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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden von Werkstücken
mittels eines auf das Werkstück gerichteten und relativ zu diesem in Schneidrichtung
bewegten Ladungsträgerstrahls, bei dem die Leistungsdichte des Ladungsträgerstrahls
so hoch gewählt wird, daß er das Werkstück unter Bilden einer schmalen hocherhitzten
Zone vollständig durchdringt.
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Bei der industriellen Verarbeitung von Blechen, z. B. in der Automobilindustrie
und im Flugzeugbau, besteht vielfach die Aufgabe, Bleche, welche oftmals aus einem
schwer bearbeitbaren Material bestehen, entlang mehr oder weniger krummliniger Schnittlinien
zu schneiden. Beim Werkzeugbau tritt häufig die Aufgabe auf, Teile aus gehärtetem
Stahl oder Haränetall z. B. für Werkzeugteile oder Stanzschnitte zu schneiden. Im
allgemeinen handelt es sich in beiden hier erwähnten Fällen um Materialstärken von
0,5 bis einige Millimeter. Beim Schneiden selbst sind zur Erzielung einer rationellen
Fertigung hohe Schnittgeschwindigkeiten erwünscht.
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Das in den meisten Fällen gebräuchliche stückweise oder fortlaufende
Schneiden mit Scheren verschiedener Art beschränkt sich für eine rationelle Anwendung
weitgehend auf geradlinige Schnittlinien sowie auf das Schneiden von nicht zu hartem
Material.
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Zum Schneiden krummliniger Werkstücke verwendet man im allgemeinen
das mit einer oxydierenden Flamme arbeitende autogene Brennschneiden. Auch die Anwendung
dieses Verfahrens ist begrenzt. Beispielsweise gelten schon die üblichen Chrom-Nickel-Stähle
als schwer schneidbar, und es ergeben sich beim autogenen Brennschneiden dieser
Stähle sehr unsaubere Schnittlinien. Viele Materialien, vor allem Hartmetall, lassen
sich mit diesem Verfahren nicht schneiden. Ein weiterer Nachteil dieses Schneidverfahrens
liegt darin, daß die Wärmewirkung sehr weit in das Material hineinreicht, d. h.,
daß ein großer Materialbereich um die Schneidstelle herum thermisch hoch beansprucht
wird.
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Bessere Leistungen erzielt man bei Chrom-Nickel-Stählen und Nichteisenmetallen
mit der Methode des Schneidens mit dem eingeengten, von einem Schutzgasstrom umgebenen
Lichtbogen, jedoch ist dieses , Verfahren nicht für Hartmetalle geeignet.
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Bekannt ist weiterhin das Schneiden mittels Funkenerosion oder Ulltraschall.
Davon beschränkt sich das erste Verfahren auf metallisch leitende Materialien. Beide
Verfahren arbeiten verhältnismäßig langsam und kommen daher für das schnelle Schneiden
mit großer Schnittlänge kaum in Frage.
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Weiterhin ist es bekannt, mittels eines vorzugsweise intermittierend
gesteuerten Ladungsträgerstrahls Löcher beliebiger Form in Werkstücke zu fräsen.
Es ist auch möglich, dieses Verfahren so anzuwenden, daß Schnittlinien einer größeren
Ausdehnung entstehen. Bei diesem Verfahren wird das Material entlang der Schnittlinie
verdampft, und das dampfförmige Material bewegt sich im wesentlichen entgegen der
Richtung des Ladungsträgerstrahls vom nicht erhitzten Material weg. Durch zweckmäßige
Einstellung der verwendeten Strahlimpulse wird der Fräsvorgang so gesteuert, daß
trotz der hohen Verdampfungstemperatur an der Bearbeitungsstelle die Schmelzeffekte
in deren Umgebung gering gehalten werden. Das geschilderte Verfahren hat sich besonders
bewährt für die Materialbearbeitung in feinen Abmessungen mit hoher Genauigkeit
und besonders geringer Beeinflussung des angrenzenden Materials. Für ein schnelles
Schneiden von Materialstärken bis zu einigen Millimetern, wie sie bei der der vorliegenden
Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe gefordert wird, ist die geschilderte Art der
Materialabtragung weniger geeignet.
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Es ist weiterhin ein Verfahren bekannt, bei dem mittels eines auf
das Material fokussierten, kontinuierlich oder impulsförmig zur Wirkung kommenden
Ladungsträgerstrahls ein Werkstück geschweißt, gebohrt oder gefräst werden kann.
Dabei kann die Intensität des Ladungsträgerstrahls so hoch gewählt werden, daß der
Strahl an der Auftreffstelle unter Bilden einer schmalen hocherhitzten Zone tief
in das Material eindringt und dabei seine Energie entlang der Eindringtiefe an das
Material abgibt und dieses zum Schmelzen bringt. Wie bei diesem bekannten Verfahren
im einzelnen bevorzugt der Ladungsträgerstrahl fokussiert werden soll und wie im
einzelnen der Ladungsträgerstrahl auf das verflüssigte Material einwirken soll,
ist jedoch nicht bekannt.
