Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von Profilfräsungen mittels eines Ladungsträgerstrahls Bei der Materialbearbeitung mit Ladungsträger strahlen, 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 Ver dampfungsgeschwindigkeit, d. h. also in dem geschil derten Fall eine ausreichende Bohrgeschwindigkeit zu erzielen, muss der Ladungsträgerstrahl an der Auf treffstelle auf das Material eine ausreichend hohe Energiedichte aufweisen. Normalerweise wird zu die sem 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 Intensitätsstelle soll an den Grenzen der bearbeiteten Fläche von dem hohen zur Bearbeitung notwendigen Wert steil nach Null ab fallen.
Es ist bekannt, in extrem dünne Folien mittels eines bewegten Ladungsträgerstrahles Löcher ge wünschter Form einzubrennen. Es ist ebenso be kannt, in verhältnismässig dicke Materialien mittels eines entsprechend fokussierten Ladungsträgerstrah les 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 Material bezirk um den bearbeiteten Materialbereich. Dies be deutet, dass unerwünscht grosse Schichten am Rand und unterhalb des bearbeiteten Bereiches aufge schmolzen werden. Dadurch werden die Verluste er höht und der gewünschte Arbeitseffekt wird gestört.
Es ist auch ein Materialbearbeitungsverfahren be kannt, bei welchem ein intermittierend wirksamer Ladungsträgerstrahl, dessen Arbeitsquerschnitt klei ner ist als die Fläche des zu bearbeitenden Material bereichs diesen Bereich bestreicht. Bei diesem Ver fahren wird der Ladungsträgerstrahl in vorherbe stimmter Weise in Sprüngen derart über den Bearbei tungsbereich bewegt, dass zeitlich unmittelbar nach einander bearbeitete Flächenelemente durch eine Strecke getrennt sind, die grösser als der Durchmes ser eines solchen Flächenelementes ist und über wel cher der Strahl abgeschaltet wird oder nur sehr we nig auf das Material einwirkt. Der gesamte Bearbei tungsbereich wird schliesslich vollständig aus einer Vielzahl von aneinandergrenzenden bearbeiteten Flä chenelementen zusammengesetzt.
Dieses Bearbeitungsverfahren weist sehr viele Vorteile auf, doch ist die Einrichtung zu seiner Durchführung sehr aufwendig. Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Material bearbeitung mittels Ladungsträgerstrahl anzugeben, welches eine schnelle, den thermodynamischen Ver- hältnissen dieses Bearbeitungsverfahrens angepasste Herstellung von Profilfräsungen ermöglicht und wel ches zu seiner Durchführung nur eine mit verhältnis mässig geringem Aufwand zu erstellende Einrichtung benötigt.
Profilfräsungen werden beispielsweise hergestellt in Einspritzdüsen, Spinndüsen, Filtern, Düsen zur Zuführung von Kühlflüssigkeiten usw.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Profilfräsungen mittels eines Ladungsträgerstrah- les verwendet einen Strahl, dessen Arbeitsquerschnitt kleiner ist als die Fläche des zu bearbeitenden Mate rialbereichs und der, durch elektronenoptische Mittel abgelenkt, diesen Materialbereich bestreicht und zeichnet sich dadurch aus, dass der Ladungsträger strahl innerhalb der Grenzen des zu bearbeitenden Materialbereichs stetig und so über das Material ge führt wird, dass die Energiekonzentration entlang den Randlinien dieses Bereichs am höchsten ist und dass jedem Punkt dieses Bereichs eine zur Materialver dampfung ausreichende Energie zugeführt wird.
Durch die Energiekonzentration an den Rändern des Bearbeitungsbereichs wird der dort sehr grosse Wärmeverlust kompensiert, so dass also die Herstel lung einer einwandfreien Begrenzung des Bearbei tungsbereichs ermöglicht wird. Der erwähnte hohe Wärmeverlust an den Rändern des Bearbeitungsbe reichs tritt infolge des hier sehr grossen seitlichen Temperaturgradienten auf, welcher bewirkt, dass ein wesentlicher Teil der eingestrahlten Energie durch Wärmeleitung verloren geht.
Bei dem Materialbearbeitungsverfahren gemäss der vorliegenden Erfindung wird der Ladungsträger strahl zweckmässig so geführt, dass er das Material innerhalb der Grenzen des Bearbeitungsbereiches schichtweise abträgt. Dadurch wird erreicht, dass während der Materialabtragung keine grösseren Stu fen innerhalb des Bearbeitungsbereichs auftreten. Solche Stufen würden eine wesentliche Störung des Bearbeitungsverfahrens mit sich bringen.
Besonders vorteilhaft ist es, einen intermittieren den Ladungsträgerstrahl zu verwenden. Dabei wird die Steuerung zweckmässig so gewählt, dass zeitlich aufeinanderfolgende Strahlimpulse an örtlich mög lichst weit auseinanderliegenden Stellen zur Wirkung gebracht werden, wobei die Auftreffstellen der Strahl impulse während aufeinanderfolgender Abtastvor gänge gegeneinander versetzt sind.
Dies wird zweck- mässig dadurch erreicht, dass eine Synchronisation zwischen Impulsfolgefrequenz und Ablenkfrequenz vermieden wird, so dass also der Ladungsträgerstrahl bei mehrfacher Überschreibung des Bearbeitungsbe reichs nicht wieder auf die gleichen Stellen auftrifft. Auf diese Weise wird das Material innerhalb des Be arbeitungsbereichs trotz der diskontinuierlichen Wir kung des intermittierenden Ladungsträgerstrahles über die Profilfläche gleichmässig schichtweise ab getragen.
Um zu erreichen, dass die Impulsfolgefrequenz kein ganzzahliges Vielfaches der Ablenkfrequenz ist, ist es vorteilhaft, die Ablenkfrequenz durch Fre quenzmodulation der Impulsfolgefrequenz mit einer im Verhältnis dazu niedrigen Hilfsfrequenz zu er zeugen.
Bei dem neuen Bearbeitungsverfahren kann der Ladungsträgerstrahl in verhältnismässig einfacher Weise so gesteuert werden, dass er eine Vielzahl von einfachen Grundprofilen aus dem Werkstück aus fräst. Die dazu notwendigen Ablenkströme haben beispielsweise sinus-, trapez-, sägezahn- oder recht- eckförmigen Verlauf und können demzufolge in ein fach aufgebauten Generatoren erzeugt werden.
Nähere Einzelheiten über die Art der Steuerung des Ladungsträgerstrahles werden im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren näher erläutert.
