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Verfahren und Einrichtung zur Materialbearbeitung mittels Ladungsträgerstrahl
Bei der Materialbearbeitung mit Ladungsträgerstrahlen, beispielsweise bei der Herstellung von Boh- rungen oder Profilfräsungen wird die zu bearbeitende Materialstelle durch Beschuss mit Ladungsträgern hoch erhitzt, so dass das Material an dieser Stelle verdampft.
Um eine für praktische Zwecke verwertbare Verdampfungsgeschwindigkeit, d. h. also in dem er- wähnten Beispiel eine ausreichende Bohrgeschwindigkeit zu erzielen, muss der Ladungsträgerstrahl an der
Auftreffstelle auf das Material eine ausreichend hohe Leistungsdichte aufweisen. Normalerweise wird zu diesem Zweck der Ladungsträgerstrahl so fokussiert, dass er seine Energie über die gesamte Bearbeitungs- fläche gleichmässig abgibt. Die Intensitätsverteilung über den Arbeitsquerschnitt soll dabei möglichst rechteckig sein, d. h., die Intensität soll an den Grenzen der bearbeiteten Fläche von dem hohen zur Be- arbeitung notwendigen Wert steil nach Null abfallen.
Es ist bekannt, in extrem dünne Folien mittels eines bewegten Ladungsträgerstrahles Löcher gewünsch- ter Form einzubrennen. Es ist ebenso bekannt, in verhältnismässig dicke Materialien mittels eines entsprechend fokussierten Ladungsträgerstrahles Löcher zu bohren, deren Form im wesentlichen der Form des
Ladungsträgerstrahles entspricht. Mit zunehmender Grösse der bearbeiteten Fläche ergibt sich bei diesem bekannten Bearbeitungsverfahren ein immer grösserer thermisch beanspruchter Materialbezirk um den bearbeiteten Materialbereich. Dies bedeutet, dass unerwünscht grosse Schichten am Rand und unterhalb des bearbeiteten Bereiches aufgeschmolzen werden. Dadurch werden die Verluste erhöht und der gewünschte Arbeitseffekt wird gestört.
Es ist auch ein Materialbearbeitungsverfahren bekannt, bei welchem ein intermittierend wirksamer Ladungsträgerstrahl, dessen Arbeitsquerschnitt kleiner ist als die Fläche des zu bearbeitenden Materialbereiches, diesen Bereich bestreicht. Bei diesem Verfahren wird der Ladungsträgerstrahl in vorherbestimmter Weise in Sprüngen derart über den Bearbeitungsbereich bewegt, dass zeitlich unmittelbar nacheinander bearbeitete Flächenelemente durch eine Strecke getrennt sind, die grösser als der Durchmesser eines solchen Flächenelementes ist und über welcher der Strahl abgeschaltet wird oder nur sehr wenig auf das Material einwirkt. Der gesamte Bearbeitungsbereich wird schliesslich vollständig aus einer Vielzahl von aneinandergrenzenden bearbeiteten Flächenelementen zusammengesetzt.
Dieses Bearbeitungsverfahren weist sehr viele Vorteile auf, doch ist die Einrichtung zu seiner Durchführung sehr aufwendig.
Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Materialbearbeitung mittels Ladungsträgerstrahl anzugeben, welches eine schnelle, den thermodynamischen Verhältnissen dieses Bearbeitungsverfahrens angepasste Herstellung von Profilfräsungen ermöglicht und welches zu seiner Durchführung nur eine mit verhältnismässig geringem Aufwand zu erstellende Einrichtung benötigt.
Profilfräsungen werden beispielsweise hergestellt in Einspritzdüsen, Spinndüsen, Filtern, Düsen zur Zuführung von Kühlflüssigkeiten usw.
Das neue Verfahren zur Herstellung von Profilfräsungen verwendet einen impulsförmig zur Wirkung kommenden Ladungsträgerstrahl, dessen Arbeitsquerschnitt kleiner ist als die Fläche des zu bearbeitenden
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Materialbereiches und der, durch elektronenoptische Mittel ablenkbar diesen Materialbereich bestreicht und dabei an räumlich auseinanderliegenden Stellen zeitlich nacheinander zur Wirkung gelangt.
Gemäss der Erfindung wird der Ladungsträgerstrahl innerhalb der Grenzen des zu bearbeitenden Materialbereiches mit stetiger Ablenkung rasterförmig mehrmals so über das Material geführt, dass die bei jedem Durch- lauf bearbeiteten Elemente des Rasters räumlich auseinanderliegen und dazwischenliegende Elemente bei den weiteren Durchläufen bearbeitet werden, dass die Energiekonzentration entlang den RandIinien des zu bearbeitenden Bereiches ein Maximum ist und dass jedem Punkt dieses Bereiches eine zur Materialver- dampfung ausreichende Energie zugeführt wird.
