EBM-bearbetning och elektronstrålebearbetning

In ELECTRON-BEAM MACHINING (EBM) vi har höghastighetselektroner som koncentreras till ett arbetsstycke, vilket skapar en riktning mot arbetsstycket. Således är EBM en sorts HIGH-ENERGY-BEAM MACHINING technique. Elektronstrålebearbetning (EBM) kan användas för mycket exakt skärning eller borrning av en mängd olika metaller. Ytfinishen är bättre och skärbredden är smalare jämfört med andra termiska skärprocesser. Elektronstrålarna i EBM-Machining-utrustning genereras i en elektronstrålepistol. Applikationerna för elektronstrålebearbetning liknar de för laserstrålebearbetning, förutom att EBM kräver ett bra vakuum. Således klassificeras dessa två processer som elektrooptiska-termiska processer. Arbetsstycket som ska bearbetas med EBM-process är placerat under elektronstrålen och hålls under vakuum. Elektronstrålekanonerna i våra EBM-maskiner är också försedda med belysningssystem och teleskop för inriktning av strålen med arbetsstycket. Arbetsstycket är monterat på ett CNC-bord så att hål av valfri form kan bearbetas med hjälp av pistolens CNC-kontroll och strålavböjningsfunktion. För att uppnå den snabba förångningen av materialet måste den plana densiteten för kraften i strålen vara så hög som möjligt. Värden upp till 10exp7 W/mm2 kan uppnås vid islagsplatsen. Elektronerna överför sin kinetiska energi till värme på en mycket liten yta, och materialet som påverkas av strålen förångas på mycket kort tid. Det smälta materialet i toppen av fronten stöts ut från skärzonen av det höga ångtrycket i de nedre delarna. EBM-utrustning är byggd på samma sätt som elektronstrålesvetsmaskiner. Elektronstrålemaskiner använder vanligtvis spänningar i intervallet 50 till 200 kV för att accelerera elektroner till cirka 50 till 80 % av ljusets hastighet (200 000 km/s). Magnetiska linser vars funktion är baserad på Lorentz-krafter används för att fokusera elektronstrålen till arbetsstyckets yta. Med hjälp av en dator positionerar det elektromagnetiska avböjningssystemet strålen efter behov så att hål av valfri form kan borras. Med andra ord formar de magnetiska linserna i Electron-Beam-Machining-utrustning strålen och minskar divergensen. Öppningar å andra sidan tillåter endast de konvergerande elektronerna att passera och fångar de divergerande lågenergielektronerna från fransarna. Bländaren och de magnetiska linserna i EBM-maskiner förbättrar därmed kvaliteten på elektronstrålen. Pistolen i EBM används i pulsläge. Hål kan borras i tunna plåtar med en enda puls. Men för tjockare plattor skulle flera pulser behövas. Omkopplingspulsvaraktigheter på så låga som 50 mikrosekunder till så långa som 15 millisekunder används vanligtvis. För att minimera elektronkollisioner med luftmolekyler som resulterar i spridning och hålla kontaminering till ett minimum, används vakuum i EBM. Vakuum är svårt och dyrt att tillverka. Speciellt att få bra vakuum i stora volymer och kammare är mycket krävande. Därför lämpar sig EBM bäst för små delar som passar in i rimligt stora kompakta vakuumkammare. Vakuumnivån i EBM:s pistol är i storleksordningen 10EXP(-4) till 10EXP(-6) Torr. Elektronstrålens interaktion med arbetsstycket producerar röntgenstrålar som utgör en hälsorisk, och därför bör välutbildad personal använda EBM-utrustning. Generellt sett används EBM-bearbetning för att skära hål så små som 0,001 tum (0,025 millimeter) i diameter och slitsar så smala som 0,001 tum i material upp till 0,250 tum (6,25 millimeter) tjocka. Karakteristisk längd är diametern över vilken strålen är aktiv. Elektronstråle i EBM kan ha en karakteristisk längd av tiotals mikron till mm beroende på graden av fokusering av strålen. I allmänhet är den högenergifokuserade elektronstrålen gjord för att träffa arbetsstycket med en punktstorlek på 10 – 100 mikron. EBM kan tillhandahålla hål med diametrar i intervallet 100 mikron till 2 mm med ett djup upp till 15 mm, dvs. med ett djup/diameterförhållande på cirka 10. I händelse av defokuserade elektronstrålar skulle effekttätheten sjunka så lågt som 1 Watt/mm2. Men i fallet med fokuserade strålar kan effekttätheterna ökas till tiotals kW/mm2. Som en jämförelse kan laserstrålar fokuseras över en punktstorlek på 10 – 100 mikron med en effekttäthet så hög som 1 MW/mm2. Elektrisk urladdning ger vanligtvis de högsta effekttätheterna med mindre fläckstorlekar. Strålströmmen är direkt relaterad till antalet tillgängliga elektroner i strålen. Strålströmmen i elektronstrålebearbetning kan vara så låg som 200 mikroampere till 1 ampere. Att öka EBM:s strålström och/eller pulslängd ökar direkt energin per puls. Vi använder högenergipulser över 100 J/puls för att bearbeta större hål på tjockare plattor. Under normala förhållanden erbjuder EBM-bearbetning oss fördelen med gradfria produkter. Processparametrarna som direkt påverkar bearbetningsegenskaperna i Electron-Beam-Machining är:

