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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Behandlung von Werkstücken mit Elektronenstrahlen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Es sind Einrichtungen bekannt, bei denen die Bearbeitung von Werkstücken als Massenteile, wie z. B. zum Schweißen, Härten oder Umschmelzen von Nockenwellen oder Kurbelwellen mit nahezu ununterbrochener Einschaltdauer des Elektronenstrahles ausgeführt wird (
DD-PS 214 717 ,
DE-PS 44 22 751 C1 ).
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Bei der Einrichtung gemäß
DD-PS 214 717 wird es als nachteilig angesehen, daß die Strahlführungskammer mit den Ablenksystemen räumlich getrennt von den Vakuumventilen angeordnet ist und Verunreinigungen aus dem BehandlungsProzeß, wie z. B. Abdampfprodukte oder umgeschmolzene Materialpartikel auf direktem Weg in die Strahlführungskammer und die empfindlichen Elektronenstrahlerzeuger gelangen und dort zu erheblichen Störungen führen können. Überdies ist der Aufwand für die Evakuierung der Vakuumkammern ebenso wie der Steuerungsaufwand für die Steuerung von einander unabhängiger Vakuumprozesse erheblich. Bei der Behandlungseinrichtung nach der
DE-PS 44 22 751 C1 wird es als nachteilig angesehen, daß Verunreinigungen aus dem Elektronenstrahl-BehandlungsProzeß auf direktem Wege auf den Elektronenauffänger in den Prozeßkammern, in der nicht magnetischen, geknickten Führung, in der Ventilbaugruppe auf den Ventilen mit ihren Bewegungselementen (Schlupfbewegung der Dichtelemente, Deformation der Kraftübertragungselemente und im Elektronenstrahlerzeuger im Bereich der Strahlführung und im Strahlerzeugerraum abgelagert werden können.
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Außerdem resultiert aus der besonderen Unzulänglichkeit der Vakuumdichtflächen und Vakuumräume eine nicht unbeachtliche Störanfälligkeit sowie ein verhältnismäßig hoher Wartungs- und Serviceaufwand der Einrichtung. Zudem verursacht die Evakuierung aller vorhandenen Vakuumkammern ohne Berücksichtigung funktioneller Verbindungen über getrennte Pumpstände einen beträchtlichen vakuumtechnischen Aufwand.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu verbessern derart, daß für die Elektronenstrahlbearbeitung von Werkstücken, insbesondere als Massenteile, die das hochernergetische Aufschmelzen von verunreinigten Werkstoffen im Vakuum beinhaltet, eine im wesentlichen ununterbrochene Bearbeitung in leistungsfähiger, servicefreundlicher und wartungsarmer Weise gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Diese Lösung hat den Vorteil, daß der vakuum- und steuerungstechnische Evakuierungsaufwand gering gehalten werden, die Evakuierungszeiten für die Prozeßkammern minimiert werden, so daß der Bearbeitungsprozeß mit dem Elektronenstrahl praktisch ununterbrochen ausgeführt werden kann.
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Die Prozeßvorkammern sind zwischen der Strahlführungskammer und den Prozeßkammern angeordnet. Die Prozesskammern sind mit zumindest einer Belüftungseinrichtung verbunden. Diese Anordnung gestattet es eine gewünschte Konditionierung der Prozeßkammern zu bewirken, so daß es möglich ist, eine Ausbreitung von Verunreinigungen aus den Prozeßkammern in Richtung der Elektronenstrahlerzeuger praktisch auszuschließen.
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Die Elektronenstrahlerzeugereinheit und die sich hieran in Richtung der Prozeßkammern anschließende Strahlführungskammer sind über eine gemeinsame Evakuierungseinrichtung miteinander verbunden. Hierdurch wird der steuerungstechnische Aufwand für die Evakuierungsprozesse vermindert.