Die maximale Energiekonzentration entlang den Randlinien des zu bearbeitenden Bereiches wird zweckmässig durch eine Strahlablenkung erreicht, welche den Strahl langsamer über die Randlinien führt als über alle andern innerhalb des zu bearbeitenden Materialbereiches gelegenen Linien. Dadurch wird der entlang den Randlinien auftretende grosse Wärmeverlust kompensiert, so dass also die Herstellung ei- ner einwandfreien Begrenzung des Bearbeitungsbereiches ermöglicht wird. Der erwähnte hohe Wärmever- lust an den Rändern des Bearbeitungsbereiches tritt infolge des hier sehr grossen seitlichen Temperatur- gradienten auf, welcher bewirkt, dass ein wesentlicher Teil der eingestrahlten Energie durch Wärmelei- tung verloren geht.
Bei dem neuen Materialbearbeitungsverfahren wird der Ladungsträgerstrahl vorteilhaft so geführt, dass er das Material innerhalb der Grenzen des Bearbeitungsbereiches schichtweise abträgt. Dadurch wird erreicht, dass während der Materialabtragung keine grösseren Stufen innerhalb des Bearbeitungsbereiches auftreten. Solche Stufen würden eine wesentliche Störung des Bearbeitungsverfahrens mit sich bringen.
Besonders vorteilhaft ist es, die Bewegung und Steuerung des Ladungsträgerstrahles so zu wählen, dass zeitlich aufeinanderfolgende Strahlimpulse an örtlich möglichst weit auseinanderliegenden Stellen zur Wirkung gebracht werden, wobei die Auftreffstellen der Strahlimpulse während aufeinanderfolgender Abtastvorgänge gegeneinander versetzt sind. Dies wird zweckmässig dadurch erreicht, dass der Ladungsträgerstrahl periodisch während einer vorbestimmten Anzahl von Strahlimpulsen gesperrt und während einer vorbestimmten Anzahl darauffolgender Impulse entsperrt wird, wobei die bei einem Abtastvorgang zur Wirkung gekommenen Impulse beim nächsten Abtastvorgang unterdrückt werden.
Auf diese Weise wird das Material innerhalb des Bearbeitungsbereiches trotz der diskontinuierlichen Wirkung des intermittierenden Ladungsträgerstrahles über die Profilfläche gleichmässig schichtweise abgetragen.
Zur Erreichung desselben Zieles ist es auch möglich, bei der Bewegung des Ladungsträgerstrahles eine Synchronisation zwischen Impulsfolgefrequenz und Ablenkfrequenz zu vermeiden, so dass also der Ladungs- trägerstrahl bei mehrfacher Überschreitung des Bearbeitungsbereiches nicht wieder auf die gleichen Stellen auftritt. Hiezu ist es zweckmässig, die Ablenkfrequenz durch Frequenzmodulation der Impulsfolgefrequenz mit einer im Verhältnis dazu niedrigen Hilfsfrequenz zu erzeugen.
Bei dem neuen Bearbeitungsverfahren kann der Ladungsträgerstrahl in verhältnismässig einfacher Weise so gesteuert werden, dass er eine Vielzahl von einfachen Grundprofilen aus dem Werkstück ausfräst.
Die dazu notwendigen Ablenkströme haben beispielsweise sinus-, trapez-, sägezahn-oder rechteckfor- migen Verlauf und können demzufolge in einfach aufgebauten Generatoren erzeugt werden.
Zur Herstellung runder oder ovaler Profile wird der Ladungsträgerstrahl vorteilhaft so über das Material geführt, dass ausser dem ersten Maximum am äusseren Rand des Profiles ein in vorgegebenem Abstand von diesem Rand gelegenes zweites Maximum der Energiekonzentration entsteht. Sollen längliche Profile mit variabler Profilbreite hergestellt werden, so wird der Ladungsträgerstrahl mit einer der wechselnden Profilbreite umgekehrt proportionalen Geschwindigkeit in Längsrichtung geführt und durch eine synchron zur Längsablenkung amplitudenmodulierte Ablenkgrösse quer zur Längsrichtung bewegt.
Nähere Einzelheiten über die Art der Steuerung des Ladungsträgerstrahles werden im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Mit Hilte des neuen Bearbeitungsveríal1rens gelingt es insbesondere, in eintacher Weise runde und ovale sowie rechteckige und längliche, parallele oder nichtparallele Ränder aufweisende Grundprofile zu erzeugen. Diese Grundprofile können zu axialsymmetrischen grösseren Gesamtprofilen zusammengesetzt werden, wobei diese Zusammensetzung elektronisch mittels einer verhältnismässig einfach aufgebauten Schaltanordnung bewirkt wird.
Zur Herstellung eines. aus jeweils einem einfachen Grundprofil entsprechenden Teilflächen bestehenden zusammengesetzten Profiles wird der Raster für die Strahlablenkung so gewählt, dass er das Grundprofil ausfüllt und dieser Raster wird mit Hilfe der erwähnten Schaltanordnung periodisch so verschoben, dass der Ladungsträgerstrahl nacheinander über die Teilflächen des Profiles geführt wird.