Mit Hilfe des neuen Bearbeitungsverfahrens ge lingt es insbesondere, in einfacher Weise runde und ovale sowie rechteckige und längliche, parallele oder nichtparallele Ränder aufweisende Grundprofile zu erzeugen.
Diese Grundprofile können zu axialsymmetri schen grösseren Gesamtprofilen zusammengesetzt werden, wobei diese Zusammensetzung elektronisch mittels einer verhältnismässig einfach aufgebauten Schaltanordnung bewirkt wird. Diese Schaltanord nung ist zweckmässig so einstellbar, dass der La dungsträgerstrahl beispielsweise einsinnig von der Mitte des Gesamtprofils ausgehend nacheinander über die den Grundprofilen entsprechenden Teilflä chen geführt wird und dabei jeweils eine Schicht je der Teilfläche abträgt.
Mittels des neuen Verfahrens gelingt es auch, Gesamtprofile herzustellen, welche aus paarweise zu einander parallel ausgerichteten Teilflächen zusam mengesetzt sind. Zu diesem Zweck wird der Ladungs trägerstrahl mittels eines durch die betreffenden Ab lenkelemente fliessenden Gleichstromes bis zur Mit tellinie der jeweils zu bearbeitenden Teilfläche abge lenkt.
Die mittels des neuen Verfahrens herzustellenden Gesamtprofile können aus Teilflächen zusammenge setzt sein, welche von der Mitte des Gesamtprofils aus gerechnet nur die halbe Ausdehnung der oben erwähnten Grundprofile haben. Der Ladungsträger strahl wird in diesem Fall nach Bestreichen der einer Teilfläche entsprechenden Hälfte eines Grundprofils so abgelenkt, dass die andere Hälfte dieses Grund profils an einer mit einer weiteren Teilfläche zusam menfallenden Stelle des Gesamtprofils hergestellt wird.
Wird ein aus grösseren Teilflächen bestehendes Gesamtprofil gefordert, so ist es vorteilhaft, die Teil flächen entsprechend den obenerwähnten Grundpro filen zu wählen und den Ladungsträgerstrahl mittels eines durch die entsprechenden Ablenkelemente flies- senden Gleichstromes vorabzulenken. In diesem Fall wird also ohne eine Vergrösserung der zur Erzeugung der Grundprofile notwendigen Ablenkströme ein Ge samtprofil erzeugt, dessen Aussenabmessungen grös ser sind als diejenigen des Grundprofils.
Zur Herstellung eines aus sich kreuzenden oder berührenden Teilflächen zusammengesetzten Gesamt profils wird der Ladungsträgerstrahl zweckmässig so geführt, dass sowohl entlang den Randlinien des Pro fils als auch im äusseren, dem Kreuzungspunkt abge wandten Teil jeder Teilfläche eine Energiehäufung auftritt. Auf diese Weise wird die in den äussern Pro filteilen gegenüber der Profilmitte vergrösserte Wär meableitung kompensiert, so dass also auch die äus- seren Profilteile genau entlang den vorgeschriebenen Randlinien ausgefräst werden.
Der Zweck, eine Energiehäufung im äusseren, dem Kreuzungspunkt abgewandten Teil jeder Teil fläche zu erzeugen, kann auch dadurch erreicht wer- den, dass die Energie des Ladungsträgerstrahles in vorgegebener Weise synchron mit der linear verlau fenden Strahlablenkung geregelt wird. Bei einer inter mittierenden Steuerung des Ladungsträgerstrahles ist es vorteilhaft, die Impulsamplitude, die Impulsdauer und die Impulsfolgefrequenz zu regeln.
Die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung enthält eine Ladungsträgerstrahlquelle sowie Mittel zur Formung und Fokussierung des Strahles auf das zu bearbeitende Material und ist gekennzeichnet durch ein hinter der Fokussierungslinse angeordnetes, entsprechend der Axialsymmetrie der herzustellenden Figur ausgelegtes Ablenksystem sowie mit diesem verbundene Schaltmittel zur Erzeugung und Zufüh rung der Ablenkströme nach einem vorgegebenen Programm enthält.
Diese Schaltmittel bestehen zweck- mässig aus mindestens zwei, Ablenkströme verschie denen zeitlichen Verlaufes liefernden Generatoren so wie einer mit diesen Generatoren verbundenen, zur Zuführung der Ablenkströme zu den Spulen des Ab lenksystems dienenden Schaltanordnung.DieseSchalt- anordnung selbst besteht vorteilhaft aus einer Anzahl mechanischer oder elektronischer Schalter, z. B.
Re lais oder Schalttransistoren, die in Gruppen nachein ander in periodischer Folge betätigt werden. Zweck- mässig wird ein aus der Fernmeldetechnik bekanntes Zählrelais oder ein elektronischer Ringzähler, der mit jeder Stufe eine Gruppe von mechanischen oder elek tronischen Schaltern betätigt, verwendet. Es ist eben so möglich, die erwähnte Schaltanordnung lediglich unter Verwendung von Transistoren aufzubauen.
Bei dem genannten Einrichtungsbeispiel der vor liegenden Erfindung liefern die Generatoren die zur Erzeugung der Grundprofile notwendigen Ablenk ströme, während mittels der erwähnten Schaltanord nung die Grundprofile in vorgegebener Weise zu einem Gesamtprofil zusammengesetzt werden. Das gesamte Programm zur Herstellung eines zusammen gesetzten Profils ist also in der erwähnten Schalt anordnung enthalten.
Die Schaltanordnung ist zweckmässig so ausge bildet und eingestellt, dass jeweils nach Bestreichen einer Teilfläche, gegebenenfalls unter gleichzeitiger Umpolung der Ablenkspulen die Rolle der zur Quer- und Längsablenkung dienenden Ablenkspulen mitein ander vertauscht wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Teilflächen eines zusammengesetzten Profils einseitig von der Mitte des Gesamtprofils ausgehend nacheinander bearbeitet werden.