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Die Prozeßkammern sind mit den Prozeßvorkammern kommunizierend verbunden und weisen die Prozeßkammern eine kommunizierende Verbindung mit zumindest einer Belüftungseinrichtung auf, durch die eine Belüftung der Prozeßkammern und ein gerichteter Luft- und Teilchenstrom in Richtung der Prozeßkammern erzeugt werden kann, so daß die Verschmutzung der Vakuumventile, der Strahlführungskammer und der Elektronenstrahlerzeugereinheit durch Verdampfungsprodukte oder Materialpartikel aus dem Elektronenstrahl-Behandlungsprozeß in den Prozeßkammern im wesentlichen vermieden ist. Vorzugsweise bildet jede Prozeßkammer mit ihrer zugehörigen Prozeßvorkammer eine Prozeßkammereinheit, und sind diese Prozeßkammereinheiten unabhängig voneinander evakuierbar oder belüftbar. Hierdurch wird eine kontinuierliche Arbeitsweise der Behandlungseinrichtung erleichtert.
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Vorzugsweise ist jeder Prozeßkammereinheit, die vorzugsweise aus einer Prozeßvorkammer und der für die Werkstückbehandlung vorgesehenen Prozeßkammer besteht, eine Evakuierungseinrichtung zugeordnet, die über ein verzögerungsarmes Ventil mit derselben verbunden ist. Die selbständigen Evakuierungseinheiten der Prozeßkammern und zugehörigen Prozeßvorkammern können sowohl wechselseitig als auch gleichzeitig einer Evakuierungseinrichtung für den Elektronenstrahlerzeuger und die Strahlführungskammer zugeschaltet werden. Durch den Einsatz eines verzögerungsarmen, schnellen Ventils ist die Evakuierungseinheit praktisch ständig betriebsbereit und ermöglicht äußerst kurze Evakuierungszeiten für die Prozeßkammer und die Prozeßvorkammer.
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Vorzugsweise sind Strahlführungskammer und/oder die Prozeßvorkammer mit einer vorzugsweise durch eine Parallel-/Schwenkeinrichtung gelagerte Tür verschließbar. Durch diese Lösung sind die Strahlführungskammer und die Prozeßvorkammern zu Service- und Wartungsarbeiten leicht zugänglich.
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Nach noch einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind im Bereich des Strahlablenksystems für den Elektronenstrahl und/oder der Vakuumventile und/oder der Prozeßvorkammern und/oder der Prozeßkammern insbesondere austauschbar angeordnete Blechabdeckungen oder Blechauskleidungen als Verunreinigungs-Schutzvorrichtungen vorgesehen. Auf diese Weise ist eine störsichere Arbeitsweise der Einrichtung sichergestellt.
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Vorzugsweise sind ferner steuerbare Ventilsitzabdeckungen für die Ventilsitzflächen der Vakuumventile vorgesehen, die die Vakuumdichtflächen der Strahlführungskammer bei geöffneten Ventilen schützen, vorzugsweise ist diese Einrichtung am Ventilschieber vor gesehen und es ist eine formschlüssige, flächenberührende Kraftübertragung gewährleistet.
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Vorzugsweise ist eine abgesetzte Ventilsitzabdeckung am Ventilschieber für eine schlupffreie Bewegung der Dichtelemente vorgesehen und werden die Vakuumventile unter Betriebsbedingungen mechanisch verriegelt. Auf diese Weise kann auch beim Belüften der Prozeßkammern das Vakuum in der Strahlführungskammer beibehalten werden.
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Weitere, bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den übrigen Unteransprüchen dargelegt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
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1 eine Elektronenstrahl-Behandlungseinrichtung in schematischer Darstellung und in einer Draufsicht, teilweise im Längsschnitt,
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2 eine vergrößerte Darstellung des in Längsschnitt in 1 dargestellten Bereiches von Strahlführungskammer, Prozeßvorkammern und Prozeßkammern, und
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3 eine Teil-Darstellung der Elektronenstrahl-Behandlungseinrichtung im Bereich der im Längsschnitt dargestellten Strahlführungskammer, Prozeßvorkammern und Strahlführungskammern in einer gegenüber 2 um 90° gedrehten Darstellung (Seitenansicht im Längsschnitt).