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Zur Herstellung eines axialsymmetrischen Gesamtprofils wird der Raster periodisch so verschoben, dass der Ladungsträgerstrahl einsinnig von der Mitte des Gesamtprofils ausgehend nacheinander über die Teil- flächen des Gesamtprofils geführt wird. Dabei kann es zweckmässig sein, den Raster so zu verschieben, dass eine seiner Randlinien durch die Mitte des Gesamtprofiles geht.
Die mittels des neuen Verfahrens herzustellenden Gesamtprofile können aus Teilflächen zusammen- gesetzt sein, welche von der Mitte des Gesamtprofiles aus gerechnet nur die halbe Ausdehnung der oben erwähnten Grundprofile haben. In diesem Fall wird der Raster für die Strahlablenkung so gewählt, dass er ausgehend von der Mitte des Grundprofiles dessen beide Hälften nacheinander ausfüllt. Dieser Raster wird periodisch so verschoben, dass der Ladungsträgerstrahl nach Bestreichen der einer Teilfläche entsprechen- den Rasterhälfte über eine mit einer weiteren Teilfläche zusammenfallende Stelle des Gesamtprofiles ge- führt wird.
Zur Herstellung eines aus sich kreuzenden oder berührenden TeilflächenzusammengesetztenGesamt- profiles wird der Ladungsträgerstrahl zweckmässig so geführt, dass sowohl entlang den Randlinien des Pro- files als auch im äusseren, dem Kreuzungspunkt abgewandten Teil jeder Teilfläche eine Energiehäufung auftritt. Auf diese Weise wird die in den äusseren Profilteilen gegenüber der Profilmitte vergrösserte Wär- meableitung kompensiert, so dass also auch die äusseren Profilteile genau entlang den vorgeschriebenen
Randlinien ausgefräst werden.
Der Zweck, eine Energiehäufung im äusseren, dem Kreuzungspunkt abgewandten Teil jeder Teilflä- che zu erzeugen, kann auch dadurch erreicht werden, dass die Energie des Ladungsträgerstrahles in vor- gegebener Weise synchron mit der linear verlaufenden Strahlablenkung geregelt wird. Hiebei ist es vorteilhaft, die Impulsamplitude, die Impulsdauer und die Impulsfolgefrequenz zu regeln.
Die Einrichtung nach der Erfindung besteht aus einem Ladungsträgerstrahl-Erzeugungssystem, einem mit diesem verbundenen Steuerimpuls-Generator sowie Mitteln zur Formung und Fokussierung des Strahles auf das zu bearbeitende Material und zeichnet sich aus, durch ein hinter der Fokussierungslinse angeordnetes, entsprechend der Axialsymmetrie des herzustellenden Profiles ausgelegtes Ablenksystem, durch Generatoren zur Erzeugung von Ablenkströmen, welche den Ladungsträgerstrahl am Rand des zu bearbeitenden Materialbereiches langsamer führen als im Mittelbereich, sowie durch eine zur Zuführung der Ablenkströme zu den Spulen des Ablenksystems nach einem vorgegebenen Programm dienende Schaltanordnung, welche so ausgebildet und mit dem Steuerimpuls-Generator verbunden ist,
dass die Steuerimpulse während jedes Umschaltvorganges über eine vorgegebene Zeit unterdrückt werden. Die erwähnte Schaltanordnung selbst besteht vorteilhaft aus einer Anzahl mechanischer oder elektronischer Schalter, z. B. Relais oder Schalt-Transistoren, die in Gruppen nacheinander in periodischer Folge betätigt werden.
Zweckmässig wird ein aus der Fernmeldetechnik bekanntes Zählrelais oder ein elektronischer Ringzähler, der mit jeder Stufe eine Gruppe von mechanischen oder elektronischen Schaltern betätigt, verwendet. Es ist ebenso möglich, die erwähnte Schaltanordnung lediglich unter Verwendung von Transistoren aufzubauen.
Bei der Einrichtung nach der Erfindung liefern die Generatoren die zur Erzeugung der Grundprofile notwendigen Ablenkströme, während mittels der erwähnten Schaltanordnung die Grundprofile in vorgegebener Weise zu einem Gesamtprofil zusammengesetzt werden. Das gesamte Programm zur Herstellung eines zusammengesetzten Profiles ist also in der erwähnten Schaltanordnung enthalten.
Die Schaltanordnung ist zweckmässig so ausgebildet und eingestellt, dass jeweils nach Bestreichen einer Teilfläche, gegebenenfalls unter gleichzeitiger Umpolung der Ablenkspulen die Rolle der zur Querund Längsablenkung dienenden Ablenkspulen miteinander vertauscht wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Teilflächen eines zusammengesetzten Profiles einseitig von der Mitte des Gesamtprofiles ausgehend nacheinander bearbeitet werden.