Es ist zweckmässig, die zur Umschaltung der Ab lenkspulen dienende Schaltanordnung in der Weise mit dem Steuerimpulsgenerator zu verbinden, dass die Steuerimpulse während jedes Umschaltvorganges über eine vorgegebene Zeit unterdrückt werden. Auf diese Weise wird mit Sicherheit vermieden, dass in folge von Einschwingvorgängen Strahlimpulse ausser- halb 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 Ablenk spannung unterdrückt werden. Auf diese Weise wird vermieden, dass infolge der magnetischen Eigenschaf ten der Ablenksysteme der Ladungsträgerstrahl wäh rend des Rücklaufes verschiedene Bereiche der Mate rialbearbeitungsstelle erfasst.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1-14 näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 eine gemäss der Erfindung aufgebaute Ein richtung zur Herstellung von Profilfräsungen mittels Ladungsträgerstrahl, Fig. 2 eine Draufsicht auf das in der Einrichtung nach Fig. 1 enthaltene Ablenksystem, Fig. 3-8 verschiedene Grundprofile (a) und die zur Steuerung der jeweiligen Ablenkung des Ladungs trägerstrahles notwendigen Ablenkströme (b), Fig. 9 ein mittels intermittierend gesteuertem La dungsträgerstrahl hergestelltes Grundprofil (a) und die zur Strahlsteuerung und Strahlablenkung notwen digen Ströme (b), Fig. 10 und 11 aus Grundprofilen zusammenge setzte Profile (a) und die zur Herstellung dieser Pro file notwendigen Ablenkströme (b), Fig. 12 und 13 Beispiele von zusammengesetzten Profilen, Fig.
14 eine Draufsicht auf ein zur Herstellung des in Fig.13 dargestellten Profils verwendetes Strahl ablenksystemes.
Bei allen in der Folge beschriebenen Profilfräsun- gen wird der Ladungsträgerstrahl stetig und so über das Material geführt, dass die Energiekonzentration entlang den Randlinien dieses Bereichs am höchsten ist und dass jedem Punkt dieses Bereichs eine zur Materialverdampfung ausreichende Energie zugeführt wird.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Vakuumgefäss bezeichnet, in welchem ein aus der Kathode 2, der Steuerelek trode 3 und der Anode 4 bestehendes Strahlerzeu- gungssystem 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 Strom versorgungsgerät mit 16 bezeichnet ist, dient zur Fo- kussierung des Elektronenstrahles auf das zu bearbei tende Werkstück 11.
Das Werkstück 11, beispiels weise eine Spinndüse, ist in einer ebenfalls unter Va kuum stehenden Kammer 13 auf einem Tisch 12 an geordnet, 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 Ab lenksystem 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 90 gegeneinander versetzten elektromagneti schen Spulen 25-28, welche jeweils mit einem ferro- magnetischen Kern 29-32 ausgerüstet sind. Ein ferro- magnetischer Ring 33 dient als Rückfluss für das Magnetfeld, welches in dem zum Strahldurchtritt die nenden Rohr 34 entsteht. Sämtliche Spulen des Ab lenksystems sind in Kunstharz eingegossen.
Das Ab lenksystem ist so ausgebildet, dass der Elektronen strahl 5 bei Zuführung entsprechender Ablenkströme ein verzeichnungsfreies Raster auf der Oberfläche des Werkstückes 11 schreibt.
Im Gerät 17 wird eine Hochspannung von bei spielsweise 100 kV erzeugt und mittels eines mit einem Erdmantel versehenen Hochspannungskabels dem Gerät 18 zugeführt. Dieses Gerät dient zur Er zeugung der regelbaren Heizspannung und der regel baren Steuerelektrodenvorspannung. Diese Spannun gen werden über ein mit einem Erdmantel versehenen dreiadrigen Hochspannungskabel 19 in den ölgefüll- ten Behälter 20 eingeführt. Die beispielsweise auf - 100 kV liegende Heizspannung wird direkt der Ka thode 2 zugeleitet.
Die Wehneltzylinderspannung von beispielsweise -101 kV wird durch den Isolator ansatz der Sekundärwicklung des Hochspannungs- Isoliertransformators 21 zugeführt und gelangt von dort aus direkt zur Steuerelektrode 3. Die Steuerelek trodenvorspannung ist so eingestellt, dass im Ruhe zustand das Strahlerzeugungssystem gesperrt ist.
Mit 35 ist eine Schaltanordnung bezeichnet, wel che mit den Spulen des Ablenksystems 10 verbunden ist. Mit der Schaltanordnung 35 sind weiterhin Gene ratoren 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 Ab lenkstromes mit rechteckförmigem Verlauf, während der Generator 39 zur Erzeugung eines regelbaren Gleichstromes dient.
Mit dem Isolier-Impulstransformator 21 ist ein Steuerimpulsgenerator 40 verbunden, welcher eben falls mit der Schaltanordnung 35 in Verbindung steht. Der Steuerimpulsgenerator 40 liefert positive Steuerimpulse, welche die Vorspannung des Strahl- erzeugungssystemes so weit abtragen, dass während der Dauer eines Steuerimpulses das Strahlerzeugungs system entsperrt wird und ein Elektronenstrahlimpuls entsteht. Über die Schaltanordnung 35 werden die vom Steuerimpulsgenerator 40 gelieferten Steuer impulse während des Rücklaufes der Ablenkspan nung - und / oder bei der Herstellung von zusam mengesetzten Profilen während bestimmter Umschalt zeiten - unterdrückt.
Fig. 3a zeigt ein rundes Grundprofil 41, dessen Durchmesser nur wenig grösser ist als der wirksame Strahldurchmesser des Elektronenstrahles 5. Mittels der um 90 gegeneinander phasenverschobenen, vom Generator 38 gelieferten Ablenkströme 42 und 43 wird der Ladungsträgerstrahl so entlang der äusseren Randlinie des Profils 41 geführt, dass der äussere Rand des wirksamen Strahlquerschnitts die Begren- zungslinie des Profils berührt. Dabei wird das in der Mitte liegende Material, welches nicht vom Strahl ge troffen wird, genügend hoch erhitzt, um mit abgetra gen 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 konzentrische Kreislinien ge, führt, dass der äussere Rand des wirksamen Strahl querschnitts die äussere Begrenzungslinie des Profils berührt und dass das zwischen den Kreislinien und das innerhalb der inneren Kreislinie liegende Material mit abgetragen wird.
Fig. 5a zeigt ein rundes Grundprofil 47 grösseren Durchmessers. Zu seiner Herstellung wird der Elek tronenstrahl 5 so über die am äusseren Rand des Pro fils gelegene schraffierte Kreisringfläche bewegt, dass der äussere Rand des wirksamen Strahlquerschnitts die äussere Begrenzungslinie des Profils berührt und dass entlang den beiden Begrenzungslinien eine Häu fung der Energie auftritt. Zu diesem Zweck werden die beiden um 90 gegeneinander phasenverschobe nen 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 auf einanderfolgende Raster gegeneinander verschoben sind. Durch die trapezförmige Modulationsspannung 49 wird erreicht, dass der Elektronenstrahl entlang der Randlinien des Kreisringes langsamer bewegt wird als senkrecht zu diesen Kreislinien. Dadurch wird eine Häufung der Energie entlang den Rand linien erreicht.