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Die Einrichtung zur Behandlung von Werkstücken mit Elektronenstrahlen, insbesondere zum Schweißen, Härten oder Umschmelzen von Nocken- oder Kurbelwellen, die hierzu in nachfolgend noch genauer erläuterte Prozeßkammern deren Behandlungseinheit eingesetzt und mit einem Elektronenstrahl behandelt werden, weist nach 1 eine Elektronenstrahlerzeugereinheit mit einem Elektronenstrahlerzeuger 1 mit einer Vakuumstufe in einer Strahlerzeugerbaugruppe 1a und mit einer Vakuumstufe in einer Mittelbaugruppe 1b der Strahlerzeugereinheit 1 auf. In der Strahlerzeugerbaugruppe 1a wird ein Elektronenstrahl 7 erzeugt und im wesentlichen in Längsachsrichtung der Behandlungseinrichtung geführt. Im Bereich der Mittelbaugruppe 1b ist ein Vakuumventil 24 vorgesehen, das mit einer Evakuierungseinrichtung 19 verbunden ist, die Evakuierungspumpen 19a, 19b mit zugehörigen Ventilsteuereinrichtungen 19c aufweist und die einerseits mit der Mittelbaugruppe und andererseits mit der Strahlerzeugerbaugruppe 1a kommunizierend verbunden sind. Ein Unterteil 1c der Elektronenstrahlerzeugereinheit weist elektronenoptische Systeme zur Strahlführung, Strahlmodellierung und Strahlablenkung auf. In Strahlrichtung eines Elektronenstrahles 7 schließt sich an die Elektronenstrahlerzeugereinheit 1, eine Strahlführungskammer 2 mit einem Strahlablenksystem 3 an, die ihrerseits durch unabhängig von einander arbeitende Vakuumventile 4, 4' im Ablenkbereich des Elektronenstrahles 7 abgeschlossen wird.
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An die Strahlführungskammer schließen sich, über die Vakuumventile 4, 4' kommunizierend mit dieser verbindbar, Prozeßvorkammern 17, 17' an, die voneinander getrennt sind und jeweils mit einer eigenen, unabhängig steuerbaren Belüftungsvorrichtung 12, 12' verbunden und durch diese belüftbar sind. Die Prozeßvorkammern stehen im Ablenkbereich des Elektronenstrahles 7 kommunizierend mit unabhängig voneinander evakuierbaren Prozeßkammern 5, 5' in Verbindung, die (hier nicht gezeigte) Werkstückaufnahmen, Abdeckbleche 13, 23, 23' sowie Abweisern 14, 18 von Prozeßverunreinigungen versehen sind.
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Das Strahlablenksystem 3 ist von Innen an einer Unterseite einer oberen Abschlussplatte der Strahlführungskammer 2 montiert. Die Strahlführungskammer 2 ist eine Schweißbaugruppe. Elektronenstrahlerzeugereinheit 1 und Strahlführungskammer 2 sind zwei voneinander unabhängige Baugruppen. Sie bilden daher auch keine untrennbare Einheit und sind mechanisch und elektrisch voneinander unabhängig und trennbar.
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Die beiden unabhängig steuerbaren Vakuumventile 4, 4' in der Strahlführungskammer 2 schließen diese mittels einer Verriegelungsvorrichtung 15 gegen den äußeren Luftdruck mechanisch ab und verschließen die Strahlführungskammer 2 vakuumdicht.
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Die voneinander unabhängig arbeitenden Vakuumventile 4, 4' sind in der Strahlführungskammer 2 derart ausgebildet bzw. angeordnet, daß sie im Ablenkfeld der Strahlablenkeinheit 3 angeordnet sind, und daß das Energiefeld jedes Elektronenstrahles 7 bei einer Offenstellung eines Ventilschiebers 9, 9' der Vakuumventile 4, 4' in jede der Prozeßkammern 5, 5' geführt werden kann. Für eine Ventilanlagefläche an der Unterseite der Strahlablenkkammer 2 ist im geöffneten Zustand eine mechanisch steuerbare Ventilsitzabdeckung 6, 6' vorgesehen, um diese vor Verschmutzung zu schützen. Es ist eine formschlüssige und flächenberührende Kraftübertragung gewährleistet. Eine abgesetzte Ventilsitzabdeckung 6, 6' an den Ventilschiebern 9, 9' der Vakuumventile 4, 4' ermöglicht eine schlupffreie Bewegung von Dichtelementen. Die Vakuumventile 4, 4' werden unter Betriebsbedingungen durch die Verriegelungseinrichtung 15 mechanisch verriegelt. Dadurch wird beim Belüften der Prozeßkammern 5, 5' das Vakuum in der Strahlführungskammer 2 aufrechterhalten.
