Projekt
"Podpora výuky v cizích jazycích na SPŠT"
Obrábění paprskem elektronů
STTN2
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR
OBRÁBĚNÍ PAPRSKEM ELEKTRONŮ Obrábění elektronovým paprskem je založeno na využití kinetické energie proudu urychlených elektronů.
Obr. 1. Princip metody obrábění elektronovým paprskem [1]
a) vnik elektronů do materiálu, b) erupční odpařování materiálu, c) opětný vnik elektronů do materiálu 1 – elektronový paprsek, 2 – páry odpařeného kovu
Princip metody V místě dopadu paprsku elektronů se jejich kinetická energie mění v energii tepelnou. Materiál obrobku se taví a následně odpařuje. Paprsek vniká do materiálu do určité hloubky, kde se pohyb elektronů zastaví. Vzniklá tepelná energie koncentrovaná pod povrchem způsobuje erupční odpařování materiálu. Částečky vypařujícího se materiálu se pohybují značnou rychlostí z otvoru. Vzniklé páry odpařeného materiálu jsou zionizovány a způsobí nové zaostření paprsku v pracovním místě. Opakováním tohoto procesu dojde k úběru materiálu. Pracovní režim může být: •
pulzní – používá se nejčastěji při aplikacích vrtání elektronovým paprskem. Odpařování materiálu probíhá v podobě postupných erupcí, přičemž se dosáhne přesného opracování materiálu (doba pulzu je od 2 µs do 0,01 s, při frekvenci pulzů 500 až 10 000 Hz);
•
kontinuální (nepřetržitý) – odpařování materiálu probíhá plynule.
2
Die Bearbeitung mit dem Elektronenstrahl Die Bearbeitung mit dem Elektronenstrahl basiert auf der Verwendung der kinetischen Energie des Stroms der beschleunigten Elektronen.
Bild N. 1. Das Prinzip der Elektronenstrahlbearbeitungsmethode [1] a) das Eindringen der Elektronen in das Material, b) die Eruptionsverdunstung des Materials, c) das Wiedereindringen der Elektronen in das Material 1 - der Elektronenstrahl, 2 – die Dünste des verdünsten Materials
Das Prinzip der Methode In der Stelle des Auftretens des Strahls der Elektronen wird ihre kinetische Energie in die thermische Energie verändert. Das Material des Arbeitsstücks wird geschmelzt und nachfolgend verdunstet. Der Stahl dringt in das Material in eine bestimmte Tiefe, wo die Bewegung der Elektronen anhält, ein. Die entstandene thermische unter der Oberfläche konzentrierte Energie verursacht die Eruptionsverdunstung des Materials. Teilchen des verdunstenden Materials bewegen sich mit einer starken Geschwindigkeit aus der Öffnung. Die entstandenen Dünste des verdunsten Materials werden ioniziert und verursachen die Strahlkonzentration in der Arbeitsstelle. Durch das Wiederholen dieses Prozesses erfolgt die Materialabtragung.
Das Arbeitsregime kann folgend sein: -
Impulsarbeitsregime -
es wird am häufigsten bei der Applikationen der
Elektronenstrahlbohrung. Die Materialverdunstung verläuft in der Form der fortstreitenden Eruptionen, wobei die genaue Bearbeitung des Materials erreicht wird (die Pulsationszeit ist von 2 µs bis 0,01 s, bei der Frequenz der Pulse 500 bis 10 000 Hz); -
Kontinuierliches Arbeitsregime – das Verdunsten des Materials verläuft stetig.