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Es ist weiterhin bekannt, daß beim Fräsen oder Bohren (nicht aber
beim Schneiden) mit einem Elektronenstrahl, also bei Verfahren, bei denen das bearbeitete
Material schichtweise verdampft und auf diese Weise abgetragen wird, Tröpfchen des
Materials fortgeschleudert werden. Diese Tröpfchen fliegen aber von der Eintrittsstelle
des Strahls in das Material fort, nicht aber werden sie in Strahlrichtung vom Material
fortgeschleudert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem Werkstücke,
auch Hartmetalle, bis zu einigen Millimetern Dicke schnell mit hoher Genauigkeit
geschnitten werden können, ohne daß ein großer Materialbereich in der Nähe der Schnittstelle
thermisch beansprucht wird.
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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ladungsträgerstrahl
so geformt wird, daß sich die Stelle engsten Strahlquerschnitts kurz über der Werkstückoberfläche
befindet, und daß mittels des Ladungsträgerstrahls das entlang der gesamten Werkstücktiefe
verflüssigte Material in Strahlrichtung aus der genannten Zone hinausgeschleudert
wird.
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Das verflüssigte Material spritzt dabei im wesentlichen in Form von
Tröpfchen in Strahlrichtung aus der jeweiligen Schneidstelle heraus, und es entsteht
eine Schnittlinie. Diese ist im wesentlichen parallelwandig begrenzt.
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Im Gegensatz zu dem eingangs beschriebenen Fräsen mit Hilfe eines
Ladungsträgerstrahls erfolgt bei dem neuen Schneidverfahren die Entfernung des Materials
in flüssigem Zustand. Die bei der Bearbeitung ebenfalls in kleinem Maße stattfindende
Verdampfung ist völlig nebensächlich. Die mit dem neuen Schneidverfahren erzielbare
Schnittgeschwindigkeit ist groß, und sie beträgt beispielsweise beim Schneiden eines
1 mm dicken Stahlbleches etwa 10 bis 20 mm/Sek. Im Gegensatz dazu lassen sich bei
dem schon mehrfach erwähnten Fräsen mittels eines Ladungsträgerstrahls nur Schnittgeschwindigkeiten
erzielen, welche bei 1 mm dickem Stahlblech etwa bei 1 mm/Sek. liegen.
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Es läßt sich bereits mit einem entsprechend geformten Dauerstrahl
hoher Leistungsdichte eine Schneidwirkung erzielen. Entscheidend besser ist
jedoch
das erzielbare Ergebnis bei Verwendung eines impulsmodulierten Ladungsträgerstrahls
von großem Tastverhältnis. Dabei wird vorteilhaft die Dauer der Impulse und der
Impulspausen gleich groß gewählt, d. h., es wird mit einem Tastverhältnis von 1:2
gearbeitet. Ein mit Hilfe eines intermittierend gesteuerten Ladungsträgerstrahls
erzeugter Schnitt weist wesentlich glattere Schnittflächen auf als ein Schnitt,
welcher unter Verwendung eines Dauerstrahls geführt wurde. Weiterhin läßt sich bei
Verwendung eines intermittierend gesteuerten Ladungsträgerstrahls die Schnittgeschwindigkeit
noch wesentlich erhöhen. So kann beispielsweise ein Stahlblech von 1 mm Dicke mit
einem Ladungsträgerstrahl einer Beschleunigungsspannung von 145 kV und einem Impulsstrom
von 10 mA mit einer Schnittgeschwindigkeit von 20 mm/Sek. geschnitten werden.
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Versuche haben ergeben, daß optimale Verhältnisse vorliegen, wenn
mit einem impulsgesteuerten Ladungsträgerstrahl eines Tastverhältnisses von 1:2
gearbeitet wird, wobei die Impulsdauer zu etwa 10-3 Sek. gewählt ist. Diese hier
als optimal geschilderten Betriebsverhältnisse sind jedoch, da sie von der Art des
zu bearbeitenden Materials abhängig sind, nur als Beispiel zu verstehen.
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Bei dem neuen Schneidverfahren wird, wie erwähnt, der Ladungsträgerstrahl
so geformt, daß sich die Stelle engsten Strahlquerschnitts kurz über der Werkstückoberfläche
befindet. Beträgt der Arbeitsabstand, d. h. der freie Raum zwischen Werkstückoberfläche
und Unterkante der Fokussierungslinse, z. B. 60 mm, so wird diese Linse so eingestellt,
daß die Stelle engsten Strahlquerschnitts etwa 10 mm über der Werkstückoberfläche
liegt.
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Zur Herstellung krummliniger Schnittlinien begrenzter Länge wird zweckmäßig
bei ruhendem Werkstück der Ladungsträgerstrahl über dasselbe bewegt. Zur Bewegung
des Ladungsträgerstrahls dienen dabei in an sich bekannter Weise Ablenksysteme,
denen entsprechend geformte Ablenkströme zugeführt werden. In vielen Fällen kann
es auch zweckmäßig sein, den Ladungsträgerstrahl nicht abzulenken und lediglich
das Werkstück zu bewegen. Dabei läßt sich durch eine Programmsteuerung, beispielsweise
durch eine Schablonenführung die Bewegung des das Werkstück tragenden Tisches steuern.