Derselbe Effekt lässt sich erzielen, wenn die Ab lenkströme nicht trapezförmig, sondern sinusförmig amplitudenmoduliert werden.
Zur Erzeugung ovaler Grundprofile ist es not wendig, die Amplituden der in den Fig. 3b, 4b und 5b dargestellten um 90 gegeneinander phasenver schobenen Ablenkströme verschieden gross zu ma chen.
Fig. 6a zeigt ein längliches rechteckförmiges Grundprofil 50, dessen Breite nur wenig grösser ist als der wirksame Strahldurchmesser. Der zur Längs ablenkung des Elektronenstrahles 5 dienende Ablenk strom 51 hat den in Fig. 6b dargestellten sägezahn- förmigen zeitlichen Verlauf. Mittels dieses Ablenk stromes wird der Ladungsträgerstrahl mit konstanter Geschwindigkeit in Längsrichtung des Profils 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 er- kennen ist, sind die Ablenkströme 51 und 52 mitein ander synchronisiert. Diese Synchronisation ist so ge wählt, dass der Elektronenstrahl in zeitlichem Wech sel über die beiden schraffierten Streifen geführt wird. Bei dieser Strahlführung berührt der äussere Rand des wirksamen Strahlquerschnittes die äussere Be grenzungslinie des Profils.
Anstelle des in Fig. 6b dargestellten sägezahnför- migen Ablenkstromes kann die Längsablenkung des Elektronenstrahles auch mittels eines in Fig. 6d dar gestellten Ablenkstromes 53 bewirkt werden. Die Querablenkung erfolgt in diesem Fall mittels des in Fig. 6e dargestellten rechteckförmigen Ablenkstro mes 54. Der dachförmige Ablenkstrom 53 bewirkt, dass der Elektronenstrahl mit konstanter Geschwin- digkeit entlang der schraffierten Linien des Profils 50 hin- und hergeführt wird. Dabei wechselt der La dungsträgerstrahl jeweils nach Durchlaufen einer Li nie auf die andere Linie über.
Fig. 7a zeigt ein rechteckförmiges Grundprofil 55 grösserer Breite. Zu seiner Herstellung überstreicht der Elektronenstrahl die gesamte Rechteckfläche, wo bei seine Längsablenkung durch den in Fig. 7b dar gestellten sägezahnförmigen Ablenkstrom 56 und seine Querablenkung durch den in Fig. 7c dargestell ten sinusförmigen Ablenkstrom 57 bewirkt wird. Die Ablenkströme 56 und 57 sind nicht miteinander syn chronisiert, so dass also der Elektronenstrahl auf dem Profil 55 kein feststehendes Raster beschreibt. Wie ohne weiteres zu erkennen ist, wird durch den sinus- förmigen Querablenkstrom 57 bewirkt, dass der Elek tronenstrahl an den Rändern des Profils langsamer bewegt wird als über die Profilfläche hinweg, so dass also an den Profilrändern eine Energiehäufung ent steht.
Anstelle des in Fig. 7b dargestellten sägezahnför- migen Ablenkstromes 56 kann zur Längsablenkung des Elektronenstrahles über das Profil 55 auch der in Fig. 7d dargestellte Ablenkstrom 58 verwendet wer den, der einen dachförmigen Verlauf mit abgeflach ten Spitzen hat.
Während der Bereiche 59 des Ablenkstromes wird der Elektronenstrahl in Längsrichtung nicht ab gelenkt, während der Querablenkstrom voll wirksam ist. Auf diese Weise wird eine Energiehäufung auch an den das Profil 55 in Querrichtung begrenzenden Randlinien erreicht.
Fig. 8a zeigt ein längliches Profil 60 mit nicht parallelen 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 pro portionalen Geschwindigkeit in Längsrichtung ge führt. Die Querablenkung des Elektronenstrahles er folgt durch den synchron zur Längsablenkung ampli tudenmodulierten Ablenkstrom 63, dessen Modula tionsspannung mit 62 bezeichnet ist. Durch diese Amplitudenmodulation des Querablenkstromes ergibt sich die gewünschte Profilform. Der Querablenkstrom 63 hat sinusförmigen Verlauf, so dass also an den Rändern des Profils 60 eine Energiehäufung auftritt.
Alle die in den Fig. 3-8 dargestellten Grundpro file werden zweckmässig mit einem intermittierend gesteuerten Ladungsträgerstrahl hergestellt. Die Im pulsfolgefrequenz ist dabei kein ganzzahliges Viel faches der Ablenkfrequenz.
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 die nende 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 ge wählt, dass der Elektronenstrahl nach jeder Treppen stufe von einer Randlinie des Profils 50 auf die an dere geführt wird. Die Modulation der Strahlintensi tät 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 Längsablenk stromes der Querablenkstrom um eine halbe Periode phasenverschoben wird, so schreibt der Elektronen strahl 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 wirk same Strahldurchmeser. Wählt man von vorneherein die Treppenschritte des Längsablenkstromes so, dass in einer Linie aufeinanderfolgende Strahlimpulse einen Abstand haben, welcher kleiner ist als der wirk same Strahldurchmesser, so kann das gesamte Profil 50 mittels eines einzigen Rasters geschrieben werden.
Aus den in den Fig. 3-8 dargestellten Grundpro filen 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 Grundprofils 60 geschrieben hat, wird über die Schaltanordnung 35 die Rolle der Längs- und Quer ablenkspulen miteinander vertauscht. Aus diesem Grunde wird die nächste Hälfte des Grundprofils in einer um 90 verschobenen Stellung geschrieben. Durch fortgesetzte Umschaltung mittels der Relais anordnung 35 wird schliesslich das in Fig. 12 darge stellte zusammengesetzte Profil aus dem Werkstück 11 ausgefräst.
Fig. 10 zeigt ein aus vier wechselweise parallel zueinander angeordneten Grundprofilen 50 bestehen des zusammengesetztes Profil. Zu seiner Herstellung wird der Elektronenstrahl 5 mit Hilfe des in Fig. 10 dargestellten Längsablenkstromes 53 in Längsrich- tung geführt. Zugleich wird der Elektronenstrahl mit tels eines vom Generator 39 gelieferten Gleichstro mes 70 in Querrichtung so abgelenkt, dass der in Fig. 10 dargestellte Querablenkstrom 71 entsteht.