Die zur Umschaltung der Ablenkspulen dienende Schaltanordnung ist in der Weise mit dem Steuerimpulsgenerator verbunden, dass die Steuerimpulse während jedes Umschaltvorganges über eine vorgegebene Zeit unterdrückt werden. Auf diese Weise wird mit Sicherheit vermieden, dass infolge von Einschwingvorgängen Strahlimpulse ausserhalb der eigentlichen Bearbeitungsstelle fallen.
Unter Umständen ist es auch vorteilhaft, die zur Umschaltung dienende Schaltanordnung in der Weise mit dem Steuerimpulsgenerator zu verbinden, dass die Steuerimpulse während des Rücklaufes der Ablenkspannung unterdrückt werden. Auf diese Weise wird vermieden, dass infolge der magnetischen Eigenschaften der Ablenksysteme der Ladungsträgerstrahl während des Rücklaufes verschiedene Bereiche der Materialbearbeitungsstelle erfasst.
In manchen Fällen ist es auch vorteilhaft, mit den Längsablenkspulen des Ablenksystems einen Generator zu koppeln, welcher einen treppenförmigen Ablenkstrom liefert, ferner die Querablenkspulen mit
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einem Generator zur Erzeugung einer rechteckförmigen Ablenkspannung zu koppeln und den Steuerimpuls-
Generator in der Art mit diesen Generatoren zu synchronisieren, dass auf jede Treppenstufe des Längsab- lenkstromes ein Strahlimpuls fällt und dass nach jedem Strahlimpuls ein Impuls des Querablenkstromes ausgelöst wird. Hier ist also der intermittierend gesteuerte Ladungsträgerstrahl mit den AblenkströJ1len so synchronisiert, dass jeder Strahlimpuls an einer genau vorbestimmten Stelle des Rasters auf das Werkstück auftrifft.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1-14 näher erläutert. Dabei zeigen : Fig. 1 eine gemäss der Erfindung aufgebaute Einrichtung zur Herstellung von Pro- filfräsungen mittels Ladungsträgerstrahl ; Fig. 2 eine Draufsicht auf das in der Einrichtung nach Fig. 1 enthaltene Ablenksystem ; Fig. 3 - 8 verschiedene Grundprofile und die zur Steuerung der jeweiligen Ablen- kung des Ladungsträgerstrahles notwendigen Ablenkströme : Fig. 9 ein Grundprofil und die zur Strahlsteue- rung und Strahlablenkung notwendigen Ströme : Fig. 10 und 11 aus Grundprofilen zusammengesetzte Pro- file und die zur Herstellung dieser Profile notwendigen Ablenkströme ; Fig. 12 und 13 Beispiele von zusammengesetzten Profilen ;
Fig. 14 eine Draufsicht auf ein zur Herstellung des in Fig. 13 dargestellten
Profiles verwendetes Strahlablenksystem.
In Fig. l ist mit 1 ein Vakuumgetäss bezeichnet, in welchem ein aus der Kathode 2, der Steuerelektrode 3 und der Anode 4 bestehendes Strahlerzeugungssystem angeordnet ist. Zur weiteren Formung des Elektronenstrahles 5 dient eine Blende 6, welche mittels der Einstellknöpfe 7 und 8 justiert werden kann.
Eine elektromagnetische Linse 9, deren Stromversorgungsgerät mit 16 bezeichnet ist, dient zur-Fokussie- rung des Elektronenstrahles auf das zu bearbeitende Werkstück 11. Das Werkstück 11, beispielsweise eine Spinndüse, ist in einer ebenfalls unter Vakuum stehenden Kammer 13 auf einem Tisch 12 angeordnet, welches mittels einer Spindel 15 von links nach rechts oder umgekehrt verschoben werden kann. Eine weitere Spindel 14 dient zur Verschiebung des Werkstückes senkrecht zur Papierebene.
Zwischen der elektromagnetischen Linse 9 und dem Werkstück 11 ist ein elektromagnetisches Ablenksystem 10 angeordnet, welches zur Ablenkung des Elektronenstrahles 6 in der Papierebene und senkrecht zur Papierebene dient. Das Ablenksystem 10 besteht, wie aus Fig. 2 hervorgeht, aus vier jeweils um 900 gegeneinander versetzten elektromagnetischen Spulen 25 - 28, welche jeweils mit einem ferromagnetischen Kern 29 - 32 ausgerüstet sind. Ein ferromagnetischer Ring 33 dient als Rückflussweg für das Magnetfeld, welches in dem zum Strahldurchtritt dienenden Rohr 34 entsteht. Sämtliche Spulen des Ablenksystems sind in Kunstharz eingegossen.
Das Ablenksystem ist so ausgebildet, dass der Elektronenstrahl 5 bei Zuführung entsprechender Ablenkströme einen verzeichnungsfreienRaster auf der Oberfläche des Werk- stückes 11 schreibt.
