBM-bewerking en elektronenstraalbewerking

In ELECTRON-BEAM MACHINING (EBM) we hebben elektronen met hoge snelheid geconcentreerd in een smalle straal die naar het werkstuk wordt gericht, waardoor warmte ontstaat en het materiaal verdampt. Dus EBM is een soort HIGH-ENERGY-BEAM MACHINING technique. Electron-Beam Machining (EBM) kan worden gebruikt voor het zeer nauwkeurig snijden of kotteren van een verscheidenheid aan metalen. De oppervlakteafwerking is beter en de kerfbreedte is smaller in vergelijking met andere thermische snijprocessen. De elektronenbundels in EBM-bewerkingsapparatuur worden gegenereerd in een elektronenbundelkanon. De toepassingen van Electron-Beam Machining zijn vergelijkbaar met die van Laser-Beam Machining, behalve dat EBM een goed vacuüm vereist. Deze twee processen worden dus geclassificeerd als elektro-optisch-thermische processen. Het met EBM-proces te bewerken werkstuk bevindt zich onder de elektronenstraal en wordt onder vacuüm gehouden. De elektronenstraalkanonnen in onze EBM-machines zijn ook voorzien van verlichtingssystemen en telescopen voor het uitlijnen van de straal met het werkstuk. Het werkstuk is op een CNC-tafel gemonteerd, zodat gaten van elke vorm kunnen worden bewerkt met behulp van de CNC-besturing en straalafbuigingsfunctionaliteit van het pistool. Om een snelle verdamping van het materiaal te bereiken, moet de planaire dichtheid van het vermogen in de bundel zo hoog mogelijk zijn. Waarden tot 10exp7 W/mm2 kunnen worden bereikt op de plaats van de impact. De elektronen zetten hun kinetische energie in een zeer klein gebied om in warmte en het materiaal dat door de straal wordt beïnvloed, wordt in zeer korte tijd verdampt. Het gesmolten materiaal aan de bovenkant van de voorkant, wordt uit de snijzone verdreven door de hoge dampdruk aan de onderkant. EBM-apparatuur is op dezelfde manier gebouwd als lasmachines met elektronenbundels. Elektronenstraalmachines gebruiken gewoonlijk spanningen in het bereik van 50 tot 200 kV om elektronen te versnellen tot ongeveer 50 tot 80% van de lichtsnelheid (200.000 km/s). Magnetische lenzen waarvan de functie is gebaseerd op Lorentz-krachten, worden gebruikt om de elektronenstraal op het oppervlak van het werkstuk te focussen. Met behulp van een computer positioneert het elektromagnetische afbuigsysteem de straal naar behoefte, zodat gaten van elke vorm kunnen worden geboord. Met andere woorden, de magnetische lenzen in Electron-Beam-Machining-apparatuur vormen de straal en verminderen de divergentie. Openingen daarentegen laten alleen de convergente elektronen passeren en vangen de divergente elektronen met lage energie van de randen. Het diafragma en de magnetische lenzen in EBM-Machines verbeteren dus de kwaliteit van de elektronenbundel. Het pistool in EBM wordt gebruikt in gepulseerde modus. Met een enkele puls kunnen gaten in dunne platen worden geboord. Voor dikkere platen zijn echter meerdere pulsen nodig. Over het algemeen worden schakelpulsduren van slechts 50 microseconden tot wel 15 milliseconden gebruikt. Om elektronenbotsingen met luchtmoleculen, resulterend in verstrooiing, te minimaliseren en contaminatie tot een minimum te beperken, wordt vacuüm gebruikt in EBM. Vacuüm is moeilijk en duur om te produceren. Vooral het verkrijgen van een goed vacuüm binnen grote volumes en kamers is zeer veeleisend. Daarom is EBM het meest geschikt voor kleine onderdelen die in compacte vacuümkamers van redelijk formaat passen. Het vacuümniveau in het EBM-pistool is in de orde van 10EXP(-4) tot 10EXP(-6) Torr. De interactie van de elektronenstraal met het werkstuk produceert röntgenstralen die een gevaar voor de gezondheid vormen, en daarom moet goed opgeleid personeel EBM-apparatuur bedienen. Over het algemeen wordt EBM-Machining gebruikt voor het snijden van gaten met een diameter tot 0,001 inch (0,025 millimeter) en sleuven tot 0,001 inch in materialen tot 0,250 inch (6,25 millimeter) dik. Karakteristieke lengte is de diameter waarover de straal actief is. Elektronenbundel in EBM kan een karakteristieke lengte hebben van tientallen microns tot mm, afhankelijk van de mate van focussering van de bundel. Over het algemeen wordt de hoogenergetische gefocusseerde elektronenstraal gemaakt om op het werkstuk te vallen met een puntgrootte van 10 - 100 micron. EBM kan gaten maken met een diameter van 100 micron tot 2 mm met een diepte tot 15 mm, dwz met een diepte/diameterverhouding van ongeveer 10. In het geval van onscherpe elektronenbundels zouden de vermogensdichtheden tot 1 dalen. Watt/mm2. In het geval van gefocusseerde bundels zouden de vermogensdichtheden echter kunnen worden verhoogd tot tientallen kW/mm2. Ter vergelijking: laserstralen kunnen worden gefocusseerd over een spotgrootte van 10 – 100 micron met een vermogensdichtheid tot wel 1 MW/mm2. Elektrische ontlading biedt doorgaans de hoogste vermogensdichtheden met kleinere spotgroottes. De bundelstroom is direct gerelateerd aan het aantal beschikbare elektronen in de bundel. De bundelstroom in Electron-Beam-Machining kan zo laag zijn als 200 microampère tot 1 ampère. Het verhogen van de bundelstroom en/of pulsduur van de EBM verhoogt direct de energie per puls. We gebruiken hoogenergetische pulsen van meer dan 100 J/puls om grotere gaten op dikkere platen te bewerken. Onder normale omstandigheden biedt EBM-bewerking ons het voordeel van braamvrije producten. De procesparameters die direct van invloed zijn op de bewerkingskenmerken in Electron-Beam-Machining zijn:

 

• Versnellingsspanning

 

• Straalstroom

 

• Duur van de polsslag

 

• Energie per puls

 

• Vermogen per puls

 

• Lensstroom

 

• Vlekgrootte

 

• Vermogensdichtheid

 

Sommige fantasiestructuren kunnen ook worden verkregen met behulp van Electron-Beam-Machining. Gaten kunnen taps toelopend langs de diepte of tonvormig zijn. Door de bundel onder het oppervlak te focussen, kunnen omgekeerde tapsheid worden verkregen. Een breed scala aan materialen zoals staal, roestvrij staal, titanium en nikkel superlegeringen, aluminium, kunststoffen, keramiek kan worden bewerkt met behulp van e-beam-bewerking. Er kan thermische schade zijn in verband met EBM. De door warmte beïnvloede zone is echter smal vanwege de korte pulsduur in EBM. De door warmte beïnvloede zones zijn over het algemeen ongeveer 20 tot 30 micron. Sommige materialen, zoals aluminium en titaniumlegeringen, zijn gemakkelijker te bewerken dan staal. Bovendien zijn er bij EBM-bewerking geen snijkrachten op de werkstukken. Dit maakt het mogelijk om breekbare en brosse materialen door EBM te bewerken zonder noemenswaardige klemming of bevestiging zoals het geval is bij mechanische bewerkingstechnieken. Gaten kunnen ook in zeer ondiepe hoeken worden geboord, zoals 20 tot 30 graden.

 

 

 

De voordelen van Electron-Beam-Machining: EBM biedt zeer hoge boorsnelheden wanneer kleine gaten met een hoge aspectverhouding worden geboord. EBM kan bijna elk materiaal bewerken, ongeacht de mechanische eigenschappen. Er zijn geen mechanische snijkrachten nodig, dus de kosten voor het opspannen, vasthouden en opspannen van het werk zijn te verwaarlozen en breekbare/brosse materialen kunnen zonder problemen worden verwerkt. Door warmte aangetaste zones in EBM zijn klein vanwege korte pulsen. EBM is in staat om elke vorm van gaten nauwkeurig te leveren door elektromagnetische spoelen te gebruiken om elektronenstralen en de CNC-tafel af te buigen.

 

 

 

De nadelen van Electron-Beam-Machining: Apparatuur is duur en het bedienen en onderhouden van vacuümsystemen vereist gespecialiseerde technici. EBM vereist aanzienlijke vacuümpomp-down perioden om de vereiste lage drukken te bereiken. Hoewel de door warmte aangetaste zone klein is in EBM, komt de vorming van een herschikte laag vaak voor. Onze jarenlange ervaring en knowhow helpt ons om te profiteren van deze waardevolle apparatuur in onze productieomgeving.