Sobald der Elektronenstrahl die beiden Randlinien des obe ren Grundprofils 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 abführt. Nach einer entsprechenden Anzahl von Umschaltun gen hat schliesslich der Elektronenstrahl 5 aus dem Werkstück 11 das in Fig. 10 dargestellte Gesamtpro fil ausgefräst.
Fig. 11a zeigt ein kreuzförmiges Profil, welches., wie ohne weiteres zu erkennen ist, aus den Grund profilen 55 entsprechenden Teilflächen zusammen setzbar ist. Zu seiner Herstellung wird ein Längs ablenkstrom 72 verwendet, welcher den aus Fig. 11 ersichtlichen Verlauf hat. Wie aus dieser Figur zu er kennen 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 Ladungsträ gerstrahl am äusseren Ende jeder Teilfläche länger verweilt als an dem dem Kreuzungspunkt naheliegen den Ende.
Aus diesem Grunde wird also der Elektro nenstrahl mittels des Querablenkstromes 73 (Fig. l1c) am äusseren Ende jeder Teilfläche öfter in Querrich tung bewegt als an dem anderen Ende der Teilfläche, so dass eine Energiehäufung in den äusseren Teilen der Kreuzbalken auftritt.
Führt man den jeweils zur Längsablenkung die nenden Spulen des Ablenksystemes einen Gleich strom zu, welcher eine Vorablenkung des Elektronen strahles 5 um die halbe Länge des Grundprofiles be wirkt, 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 Grundprofiles dienenden Längs ablenkstrom 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 Profils wird anstelle des in Fig. 1 mit 10 bezeichne ten zweizähligen Ablenksystems das in Fig. 14 in Draufsicht gezeichnete dreizählige Ablenksystem ver wendet. Dieses Ablenksystem besteht aus den sechs Ablenkspulen 77-82.
Bei der Herstellung des in Fig. 13 dargestellten Profils wird zunächst den Spulen 77, 78, 80 und 81 beispielsweise der in Fig. 11b dargestellte Ablenk strom 72 zugeführt, während den Ablenkspulen 79 und 82 der in Fig. 6c dargestellte Querablenkstrom 52 zugeführt wird. Nachdem der Elektrodenstrahl 5 eine Randlinie der Teilfläche 74 von der Profilmitte ausgehend abgefahren hat, schaltet die Schaltanord nung 35 unter gleichzeitiger Umpolung der Ablenk spulen um, und zwar so, dass nunmehr die Spulen 78, 79, 81 und 82 zur Längsablenkung und die Spu len 77 und 80 zur Querablenkung dienen. Dadurch wird eine Randlinie der Teilfläche 75 vom Elektro nenstrahl abgefahren.
Danach schaltet die Schalt anordnung 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 Elek tronenstrahl eine Randlinie der Teilfläche 76 ab. Auf diese Weise werden nacheinander die Balken 74, 75 und 76 so lange abgetragen, bis das vollständige Pro fil aus dem Werkstück 11 ausgefräst ist. Die Längs ablenkung des Elektrodenstrahles erfolgt stets einsei tig von der Profilmitte ausgehend.
Auch die in den Fig. 10-13 dargestellten zusam mengesetzten Profile werden zweckmässig mittels eines intermittierend gesteuerten Ladungsträgerstrah les hergestellt. Es ist dabei möglich, beispielsweise bei der Herstellung des in Fig. 11 dargestellten zu sammengesetzten Profiles die Impulsamplitude, die Impulsdauer oder die Impulsfolgefrequenz so zu re geln, dass auch bei Verwendung eines sägezahnför- migen Ablenkstromes mit nicht abgeflachten Spitzen eine Energiehäufung in den äusseren Bereichen der Grundprofile auftritt.
Method and device for producing profile millings by means of a charge carrier beam During material processing with charge carriers blasting, for example in the production of bores or profile millings, the material point to be processed is heated up by bombardment with charge carriers, so that the material evaporates at this point.
In order to achieve a useful rate of evaporation for practical purposes, i. H. So to achieve a sufficient drilling speed in the case described, the charge carrier beam must have a sufficiently high energy density at the point of impact on the material. For this purpose, the charge carrier beam is normally focused in such a way that it emits its energy evenly over the entire processing surface. The intensity distribution over the working cross-section should be as rectangular as possible, i.e. H. the intensity point should drop steeply to zero at the boundaries of the processed area from the high value required for processing.
It is known to burn holes of the desired shape into extremely thin films by means of a moving charge carrier beam. It is also known to drill holes in relatively thick materials by means of an appropriately focused charge carrier beam, the shape of which corresponds essentially to the shape of the charge carrier beam. As the size of the processed area increases, this known processing method results in an ever larger thermally stressed material area around the processed material area. This means that undesirably large layers at the edge and below the machined area are melted. As a result, the losses are increased and the desired work effect is disturbed.
A material processing method is also known in which an intermittently effective charge carrier beam whose working cross section is smaller than the area of the material to be processed area sweeps this area. In this process, the charge carrier beam is moved in a predetermined manner in jumps over the processing area in such a way that surface elements processed immediately one after the other are separated by a distance that is greater than the diameter of such a surface element and over which the beam is switched off is or only very little acts on the material. The entire machining area is finally composed entirely of a large number of adjoining machined surface elements.
This processing method has many advantages, but the device for its implementation is very expensive. It is the aim of the present invention to provide a method for material processing by means of a charge carrier beam, which enables rapid production of profile millings adapted to the thermodynamic conditions of this processing method and which only requires a device to be created with relatively little effort to carry it out .
Profile millings are produced, for example, in injection nozzles, spinnerets, filters, nozzles for supplying cooling liquids, etc.
The inventive method for producing profile millings by means of a charge carrier beam uses a beam whose working cross section is smaller than the area of the material area to be processed and which, deflected by electron optical means, sweeps this material area and is characterized in that the charge carrier beam within the boundaries of the material area to be processed is continuously guided over the material in such a way that the energy concentration is highest along the edge lines of this area and that sufficient energy for material evaporation is supplied to each point of this area.
The concentration of energy at the edges of the machining area compensates for the very large heat loss there, so that the production of a perfect delimitation of the machining area is made possible. The aforementioned high heat loss at the edges of the machining area occurs as a result of the very large lateral temperature gradient here, which causes a substantial part of the radiated energy to be lost through heat conduction.