Im Gerät 17 wird eine Hochspannung von beispielsweise 100 kV erzeugt und mittels eines mit einem Erdmantel versehenen Hochspannungskabels dem Gerät 18 zugeführt. Dieses Gerät dient zur Erzeugung der regelbaren Heizspannung und der regelbaren Steuerelektrodenvorspannung. Diese Spannungen werden über ein mit einem Erdmantel versehenes dreiadriges Hochspannungskabel 19 in den ölgefüllten Behälter 20 eingeführt. Die beispielsweise auf -100 kV liegende Heizspannung wird direkt der Kathode 2 zugeleitet. Die Wehneltzylinderspannungvon beispielsweise -101 kV wird durch den Isolatoransatz der Sekundärwicklung des Hochspannungs-Isoliertransformators 21 zugeführt und gelangt von dort aus direkt zur Steuerelektrode 3. Die Steuerelektrodenvorspannung ist so eingestellt, dass im Ruhezustand das Strahlerzeugungssystem gesperrt ist.
Mit 35 ist eine Schaltanordnung bezeichnet, welche mit den Spulen des Ablenksystems 10 verbunden ist. Mit der Schaltanordnung 35 sind weiterhin Generatoren 36 - 39 verbunden, welche zur Erzeugung der Ablenkströme dienen. Dabei dient beispielsweise der Generator 36 zur Erzeugung eines Ablenkstromes mit sägezahnförmigem Verlauf, der Generator 37 zur Erzeugung eines Ablenkstromes mit sinusförmigem Verlauf, der Generator 38 zur Erzeugung eines Ablenkstromes mit rechteckförmigem Verlauf, während der Generator 39 zur Erzeugung eines regelbaren Gleichstromes dient.
Mit dem Isolier-Impulstransformator 21 ist ein Steuerimpulsgenerator 40 verbunden, welcher ebenfalls mit der Schaltanordnung 35 in Verbindung steht. Der Steuerimpulsgenerator 40 liefert positive Steuerimpulse, welche die Vorspannung des Strahlerzeugungssystemes so weit abtragen, dass während der Dauer eines Steuerimpulses das Strahlerzeugungssystem entsperrt wird und ein Elektronenstrahlimpuls entsteht. Über die Schaltanordnung 35 werden die vom Steuerimpulsgenerator 40 gelieferten Steuerimpulse während des Rücklaufes der Ablenkspannung-und bzw. oder bei der Herstellung von zusammengesetzten Profilen während bestimmter Umschaltzeiten-unterdrückt.
Fig. 3a zeigt ein rundes Grundprofil 41, dessen Durchmesser nur wenig grösser ist als der wirksame Strahldurchmesser des Elektronenstrahles 5. Mittels der um 900 gegeneinander phasenverschobenen, vom
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Generator 38 gelieferten Ablenkströme 42 und 43 wird der Ladungsträgerstrahl so entlang der äusseren
Randlinie des Profiles 41 geführt, dass der äussere Rand des wirksamen Strahlquerschnittes die Begrenzungs- linie des Profiles berührt. Dabei wird das in der Mitte liegende Material, welches nicht vom Strahl ge- troffen wird, genügend hoch erhitzt, um mit abgetragen zu werden.
Fig. 4a zeigt ein rundes Grundprofil 44, dessen Durchmesser vier-bis sechsmal so gross ist wie der wirksame Durchmesser des Elektronenstrahles 5. Zur Herstellung dieses Profils wird der Elektronenstrahl 5 mittels der Ablenkströme 45 und 46 in zeitlichem Wechsel so auf zwei konzentrischen Kreislinien geführt, dass der äussere Rand des wirksamen Strahlquerschnittes die äussere Begrenzungslinie des Profiles berührt und dass das zwischen den Kreislinien und das innerhalb der inneren Kreislinie liegende Material mit ab- getragen wird.
Fig. 5a zeigt ein rundes Grundprofil 47 grösseren Durchmessers. Zu seiner Herstellung wird der Elektronenstrahl 5 so über die am äusseren Rand des Profiles gelegene schraffierte Kreisringfläche bewegt, dass der äussere Rand des wirksamen Strahlquerschnittes die äussere Begrenzungslinie des Profiles berührt und dass entlang den beiden Begrenzungslinien eine Häufung der Energie auftritt. Zu diesem Zweck werden die beiden um 900 gegeneinander phasenverschobenen sinusförmigen Ablenkströme, von denen in Fig. 5b nur der Ablenkstrom 48 dargestellt ist, mittels des trapezförmigen Stromes 49 moduliert. Die Frequenz des Ablenkstromes 49 ist dabei wesentlich grösser als die Frequenz des Ablenkstromes 48, wobei durch entsprechende Frequenzwahl eine Synchronisation zwischen diesen beiden Ablenkströmen vermieden ist.