 

• Accelerationsspänning

 

• Strålström

 

• Pulsvaraktighet

 

• Energi per puls

 

• Effekt per puls

 

• Linsström

 

• Fläckstorlek

 

• Krafttäthet

 

Vissa tjusiga strukturer kan också erhållas med hjälp av Electron-Beam-Machining. Hål kan vara avsmalnande längs djupet eller tunnformade. Genom att fokusera strålen under ytan kan omvänd avsmalning erhållas. Ett brett utbud av material som stål, rostfritt stål, titan och nickel superlegeringar, aluminium, plast, keramik kan bearbetas med e-beam-bearbetning. Det kan finnas termiska skador i samband med EBM. Den värmepåverkade zonen är dock smal på grund av korta pulslängder i EBM. De värmepåverkade zonerna är i allmänhet runt 20 till 30 mikron. Vissa material som aluminium och titanlegeringar är lättare att bearbeta jämfört med stål. Dessutom innebär EBM-bearbetning inte skärkrafter på arbetsstyckena. Detta möjliggör bearbetning av ömtåliga och spröda material av EBM utan någon betydande fastspänning eller fastsättning, vilket är fallet vid mekanisk bearbetningsteknik. Hål kan också borras i mycket grunda vinklar som 20 till 30 grader.

 

 

 

Fördelarna med Electron-Beam-Machining: EBM ger mycket höga borrhastigheter när små hål med högt bildförhållande borras. EBM kan bearbeta nästan vilket material som helst oavsett dess mekaniska egenskaper. Inga mekaniska skärkrafter är inblandade, därför kan arbetsklämnings-, håll- och fixeringskostnader ignoreras, och ömtåliga/spröda material kan bearbetas utan problem. Värmepåverkade zoner i EBM är små på grund av korta pulser. EBM kan tillhandahålla alla former av hål med noggrannhet genom att använda elektromagnetiska spolar för att avleda elektronstrålar och CNC-bordet.

 

 

 

Nackdelarna med elektronstrålebearbetning: Utrustning är dyr och drift och underhåll av vakuumsystem kräver specialiserade tekniker. EBM kräver betydande vakuumpumpningsperioder för att uppnå erforderliga låga tryck. Även om den värmepåverkade zonen är liten i EBM, sker bildningen av omgjutna skikt ofta. Vår mångåriga erfarenhet och kunskap hjälper oss att dra nytta av denna värdefulla utrustning i vår tillverkningsmiljö.