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Die Strahlführungskammer 2 ist an ihrer Vorderseite mit einer Tür 8 versehen, die über Winkelscharniere gehalten wird. Durch paralleles Abheben der Tür 8 und Verdrehen derselben um ca. 180° werden Service und Wartung der Strahlablenkkammer gewährleistet. Die Ventile 4, 4' sind als komplette Baugruppe durch Lösen von Verbindungselementen an der Rückseite der Strahlablenkkammer 2 demontierbar. Die Wartung der Vakuumventile 4, 4' kann somit in einfacher Weise außerhalb der Behandlungsanlage durchgeführt werden. Eine Teilmontage der Vakuumventile 4, 4' im eingebauten Zustand ist durch Lösen von Verbindungselementen am Ventilschieber 9, 9' möglich. Dadurch können Vakuum-Abdichtelemente und die Abdeckbleche 23, 23' entnommen, gereinigt und wieder eingesetzt werden.
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In 2 ist das linksseitige Vakuumventil 4' in geöffnetem Zustand gezeigt, wobei der Elektronenstrahl 7 durch dieses hindurch in die Prozeßkammer 5' fällt, während das rechtsseitige Vakuumventil 4 in 2 in Teilschnittdarstellung und in geschlossenem Zustand dargestellt ist.
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3 zeigt die Schnittdarstellung durch das in 2 linksseitige Vakuumventil 4'.
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Wie 3 verdeutlicht, erfolgt die Steuerung des Ventilschiebers 9 bzw. 9' über eine Bewegungseinrichtung 30 in Verbindung mit an dem Ventilschieber 6 bzw. 6' angreifenden Übertragungselementen 9, 10. Das Vakuumventil 4, 4' wird durch eine gesteuerte Gleitbewegung des Ventilschiebers 9 bzw. 9' geöffnet oder zum Verschluß der Strahlablenkkammer 2 geschlossen.
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Die Vakuumventile 4, 4' sind als komplette Baugruppe durch Lösen von Verbindungselementen an der Rückseite der Strahlablenkkammer 2 demontierbar. Der Service wird außerhalb der Einrichtung durchgeführt. Eine Teilmontage der Vakuumventile 4, 4' im eingebauten Zustand ist durch Lösen von Verbindungselementen am Ventilschieber 9, 9' möglich. Dadurch können die Vakuum-Abdichtelemente und die Abdeckbleche 23, 23' entnommen, gereinigt und wieder eingesetzt werden. Eine vakuumtechnische Steuerung der Behandlungseinrichtung ist so ausgebildet, daß der elektronische Strahlerzeuger 1 und die Strahlablenkkammer 2 über die gemeinsame Evakuierungseinrichtung verbunden sind. Die Prozeßkammer 5, 5' und die Prozeßvorkammer 17, 17' sind mit selbständigen Evakuierungseinheiten 11, 11' konzipiert, die sowohl wechselseitig als auch gleichzeitig der Evakuierungseinrichtung 19 für den Elektronenstrahlerzeuger 1 und die Strahlablenkkammer 2 zugeschaltet werden können. Die Evakuierungseinheit 11, 11' ist durch den Einsatz eines äußerst schnellen Ventils 21, 21' ständig betriebsbereit und ermöglicht äußerst kurze Evakuierungszeiten für die Prozeßkammer 5, 5' und die Prozeßvorkammer 17, 17'.