Wie ohne weiteres aus Fig. 5a zu erkennen ist, wird der Elektronenstrahl in diesem Fall rasterförmig über die schraffierte Kreisringfläche geführt, wobei aufeinanderfolgende Raster gegeneinander verschoben sind. Durch die trapezförmige Modulationsspannung 49 wird erreicht, dass der Elektronenstrahl entlang den Randlinien des Kreisringes langsamer bewegt wird als senkrecht zu diesen Kreislinien. Dadurch wird eine Häufung der Energie entlang den Randlinien erreicht.
Derselbe Effekt lässt sich erzielen, wenn die Ablenkströme nicht trapezförmig, sondern sinusförmig amplitudenmoduliert werden.
Zur Erzeugung ovaler Grundprofile ist es notwendig, die Amplituden der in den Fig. 3b. 4b und 5b dargestellten um 900 gegeneinander phasenverschobenen Ablenkströme verschieden gross zu machen.
Fig. 6a zeigt ein längliches rechteckförmiges Grundprofil 50, dessen Breite nur wenig grösser ist als der wirksame Strahldurchmesser. Der zur Längsablenkung des Elektronenstrahles 5 dienende Ablenkstrom 51 hat den in Fig. 6b dargestellten sägezahnförmigen zeitlichen Verlauf. Mittels dieses Ablenkstromes wird der Ladungsträgerstrahl mit konstanter Geschwindigkeit in Längsrichtung des Profiles geführt. Zur Querablenkung des Ladungsträgerstrahles dient ein rechteckförmiger Ablenkstrom 52, wie er in Fig. 6c dargestellt ist. Wie aus den Fig. 6b und 6c zu erkennen ist, sind die Ablenkströme 51 und 52 miteinander synchronisiert. Diese Synchronisation ist so gewählt, dass der Elektronenstrahl in zeitlichem Wechsel über die beiden schraffierten Streifen geführt wird.
Bei dieser Strahlführung berührt der äussere Rand des wirksamen Strahlquerschnittes die äussere Begrenzungslinie des Profils.
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Elektronenstrahles auch mittels eines in Fig. 6d dargestellten dachförmigen Ablenkstromes 53 bewirkt werden. Die Querablenkung erfolgt in diesem Fall mittels des in Fig. 6e dargestellten rechteckförmigen Ablenkstromes 54. Der dachförmige Ablenkstrom 53 bewirkt, dass der Elektronenstrahl mit konstanter Geschwindigkeit entlang der schraffierten Linien des Profiles 50 hin- und hergeführt wird. Dabei wechselt der Ladungsträgerstrahl jeweils nach Durchlaufen einer Linie auf die andere Linie über.
Fig. 7a zeigt ein rechteckförmiges Grundprofil 55 grösserer Breite. Zu seiner Herstellung überstreicht der Elektronenstrahl die gesamte Rechteckfläche, wobei seine Längsablenkung durch den in Fig. 7b dargestellten sägezahnförmigen Ablenkstrom 56 und seine Querablenkung durch den in Fig. 7c dargestellten sinusförmigen Ablenkstrom 57 bewirkt wird. Die Ablenkströme 56 und 57 sind nicht miteinander synchronisiert, so dass also der Elektronenstrahl auf dem Profil 55 kein feststehendes Raster beschreibt. Wie ohne weiteres zu erkennen ist, wird durch den sinusförmigen Querablenkstrom 57 bewirkt, dass der Elektronenstrahl an den Rändern des Profiles langsamer bewegt wird als über die Profilfläche hinweg, so dass also an den Profilrändern eine Energiehäufung entsteht.
An Stelle des in Fig. 7b dargestellten sägezahnförmigen Ablenkstromes 56 kann zur Längsablenkung des Elektronenstrahles über das Profil 55 auch der in Fig. 7d dargestellte Ablenkstrom 58 verwendet werden, der einen dachförmigen Verlauf mit abgeflachten Spitzen hat.
Während der Bereiche 59 des Ablenkstromes wird der Elektronenstrahl in Längsrichtung nicht abgelenkt, während der Querablenkstrom voll wirksam ist. Auf diese Weise wird eine Energiehäufung auch an den das Profil 55 in Querrichtung begrenzenden Randlinien erreicht.
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Fig. 8a zeigt ein längliches Profil 60 mit nichtparallelen Rändern. Zu seiner Herstellung wird der
Elektronenstrahl mittels des in Fig. 8b dargestellten, im wesentlichen sinusförmig verlaufenden Ablenk- stromes 61 mit einer der Profilbreite umgekehrt proportionalen Geschwindigkeit in Längsrichtung geführt.
Die Querablenkung des Elektronenstrahles erfolgt durch den synchron zur Längsablenkung amplitudenmo- dulierten Ablenkstrom 63, dessen Modulationsspannung mit 62 bezeichnet ist. Durch diese Amplituden- modulation des Querablenkstromes ergibt sich die gewünschte Profilform. Der Querablenkstrom 63 hat sinusförmigen Verlauf, so dass also an den Rändern des Profiles 60 eine Energiehäufung auftritt.