3
Z technologického hlediska lze elektronový paprsek použít pro: termické procesy – svařování, pájení, vrtání dlouhých děr malých průměrů, řezání a tepelné zpracování materiálů;
netermické procesy – elektronový paprsek slouží k vyvolání chemické reakce. Týká se především oblasti litografických technologií, které se používají v elektrotechnice při výrobě čipů. Je možné vytvořit na čipu až 200 000 strukturálních detailů, čehož nelze jinými technologiemi dosáhnout. Přístroj pro obrábění paprskem elektronů
Obr. 2. Schéma zařízení pro obrábění paprskem elektronů [1]
1 – wolframový drát, 2 – elektronové dělo, 3 – izolátor, 4 – elektronový paprsek, 5 – elektromagnetické čočky, 6 – průzor, 7 – obrobek, 8 – pracovní stůl, 9 – elektrostatické vychylování elektronového paprsku, 10 – vývěvy, 11 – napájecí zdroj
4
Aus der technologischen Hinsicht kann man den Elektrostrahl folgend benutzen: -
Thermische Prozesse – Schweißen, Löten, Bohren von langen Löchern von kleinen Durchmessern, Schneiden und thermische Bearbeitung von Materialien;
-
Nichtthermische Prozesse – der Elektrostrahl dient zum Ausrufen der chemischen Reaktion. Es betrifft vor allem Bereiche der lithographischen Technologien, die in der Elektrotechnik bei der Herstellung von Chips benutzt werden. Es ist möglich, an dem Chip bis 200 000 Strukturdetails zu erstellen, was durch keine andere Technologie erreichbar ist.
Die Apparatur für das Materialbearbeiten durch den Elektronenstrahl
Bild N. 2. Das Schema der Apparatur für das Materialbearbeiten durch den Elektronenstrahl [1]
1 – der Wolframdraht, 2 – die Elektronenspritze, 3 – der Isolator, 4 - der Elektronenstrahl, 5 – die elektromagnetischen Linsen, 6 – das Diopter, 7 – das Arbeitsstück, 8 – der Arbeitstisch, 9 – das elektrostatische Ablenken des Elektrostrahls, 10 – die Luftpumpen, 11 – die Stromquelle
5
Zařízení pro obrábění materiálů paprskem elektronů Zařízení je tvořeno těmito hlavními skupinami (obr. 2): •
elektronové dělo (2) – slouží ke generaci, urychlení a zaostření svazku elektronů. Je tvořeno žhavenou wolframovou katodou a anodou. Elektrony uvolněné z katody jsou anodou urychleny na rychlost rovnající se asi dvěma třetinám rychlosti světla;
•
elektromagnetické
čočky
(5)
-
vzniklý
elektronový
paprsek
je
pomocí
elektromagnetického zaostřovacího systému zaostřován na velmi malou plochu, čímž se dosáhne vysoké plošné hustoty energie (asi 108 W.cm-2). Aby bylo dosaženo vysoké účinnosti využití energie elektronů (až 95 %), probíhá pracovní cyklus většinou ve vakuu; •
systém pro vychylování paprsku (9) – pracuje na elektromagnetickém principu;
•
napájecí zdroj (11) – může být nízkonapěťový (do 60 kV) s výkonem záření 3 až 10 kW nebo vysokonapěťový (do 150 kV) s výkonem záření 8 až 100 kW;
•
pracovní komora – mívá objem 0,03 až 17 m3. V zařízeních, u nichž probíhá pracovní cyklus ve vakuu, je součástí pracovní komory systém vakuových pump, který umožňuje vytvořit v pracovní komoře vakuum až 10-3Pa.
•
číslicový řídicí systém – je navržen podobně jako u obráběcích strojů s tím rozdílem, že je zde řízen také výstupní výkon elektronového děla, šířka elektronového paprsku, jeho zaostření a vychylování. Do výchozí pracovní polohy může být elektronový paprsek naváděn ručně pomocí televizní obrazovky nebo automaticky číslicovým řídicím systémem.
Obrobitelnost materiálů Obrobitelnost materiálů elektronovým paprskem je dána jejich fyzikálními vlastnostmi a nezávisí na mechanických vlastnostech.