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Im Abstand vom Strahlablenksystem 3 sind zumindest zwei Prozeßkammern 5, 5' derart angeordnet, daß der abgelenkte Elektronenstrahl 7 durch die Vakuumventile 4, 4' in Bezug auf die Achse des Elektronenstrahlerzeugers 1 schräg in die Prozeßkammer 5, 5' gelangt. In der Strahlablenkkammer 2 ist ein Auswertesystem 16 zur automatischen Strahllageauswertung für geringe Strahlleistung (max. 600 W) angeordnet. Damit wird gewährleistet, daß die Strahllage für die Prozeßführung kontrolliert und optimal geregelt werden kann. Es wird ferner bevorzugt, die Elektronenstrahlparameter online automatisch zu überwachen und automatisch zu regeln. Zum Einrichten der Behandlungsanlage werden vorzugsweise die Abdeckbleche 14 aus den Prozeßkammern 5, 5' entnommen und durch eine Elektronensensorik 20 ersetzt. In den Prozeßkammern 5, 5' werden die mit dem Elektronenstrahl 7 zu bearbeitenden Werkstücke aufgenommen.
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Es erfolgt online eine automatische Strahlenlage- und Parametereinstellung zur Symmetrierung des abgelenkten Elektronenstrahles 7 in Bezug auf die mechanische z-Achse des Elektronenstrahlerzeugers 1. Die Strahlenlage des Elektronenstrahles 7 wird bezüglich der z-Achse des Elektronenstrahlerzeugers 1 mit einem maximalen Strahlstrom von 10 mA symmetriert. Durch diese Anordnung und die vakuumtechnische Steuerung der Behandlungseinrichtung ist eine Elektronenstrahlbearbeitung der Werkstücke gewährleistet, bei der während der Beaufschlagung eines Werkstückes (hier nicht gezeigt) in einer der Prozeßkammern 5, 5' die jeweils andere Prozeßkammer 5', 5 mit einem neuen Werkstück beschickt und evakuiert werden kann. Die Prozeßzeiten für die Beschickung der Prozeßkammern 5, 5' der Evakuierung und dem Herstellen der Betriebsbereitschaft sind so bemessen, daß der Bearbeitungsprozeß mit dem Elektronenstrahl 7 in der Behandlungseinrichtung ununterbrochen ausgeführt werden kann.
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Es ist vorteilhaft, wenn eine Belüftung der Prozeßkammern 5, 5' über eine Prozeßvorkammer 17, 17' in Richtung der Prozeßkammer 5, 5' erfolgt. Dadurch wird ein gerichteter Luft- und Teilchenstrom in Richtung zur Prozeßkammer 5, 5' hin erzeugt und die Verschmutzung der Vakuumventile 4, 4' und der Strahlablenkkammer 2 einschließlich des Elektronenstrahlerzeugers 1 wird vermieden.
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Es ist ferner vorteilhaft, für den Elektronenstrahlerzeuger 1 mit einem sehr guten Vakuum in der Strahlerzeugerbaugruppe 1a zu arbeiten und in der Mittelbaugruppe 1b mit einem schlechteren Vakuum von 5 × 10–5 mbar zu arbeiten. Dadurch wird erreicht, daß die mittlere freie Weglänge von Teilchen im Strahlerzeugerraum aufgrund des sehr guten geometrischen und vakuumtechnischen Bedingungen groß ist und positiv auf die Prozeßzuverlässigkeit wirkt.
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Zur Vermeidung des Bedampfens und des Verschmutzens sind die Baugruppenablenksysteme 3, Vakuumventil 4, 4', Prozeßvorkammer 17, 17' und Prozeßkammer 4, 4' mit leicht auswechselbaren Blechkörpern ausgekleidet und bedeckt. Die Blechkörper (Abweiser) 14 haben eine Öffnung für den Strahldurchtritt und wirken als Abdeckbleche und Abweiser von Prozeßverunreinigungen. Das Ablenksystem 3 wird durch das hier beiderseits vorgesehene Abdeckblech 13 (in 2 ist nur eines gezeigt) geschützt, die Vakuumventile 4, 4' werden durch die Abdeckbleche 23, 23' geschützt, die Prozeßvorkammer 17, 17' wird durch den Abweiser 18 geschützt und die Prozeßkammer 5, 5' durch den Abweiser 14, und zwar von Prozeßverunreinigungen.
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Die Strahlablenkkammer 2 und die Prozeßvorkammer 17, 17' sind durch vakuumdichte Türen 8, 22, 22' verschlossen. Die Türen sind mit Winkelscharnieren befestigt und können bei Service und Wartung parallel abgehoben und um 180° weggeschwenkt werden.