Alle die in den Fig. 3 - 8 dargestellten Grundprofile werden mit einem intermittierend gesteuerten
Ladungsträgerstrahl hergestellt. Die Impulsfolgefrequenz ist dabei kein ganzzahliges Vielfaches der Ab- lenkfrequenz.
Fig. 9a zeigt ein rechteckförmiges längliches Grundprofil 50, zu dessen Herstellung jedoch ein mit den Ablenkströmen synchronisierter intermittierend gesteuerter Ladungsträgerstrahl verwendet ist. Der zur Längsablenkung des Ladungsträgerstrahles dienende Ablenkstrom 64 hat treppenförmigen Verlauf und ist in Fig. 9b dargestellt. Der zum Ablenkstrom 64 ebenfalls synchronisierte Querablenkstrom 65 ist in Fig.
9c dargestellt. Die Synchronisation ist so gewählt, dass der Elektronenstrahl nach jeder Treppenstufe von einer Randlinie des Profiles 50 auf die andere geführt wird. Die Modulation der Strahlintensität ist so gewählt, dass zu jeder Treppenstufe des Längsablenkstromes 64 ein Strahlimpuls 66 gehört.
Wählt man die Synchronisation der Ablenkströme so, dass während des Rücklaufes des Längsablenkstromes der Querablenkstrom um eine halbe Periode phasenverschoben wird, so schreibt der Elektronenstrahl auf dem Profil 50 zwei ineinandergeschachtelte Raster, von denen eines in Fig. 9a dargestellt ist.
Der Abstand zweier Punkte der ineinandergeschachtelten Raster ist dabei zweckmässig kleiner als der wirksame Strahldurchmesser. Wählt man von vornherein die Treppenschritte des Längsablenkstromes so, dass in einer Linie aufeinanderfolgende Strahlimpulse einen Abstand haben, welcher kleiner ist als der wirksame Strahldurchmesser, so kann das gesamte Profil 50 mittels eines einzigen Rasters geschrieben werden.
Aus den in den Fig. 3 - 8 dargestellten Grundprofilen werden durch entsprechende Programmierung mittels der in Fig. 1 dargestellten Schaltanordnung 35 zusammengesetzte Profile geschrieben. Ein solches Profil ist beispielsweise in Fig. 12 dargestellt. Wie ohne weiteres zu erkennen ist, besteht dieses Profil aus zwei gekreuzten Grundprofilen 60. Zu seiner Herstellung wird zunächst den Ablenkspulen 25 und 27 der Längsablenkstrom 61 zugeführt, während den Spulen 26 und 28 der Querablenkstrom 63 zugeführt wird. Sobald der Elektronenstrahl die Hälfte des Grundprofiles 60 geschrieben hat, wird über die Schaltanordnung 35 die Rolle der Längs- und Querablenkspulen miteinander vertauscht. Aus diesem Grunde wird die nächste Hälfte des Grundprofiles in einer um 900'verschobenen Stellung geschrieben.
Durch fortgesetzte Umschaltung mittels der Relaisanordnung 35 wird schliesslich das in Fig. 12 dargestellte zusammengesetzte Profil aus dem Werkstück 11 ausgefräst.
Fig. 10 zeigt ein aus vier wechselweise parallel zueinander angeordneten Grundprofilen 50 bestehendes zusammengesetztes Profil. Zu seiner Herstellung wird der Elektronenstrahl 5 mit Hilfe des in Fig. 10 dargestellten Längsablenkstromes 53 in Längsrichtung geführt. Zugleich wird der Elektronenstrahl mittels eines vom Generator 39 gelieferten Gleichstromes 70 in Querrichtung so abgelenkt, dass der in Fig. 10 dargestellte Querablenkstrom 71 entsteht. Sobald der Elektronenstrahl die beiden Randlinien des oberen Grundprofiles 50 abgefahren hat, wird mittels der Schaltanordnung 35 die Funktion der Längs- und Querablenkspulen miteinander vertauscht, so dass der Elektronenstrahl 5 im nächsten Arbeitsgang die beiden Randlinien des linken Grundprofiles abfährt.
Nach einer entsprechenden Anzahl von Umschaltungen hat schliesslich der Elektronenstrahl 5 aus dem Werkstück 11 das in Fig. 10 dargestellte Gesamtprofil ausgefräst.