In the material processing method according to the present invention, the charge carrier is expediently guided in such a way that it removes the material in layers within the limits of the processing area. This ensures that no major steps occur within the machining area during the material removal. Such steps would significantly disrupt the machining process.
It is particularly advantageous to use an intermittent charge carrier beam. The control is expediently chosen so that temporally successive beam pulses are brought into effect at locations as far apart as possible locally, the impact points of the beam pulses being offset from one another during successive scanning processes.
This is expediently achieved in that a synchronization between the pulse repetition frequency and the deflection frequency is avoided, so that the charge carrier beam does not strike the same places again when the processing area is overwritten several times. In this way, despite the discontinuous action of the intermittent charge carrier beam, the material within the processing area is evenly removed in layers over the profile surface.
In order to ensure that the pulse repetition frequency is not an integral multiple of the deflection frequency, it is advantageous to generate the deflection frequency by frequency modulating the pulse repetition frequency with an auxiliary frequency that is low in relation to it.
With the new machining process, the charge carrier beam can be controlled in a relatively simple manner so that it mills a large number of simple basic profiles out of the workpiece. The deflection currents necessary for this have, for example, sinusoidal, trapezoidal, sawtooth or rectangular shape and can therefore be generated in generators with a simple structure.
Further details about the type of control of the charge carrier beam are explained in more detail in connection with the accompanying figures.
With the help of the new machining method, it is particularly possible to produce basic profiles with round and oval and rectangular and elongated, parallel or non-parallel edges in a simple manner.
These basic profiles can be combined to form axially symmetrical larger overall profiles, this combination being effected electronically by means of a relatively simple switching arrangement. This Schaltanord voltage is expediently adjustable so that the charge carrier beam is guided, for example, in one direction, starting from the center of the overall profile, one after the other over the sub-areas corresponding to the basic profiles, removing one layer for each sub-area.
By means of the new process it is also possible to produce overall profiles which are composed of sub-areas aligned in pairs in parallel to one another. For this purpose, the charge carrier beam is deflected by means of a direct current flowing through the relevant deflecting elements up to the center line of the respective sub-area to be processed.
The overall profiles to be produced using the new process can be composed of partial areas which, calculated from the center of the overall profile, have only half the extent of the above-mentioned basic profiles. In this case, the charge carrier beam is deflected after covering the half of a basic profile corresponding to a partial area so that the other half of this basic profile is produced at a point of the overall profile that coincides with another partial area.
If an overall profile consisting of larger partial areas is required, it is advantageous to select the partial areas according to the above-mentioned basic profiles and to pre-deflect the charge carrier beam by means of a direct current flowing through the corresponding deflection elements. In this case, a total profile is generated without increasing the deflection currents necessary to generate the basic profile, the outer dimensions of which are greater than those of the basic profile.
To produce an overall profile composed of intersecting or touching partial areas, the charge carrier beam is expediently guided in such a way that energy accumulates both along the edge lines of the profile and in the outer part of each partial area facing away from the intersection. In this way, the increased heat dissipation in the outer profile parts compared to the profile center is compensated, so that the outer profile parts are also milled out precisely along the prescribed edge lines.
The purpose of generating an energy accumulation in the outer part of each sub-area facing away from the intersection point can also be achieved by regulating the energy of the charge carrier beam in a predetermined manner synchronously with the linear deflection of the beam. In the case of intermittent control of the charge carrier beam, it is advantageous to regulate the pulse amplitude, the pulse duration and the pulse repetition frequency.
The device according to the present invention contains a charged carrier beam source as well as means for shaping and focusing the beam on the material to be processed and is characterized by a deflection system arranged behind the focusing lens, designed according to the axial symmetry of the figure to be produced, and switching means connected to this for generating and supplying contains deflection currents according to a predetermined program.
These switching means expediently consist of at least two generators that supply deflection currents with different time profiles, as well as a switching arrangement connected to these generators and used to supply the deflection currents to the coils of the deflection system. This switching arrangement itself advantageously consists of a number of mechanical or electronic ones Switch, e.g. B.
Relays or switching transistors that are operated in groups one after the other in a periodic sequence. A counting relay known from telecommunications technology or an electronic ring counter which actuates a group of mechanical or electronic switches at each stage is expediently used. It is just as possible to build up the mentioned switching arrangement using only transistors.
In the above example of the present invention, the generators deliver the deflection currents necessary to generate the basic profiles, while the basic profiles are combined in a predetermined manner to form an overall profile by means of the aforementioned switching arrangement. The entire program for producing a composite profile is therefore included in the circuit arrangement mentioned.
The switching arrangement is expediently designed and set in such a way that each time a partial area is swept, possibly with simultaneous polarity reversal of the deflection coils, the role of the deflection coils serving for transverse and longitudinal deflection is swapped with one another. In this way it is achieved that the partial areas of a composite profile are machined one side after the other, starting from the center of the overall profile.
It is useful to connect the switching arrangement used for switching the steering coils to the control pulse generator in such a way that the control pulses are suppressed for a predetermined time during each switching process. In this way, it is reliably avoided that as a result of transient processes, beam pulses fall outside the actual processing point.
Under certain circumstances, it is also advantageous to connect the switching arrangement used for switching to the control pulse generator in such a way that the control pulses are suppressed during the return of the deflection voltage. In this way it is avoided that, due to the magnetic properties of the deflection systems, the charge carrier beam covers different areas of the material processing point during the return movement.
The invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1-14, which illustrate the exemplary embodiments. 1 shows a device constructed according to the invention for producing profile millings by means of a charge carrier beam, FIG. 2 shows a plan view of the deflection system contained in the device according to FIG. 1, FIGS. 3-8 various basic profiles (a) and the for Control of the respective deflection of the charge carrier beam necessary deflection currents (b), Fig. 9 a basic profile produced by means of intermittently controlled charge carrier beam (a) and the currents necessary for beam control and beam deflection (b), Fig. 10 and 11 composed of basic profiles profiles (a) and the deflection currents necessary to produce these profiles (b), Fig. 12 and 13 examples of composite profiles, Fig.
14 is a plan view of a beam deflection system used to produce the profile shown in FIG.
In all of the profile millings described below, the charge carrier beam is guided steadily over the material in such a way that the energy concentration is highest along the edge lines of this area and that sufficient energy for material evaporation is supplied to each point in this area.