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Da die Prozeßkammer 5, 5' und die Prozeßvorkammer 17, 17' über unabhängige Evakuiereinheiten 12, 12' evakuierbar sind, sind in Verbindung mit dem schnellen Vakuumventil 21, 21' die Prozeßkammer 5, 5' und die Prozeßvorkammer 17, 17' in kürzester Zeit betriebsbereit. Die Strahlführungskammer 2 und der Elektronenstrahlerzeuger 1 mit der Strahlerzeugerbaugruppe 1a, der Mittelbaugruppe 1b und dem Vakuumventil 24 sowie dem Unterteil 1c sind über die gemeinsame Evakuiereinheit 19 evakuierbar. Die Abdeckbleche 14, 18 schützen die Strahlablenkkammer 2, die Prozeßvorkammer 17, 17' und die Prozeßkammer 5, 5' vor Verunreinigungen. Das Abdeckblech 14 (Abweiser) wird über die Prozeßkammer 5, 5' eingebracht. Es ist aber vorzugsweise nicht entlang des gesamten Umfanges angeordnet. Das Abdeckblech 14 (Abweiser) wird nur bei der Verwendung der Behandlungseinrichtung in der Serienproduktion eingesetzt.
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Die Anwesenheit der Prozeßvorkammern 17, 17' ermöglicht das Belüften der Prozeßkammern 5, 5' mit einem gerichteten Luft- und Teilchenstrom in Richtung der Prozeßkammern 5, 5'. Damit wird verhindert, daß loses Schmelzmaterial in die Vakuumventile 4, 4', in die Strahlführungskammer 2 oder in den Elektronenstrahlerzeuger 1 gelangt. Die Prozeßvorkammern 17, 17' sind mit zwei vakuumdichten Türen 22, 22' versehen, die zur Gewährleistung von Service und Wartung über Winkelscharniere parallel angehoben und um 180° verschwenkt werden können.
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Für den Einrichtebetrieb der Behandlungseinrichtung werden die Abweiser bzw. Abdeckbleche 14 entnommen. Zur automatischen Strahlvermessung in den Prozeßkammern 5, 5' wird eine Elektronensensorik 20 eingebracht. Mit dieser Sensorik wird die Strahllage und die Strahlform bei geringem Strahlstrom (maximal 10 LSM A) gemessen und gesteuert. Nach der Justierung des Elektronenstrahles 7 wird die Elektronensensorik 20 entfernt und das Abdeckblech (Abweiser) 14 eingesetzt.
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Die Prozeßkammern 5, 5' sind in einem gemeinsamen Gehäuse ausgebildet und bilden eine Einheit. Die Prozeßkammern 5, 5' sind unter Berücksichtigung der allgemeinen technischen Forderung nach einem Null-Rezipienten für Serienanlagen in ihrer Geometrie und in ihrem Volumen dem zu behandelnden Bauteil (Werkstück) – hier nicht gezeigt – angepaßt.
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Die Strahlparameter des Elektronenstrahls 7 werden online überwacht und geregelt. Elektronenstrahlerzeuger 1, Strahlführungskammer 2 und die Prozeßvorkammern 17, 17' sind aus austenitischem Edelstahl gefertigt und gegen äußere, elektromagnetische Störfelder aus der Umgebung mit einem Faradaykäfig 25 umgeben bzw. abgeschirmt.
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Durch die solchermaßen ausgerüstete Behandlungseinrichtung ist eine hohe Zuverlässigkeit und Effizienz (unterbrechungsloser Betrieb) gewährleistet, zugleich ein besonderer Schutz der empfindlichen Strahlerzeugereinheit durch die abweisenden Abdeckbleche 14 in den Prozeßkammern sowie die übrigen Abdeckbleche 23 und 13 erreicht.
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Durch die vakuumtechnische Unterteilung können Totzeiten im Betrieb der Anlage weitgehend vermieden werden, bei zugleich verbesserter Anlagensicherheit und robuster Stabilität der Elektronenstrahlbehandlung.