Fig. l1a zeigt ein kreuzförmiges Profil, welches, wie ohne weiteres zu erkennen ist, aus den Grundprofilen 55 entsprechenden Teilflächen zusammensetzbar ist. Zu seiner Herstellung wird ein Längsablenkstrom 72 verwendet, welcher den aus Fig. 11 ersichtlichen Verlauf hat. Wie aus dieser Figur zu erkennen ist, hat der Längsablenkstrom 52 einen im wesentlichen sägezahnförmigen Verlauf, wobei jedoch die Spitzen des Sägezahnes abgeflacht sind. Durch diese Abflachung wird erreicht, dass der Ladungsträgerstrahl am äusseren Ende jeder Teilfläche länger verweilt als an dem dem Kreuzungspunkt naheliegenden Ende.
Aus diesem Grunde wird also der Elektronenstrahl mittels des Querablenkstromes 73 (Fig. llc) am äusseren Ende jeder Teilfläche öfter in Querrichtung bewegt als an dem andern Ende der Teilfläche, so dass eine Energiehäufung in den äusseren Teilen der Kreuzbalken auftritt.
Führt man den jeweils zur Längsablenkung dienenden Spulen des Ablenksystemes einen Gleichstrom zu, welcher eine Vorablenkung des Elektronenstrahles 5 um die halbe Länge des Grundprofiles bewirkt,
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so lässt sich in diesem Fall ein kreuzförmiges Profil herstellen, dessen Balken die volle Länge des Grundprofiles aufweisen. Der zur Längsablenkung dienende Wechselstrom muss dabei gegenüber dem zur Erzeugung des Grund profiles dienenden Längsablenkstrom nicht erhöht werden.
Fig. 13 zeigt ein aus den drei Balken 74,75 und 76 bestehendes Profil, dessen einzelne Balken dem Grundprofil 50 entsprechen. Zur Herstellung dieses Profiles wird an Stelle des in Fig. l mit10 bezeichneten zweizähligen Ablenksystems das in Fig. 14 in Draufsicht gezeichnete dreizählige Ablenksystem verwendet. Dieses Ablenksystem besteht aus den sechs Ablenkspulen 77 - 82.
Bei der Herstellung des in Fig. 13 dargestellten Profiles wird zunächst den Spulen 77, 78,80 und 81 beispielsweise der in Fig. llb dargestellte Ablenkstrom 72 zugeführt, während den Ablenkspulen 79 und 82 der in Fig. 6c dargestellte Querablenkstrom 52 zugeführt wird. Nachdem der Elektronenstrahl 5 eine Randlinie der Teilfläche 74 von der Profilmitte ausgehend abgefahren hat, schaltet die Schaltanordnung 35 unter gleichzeitiger Umpolung der Ablenkspulen um, u. zw. so, dass nunmehr die Spulen 78,79, 81 und 82 zur Längsablenkung und die Spulen 77 und 80 zur Querablenkung dienen. Dadurch wird eine Randlinie der Teilfläche 75 vom Elektronenstrahl abgefahren. Danach schaltet die Schaltanordnung 35 unter gleichzeitiger Umpolung wieder um, so dass nunmehr die Ablenkspulen 79, 80,82 und 77 zur Längsablenkung und die Spulen 78 und 81 zur Querablenkung dienen.
Dabei fährt der Elektronenstrahl eine Randlinie der Teilfläche 76 ab. Auf diese Weise werden nacheinander die Balken 74, 75 und 76 so lange abgetragen, bis das vollständige Profil aus dem Werkstück 11 ausgefräst ist. Die Längsablenkung des Elek-
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Auch die in den Fig. 10 - 13 dargestellten zusammengesetzten Profile werden mittels eines intermittierend gesteuerten Ladungsträgerstrahles hergestellt. Es ist dabei möglich, beispielsweise bei der Herstellung des in Fig. 11 dargestellten zusammengesetzten Profiles die Impulsamplitude, die Impulsdauer oder die Impulsfolgefrequenz so zu regeln, dass auch bei Verwendung eines sägezahnförmigen Ablenkstromes mit nicht abgeflachten Spitzen eine Energiehäufung in den äusseren Bereichen der Grundprofile auftritt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Profilbohrungen mittels eines impulsförmig zur Wirkung kommen- den Ladungsträgerstrahles, dessen Arbeitsquerschnitt kleiner ist als die Fläche des zu bearbeitenden Materialbereiches und der, durch elektronenoptische Mittel ablenkbar, diesen Materialbereich bestreicht und dabei an räumlich auseinanderliegenden Stellen zeitlich nacheinander zur Wirkung gelangt, da- durch gekennzeichnet, dass der Ladungsträgerstrahl innerhalb der Grenzen des zu bearbeitenden Materialbereiches mit stetiger Ablenkung rasterförmig mehrmals so über das Material geführt wird, dass die bei jedem Durchlauf bearbeiteten Elemente des Rasters räumlich auseinanderliegen und dazwischenliegende Elemente bei den weiteren Durchläufen bearbeitet werden.
die Energiekonzentration entlang den Randlinien des zu bearbeitenden Bereiches ein Maximum ist und jedem Punkt dieses Bereiches eine zur Materialverdampfung ausreichende Energie zugeführt wird.