In Fig. 1, 1 denotes a vacuum vessel in which a radiation generating system consisting of the cathode 2, the control electrode 3 and the anode 4 is arranged. An aperture 6, which can be adjusted by means of the setting buttons 7 and 8, is used to further shape the electron beam 5. An electromagnetic lens 9, the power supply device of which is denoted by 16, is used to focus the electron beam on the workpiece 11 to be machined.
The workpiece 11, for example a spinneret, is arranged in a chamber 13 also under vacuum on a table 12, which can be moved by means of a spindle 15 from left to right or vice versa. Another spindle 14 is used to move the workpiece perpendicular to the plane of the paper.
Between the electromagnetic lens 9 and the workpiece 11, an electromagnetic steering system 10 is arranged, which serves to deflect the electron beam 6 in the plane of the paper and perpendicular to the plane of the paper. The deflection system 10 consists, as can be seen from FIG. 2, of four electromagnetic coils 25-28 offset from one another by 90, each of which is equipped with a ferromagnetic core 29-32. A ferromagnetic ring 33 serves as a return flow for the magnetic field which is created in the tube 34 which is intended for the beam to pass through. All coils of the deflection system are cast in synthetic resin.
From the steering system is designed so that the electron beam 5 writes a distortion-free grid on the surface of the workpiece 11 when appropriate deflection currents are supplied.
In device 17, a high voltage of 100 kV, for example, is generated and fed to device 18 by means of a high-voltage cable provided with an earth jacket. This device is used to generate the adjustable heating voltage and the adjustable control electrode bias voltage. These voltages are introduced into the oil-filled container 20 via a three-core high-voltage cable 19 provided with an earth jacket. The heating voltage, for example - 100 kV, is fed directly to cathode 2.
The Wehnelt cylinder voltage of -101 kV, for example, is fed through the insulator approach to the secondary winding of the high-voltage insulating transformer 21 and from there goes directly to the control electrode 3. The control electrode bias voltage is set so that the beam generation system is blocked when idle.
With a circuit arrangement 35 is referred to, wel surface with the coils of the deflection system 10 is connected. With the switching arrangement 35 Generators 36-39 are also connected, which are used to generate the deflection currents. For example, the generator 36 is used to generate a deflection current with a sawtooth shape, the generator 37 to generate a deflection current with a sinusoidal shape, the generator 38 to generate a deflection current with a rectangular shape, while the generator 39 is used to generate a controllable direct current.
A control pulse generator 40 is connected to the isolating pulse transformer 21, which is also connected to the switching arrangement 35. The control pulse generator 40 supplies positive control pulses which remove the bias voltage of the beam generation system to such an extent that the beam generation system is unlocked during the duration of a control pulse and an electron beam pulse is produced. Via the switching arrangement 35, the control pulses supplied by the control pulse generator 40 are suppressed during the return of the deflection voltage - and / or times during the production of composite profiles during certain switching times.
3a shows a round basic profile 41, the diameter of which is only slightly larger than the effective beam diameter of the electron beam 5. The charge carrier beam is guided along the outer edge of the profile 41 by means of the deflection currents 42 and 43, which are phase-shifted by 90 relative to one another and supplied by the generator 38 that the outer edge of the effective jet cross-section touches the boundary line of the profile. The material in the middle, which is not hit by the beam, is heated sufficiently to be abgetra conditions.
4a shows a round basic profile 44, the diameter of which is four to six times as large as the effective diameter of the electron beam 5. To produce this profile, the electron beam 5 is alternated over time on two concentric circular lines by means of the deflection currents 45 and 46, leads to the fact that the outer edge of the effective jet cross section touches the outer boundary line of the profile and that the material lying between the circular lines and the material lying within the inner circular line is also removed.
Fig. 5a shows a round basic profile 47 of larger diameter. To produce it, the electron beam 5 is moved over the hatched circular ring surface located on the outer edge of the profile so that the outer edge of the effective beam cross-section touches the outer boundary line of the profile and that energy accumulates along the two boundary lines. For this purpose, the two sinusoidal deflection currents, of which only deflection current 48 is shown in FIG. 5b, are modulated by means of trapezoidal current 49, which are phase-shifted by 90 relative to one another. The frequency of the deflection current 49 is significantly greater than the frequency of the deflection current 48, synchronization between these two deflection currents being avoided by selecting the appropriate frequency.
As can readily be seen from FIG. 5a, in this case the electron beam is guided over the hatched circular ring surface in the form of a grid, with successive grids being shifted from one another. The trapezoidal modulation voltage 49 ensures that the electron beam is moved more slowly along the edge lines of the circular ring than perpendicular to these circular lines. This results in an accumulation of energy along the edge lines.
The same effect can be achieved if the deflection currents are not trapezoidal, but sinusoidal amplitude modulated.
To generate oval basic profiles, it is necessary to make the amplitudes of the deflection currents shown in FIGS. 3b, 4b and 5b, which are phase-shifted by 90 relative to one another, of different sizes.
6a shows an elongated rectangular basic profile 50, the width of which is only slightly greater than the effective beam diameter. The deflection current 51 serving for the longitudinal deflection of the electron beam 5 has the sawtooth-shaped time profile shown in FIG. 6b. By means of this deflection current, the charge carrier beam is guided at constant speed in the longitudinal direction of the profile. A rectangular deflection current 52, as shown in FIG. 6c, serves to deflect the charge carrier beam transversely.
As can be seen from FIGS. 6b and 6c, the deflection currents 51 and 52 are synchronized with one another. This synchronization is chosen in such a way that the electron beam is guided over the two hatched stripes in alternation over time. With this beam guidance, the outer edge of the effective beam cross-section touches the outer boundary line of the profile.
Instead of the sawtooth-shaped deflection current shown in FIG. 6b, the longitudinal deflection of the electron beam can also be effected by means of a deflection current 53 shown in FIG. 6d. In this case, the transverse deflection takes place by means of the rectangular deflection current 54 shown in FIG. 6e. The roof-shaped deflection current 53 causes the electron beam to be guided back and forth along the hatched lines of the profile 50 at a constant speed. The charge carrier beam never changes to the other line after passing through one line.
7a shows a rectangular basic profile 55 of greater width. To produce it, the electron beam sweeps over the entire rectangular area, where its longitudinal deflection is caused by the sawtooth deflection current 56 provided in FIG. 7b and its transverse deflection by the sinusoidal deflection current 57 shown in FIG. 7c. The deflection currents 56 and 57 are not synchronized with one another, so that the electron beam does not describe a fixed grid on the profile 55. As can be seen without further ado, the sinusoidal transverse deflection current 57 causes the electron beam to be moved more slowly at the edges of the profile than across the profile surface, so that an accumulation of energy occurs at the profile edges.