6
Die Apparatur für Bearbeiten von Materialien durch den Elektronenstrahl Die Apparatur besteht aus diesen Hauptgruppen, sieh Bild 2. •
die Elektronenspritze (2) – sie dient zur Regeneration, zur Beschleunigung und zur Konzentration des Elektronenbündels (-Strahls). Sie besteht aus der Glühwolframkatode und – Anode. Die aus der Anode ausgelösten Elektronen werden mit der Anode an die Geschwindigkeit, die gleich ca. zwei Dritteln der Lichtgeschwindigkeit ist, beschleunigt;
•
die elektromagnetischen Linsen (5) – der entstandene Elektrostrahl ist mit der Hilfe des elektromagnetischen Konzentrationssystems auf eine sehr kleine Fläche konzentriert, wobei eine hohe Flächendichte der Energie erreicht wird (ca. 108 W.cm-2). Um eine hohe Wirksamkeit der Verwendung der Elektronenenergie zu erreichen (bis 95 %), verläuft der Arbeitszyklus meistens im Vakuum;
•
das
System
für
das
Strahlablenken
(9)
–
es
arbeitet
nach
dem
elektromagnetischen Prinzip; •
die Stromquelle (11) – sie kann eine Niederspannungsquelle (bis 60 kV) mit der Leistung 3 bis 10 kW oder eine Hochspannungsquelle (bis 150 kV) mit der Strahlungsleistung 8 bis 100 kW sein;
•
die Arbeitskammer – sie hat normalerweise das Volumen 0,03 bis 17 m3. In den Apparaturen, bei denen das Arbeitszyklus im Vakuum verläuft, ist das Bestandteil der Arbeitskammer ein System der Vakuumpumpen, das in der Arbeitskammer das Vakuum bis 10-3Pa zu leeren ermöglicht.
•
das Ziffernsteuersystem – es ist ähnlich wie bei Bearbeitungsmaschinen vorgeschlagen. Es gibt hier nur das Unterschied, das hier auch die Ausgangsleistung der Elektrospitze, die Breite des Elektronenstrahls, die Elektronenstrahlkonzentration und – Ablenken gesteuert werden. In die Ausgangsarbeitslage kann der Elektronenstrahl manuell mit der Hilfe von dem Fernsehbildschirm oder automatisch mit dem Ziffernsteuersystem gelenkt werden.
Das Materialbearbeitbarkeit: Die Materialbearbeitbarkeit durch den Elektronenstrahl ist durch ihre physikalischen Eigenschaften gegeben und hängt nicht von den mechanischen Eigenschaften.
7
Elektronový paprsek lze použít u těžkoobrobitelných materiálů: žáropevných ocelí, austenitických ocelí používaných při stavbě jaderných reaktorů, slitin zinku s niobem, hliníkových a titanových slitin, křemíku, drahokamů, tantalu, wolframu speciálních slitin používaných v letectví a kosmonautice.
Elektronovým paprskem se hůře obrábí: mosaz, bronz, zinek, hořčík a slinované kovy.
Literatura:
[1]
Časopis MM 2008/6, 11. června 2008v rubrice / inovace/, str.58, obráběcí stroje a
technologie
8
Der Elektronenstrahl kann bei schwer bearbeitbaren Materialien benutzt werden: bei dem warmfesten Stahl bei dem austenitischen bei dem Kernreaktorbau benutzten Stahl bei der Zink und Niob Legierung bei der Aluminiumlegierung und Titanlegierung, dem Silizium bei den Edelsteinen bei dem Tantal bei dem Wolfram bei den speziellen im Flugwesen und in der Kosmonautik benutzen Legierungen
Mit dem Elektronenstrahl wird schlechter Folgendes bearbeitet: das Messing die Bronze das Zink das Magnesium die Legierungsmetalle
Literatur:
[1]
časopis MM 2008/6, 11. června 2008v rubrice / inovace/, str.58, obráběcí stroje a
technologie
9