Instead of the sawtooth deflection current 56 shown in FIG. 7b, the deflection current 58 shown in FIG. 7d, which has a roof-shaped course with flattened tips, can also be used for the longitudinal deflection of the electron beam via the profile 55.
During the areas 59 of the deflection current, the electron beam is not deflected in the longitudinal direction, while the transverse deflection current is fully effective. In this way, an accumulation of energy is also achieved at the edge lines delimiting the profile 55 in the transverse direction.
Fig. 8a shows an elongated profile 60 with non-parallel edges. To produce it, the electron beam is carried out by means of the essentially sinusoidal deflection current 61 shown in FIG. 8b with a profile width that is inversely proportional to the speed in the longitudinal direction. The transverse deflection of the electron beam follows through the amplitude modulated deflection current 63, whose modulation voltage is denoted by 62, synchronously with the longitudinal deflection. This amplitude modulation of the transverse deflection current results in the desired profile shape. The transverse deflection current 63 has a sinusoidal course, so that an accumulation of energy occurs at the edges of the profile 60.
All of the basic profiles shown in FIGS. 3-8 are expediently produced with an intermittently controlled charge carrier beam. The pulse repetition frequency is not an integer multiple of the deflection frequency.
9a shows a rectangular, elongated basic profile 50, for the production of which, however, an intermittently controlled charge carrier beam synchronized with the deflection currents is used. The deflection current 64 which is used for the longitudinal deflection of the charge carrier beam has a stepped course and is shown in FIG. The transverse deflection current 65, which is also synchronized with the deflection current 64, is shown in FIG. 9c. The synchronization is chosen so that the electron beam is guided from an edge line of the profile 50 to the other after each stair step. The modulation of the beam intensity is selected so that a beam pulse 66 belongs to each step of the longitudinal deflection current 64.
If the synchronization of the deflection currents is chosen so that the cross deflection current is phase shifted by half a period during the return of the longitudinal deflection current, the electron beam writes two nested grids on the profile 50, one of which is shown in FIG. 9a. The distance between two points of the nested grids is expediently smaller than the effective beam diameter. If the staircase steps of the longitudinal deflection current are selected from the outset so that successive beam pulses in a line have a spacing which is smaller than the effective beam diameter, the entire profile 50 can be written using a single grid.
From the Grundpro files shown in FIGS. 3-8, composite profiles are written by appropriate programming by means of the switching arrangement shown in FIG. Such a profile is shown in FIG. 12, for example. As can be readily seen, this profile consists of two crossed basic profiles 60. To produce it, the deflection coils 25 and 27 are first supplied with the longitudinal deflection current 61, while the coils 26 and 28 with the transverse deflection current 63 are supplied.
As soon as the electron beam has written half of the basic profile 60, the role of the longitudinal and transverse deflection coils is interchanged via the switching arrangement 35. For this reason, the next half of the basic profile is written in a position shifted by 90. As a result of continued switching by means of the relay arrangement 35, the composite profile shown in FIG. 12 is finally milled out of the workpiece 11.
10 shows a composite profile consisting of four base profiles 50 arranged alternately parallel to one another. To produce it, the electron beam 5 is guided in the longitudinal direction with the aid of the longitudinal deflection current 53 shown in FIG. At the same time, the electron beam is deflected in the transverse direction by means of a direct current 70 supplied by the generator 39 such that the transverse deflection current 71 shown in FIG. 10 is produced.
As soon as the electron beam has traveled the two edge lines of the upper basic profile 50, the function of the longitudinal and transverse deflection coils is interchanged by means of the switching arrangement 35, so that the electron beam 5 leads away the two edge lines of the left basic profile in the next operation. After a corresponding number of switchovers, the electron beam 5 has finally milled the overall profile shown in FIG. 10 from the workpiece 11.
Fig. 11a shows a cross-shaped profile which. As can be easily seen, from the basic profiles 55 corresponding partial areas can be put together. To produce it, a longitudinal deflection current 72 is used, which has the course shown in FIG. As can be seen from this figure, the longitudinal deflection current 52 has a substantially sawtooth-shaped course, but the tips of the sawtooth are flattened. This flattening ensures that the charge carrier beam lingers longer at the outer end of each partial area than at the end that is close to the intersection point.
For this reason, the electron beam is moved by means of the transverse deflection current 73 (Fig. 11c) at the outer end of each sub-area more often in the transverse direction than at the other end of the sub-area, so that an accumulation of energy occurs in the outer parts of the crossbar.
If you feed the coils of the deflection system to the longitudinal deflection, a direct current which causes a pre-deflection of the electron beam 5 by half the length of the basic profile, a cross-shaped profile can be produced in this case, the bars of which cover the full length of the basic profile exhibit. The alternating current used for longitudinal deflection does not have to be increased compared to the longitudinal deflection current used to generate the basic profile.
13 shows a profile consisting of the three bars 74, 75 and 76, the individual bars of which correspond to the basic profile 50. To produce this profile, instead of the two-fold deflection system denoted by 10 in FIG. 1, the three-fold deflection system drawn in plan view in FIG. 14 is used. This deflection system consists of the six deflection coils 77-82.
In the production of the profile shown in Fig. 13, the coils 77, 78, 80 and 81, for example, the deflection current 72 shown in Fig. 11b is supplied, while the deflection coils 79 and 82, the cross deflection current 52 shown in Fig. 6c is supplied. After the electrode beam 5 has traveled an edge line of the partial surface 74 starting from the profile center, the Schaltanord voltage 35 switches with simultaneous polarity reversal of the deflection coils, in such a way that now the coils 78, 79, 81 and 82 for longitudinal deflection and the Spu sources 77 and 80 serve for transverse deflection. As a result, an edge line of the partial area 75 is traversed by the electron beam.
The switching arrangement 35 then switches over again with simultaneous polarity reversal, so that the deflection coils 79, 80, 82 and 77 are now used for longitudinal deflection and the coils 78 and 81 for transverse deflection. The electron beam moves along an edge line of the surface area 76. In this way, the bars 74, 75 and 76 are removed one after the other until the complete profile from the workpiece 11 is milled. The longitudinal deflection of the electrode beam always takes place on one side, starting from the center of the profile.
The composite profiles shown in FIGS. 10-13 are also expediently produced by means of an intermittently controlled charge carrier beam. It is possible, for example, to regulate the pulse amplitude, the pulse duration or the pulse repetition frequency during the production of the composite profile shown in FIG the basic profile occurs.