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Zur Herstellung von Schnittlinien mit periodischem Verlauf, z. B.
von wellenförmigen oder zickzackförmigen Schnittlinien, verwendet man vorteilhaft
eine Kombination von mechanischer Bewegung des Werkstückes und elektrischer Strahlablenkung.
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Mit dem neuen Schneidverfahren wurden bisher sehr gute Schneidergebnisse
bei Blechen bis zu 5 mm Stärke erzielt. Es erscheint möglich, mittels des neuen
Verfahrens auch Bleche größerer Dicke schneiden zu können.
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Das neue Schneidverfahren kann universell angewandt werden, so z.
B. zum Schneiden von Stahlblechen verschiedener Zusammensetzung oder auch zum Schneiden
von Blechen aus sehr gut wärmeleitenden Materialien, beispielsweise aus Kupfer und
Silber. Ebenso lassen sich ohne weiteres Hartmetallplatten schneiden. Da bei dem
neuen Schneidverfahren die Wärmewirkung nicht weit in das Material hineinreicht,
d. h., da nur ein sehr kleiner Materialbereich in der Umgebung der Schneidstelle
erwärmt wird, lassen sich auch ohne weiteres Teile aus fertig wärmebehandeltem Material
schneiden. Sollen die ausgeschnittenen Teile nur aus wärmebehandeltem Material bestehen,
so ist es lediglich erforderlich, diese Teile einer leichten mechanischen Nachbearbeitung
zu unterwerfen, bei welcher eine dünne, an die Schnittlinie angrenzende Schicht
entfernt wird.
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Bei den bisher durchgeführten Versuchen ließen sich Schnitte herstellen,
deren Breite einige zehntel Millimeter, z. B. 0,5 mm, betrug.
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Aus den bisherigen Versuchen kann gesagt werden, daß beim Schneiden
der auftreffende Ladungsträgerstrahl eine Leistungsdichte von mindestens 1 MW/cm2
haben muß. Dieser Wert ist jedoch von dem zu schneidenden Material und von der Art
der Steuerung des Ladungsträgerstrahls abhängig.
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Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung werden im folgenden an Hand
der F i g. 1 bis 4 beschrieben. Dabei zeigt F i g. 1 ein Beispiel für eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, F i g. 2 den zeitlichen Verlauf
des Strahlstromes bei intermittierender Steuerung des Ladungsträgerstrahls, F i
g. 3 eine stark vergrößerte Darstellung der vom Ladungsträgerstrahl getroffenen
Materialstelle, F i g. 4 eine mittels des neuen Schneidverfahrens hergestellte Spiralfeder.
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In F i g. 1 ist mit 1 die Kathode, mit 2 der Steuerzylinder und mit
3 die geerdete Anode des Strahlerzeugersystems bezeichnet. Im Gerät 4 wird eine
Hochspannung von beispielsweise 150 kV erzeugt und mittels eines mit einem Erdmantel
versehenen Hochspannungskabels dem Gerät 5 zugeführt. Dieses Gerät besteht aus einer
Vorrichtung 6 zur Erzeugung der regelbaren Heizspannung, einer Vorrichtung 7 zur
Erzeugung von Steuerimpulsen und einer Vorrichtung 8 zur Erzeugung der regelbaren
Steuerzylindervorspannung. Diese Spannungen werden über ein Hochspannungskabel dem
Strahlerzeugungssystem 1, 2, 3 zugeführt.
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Der zeitliche Verlauf der entstehenden Ladungsträgerstrahlimpulse
ist in F i g. 2 wiedergegeben. Wie die Kurve 47 zeigt, werden Impulse erzeugt,
deren Tastverhältnis 1: 2 ist, d. h., Impulsdauer und Dauer der Impulspausen ist
gleich. Die Dauer eines einzelnen Impulses ist dabei vorzugsweise zu 10-3 Sekunden
gewählt.
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In Strahlrichtung gesehen unterhalb der Anode 3 ist eine Blende 9
angeordnet, welche mittels der Knöpfe 10 und 11 in der Papierebene und senkrecht
zur Papierebene bewegt werden kann.
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Nach erfolgter Justierung des intermittierenden Elektronenstrahls
25 fällt dieser durch ein geerdetes Rohr 15 und wird mittels der elektromagnetischen
Linse 20 fokussiert.
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Unterhalb der elektromagnetischen Linse 20 sind zwei Ablenksysteme
23 und 27 angeordnet, welche dazu dienen, den Elektronenstrahl 25 zu bewegen. Mittels
des Ablenksystems 23 wird der Elektronenstrahl 25 zunächst aus seiner ursprünglichen
Richtung abgelenkt und tritt sodann in das Ablenksystem 27 ein. Dieses Ablenksystem
lenkt den Elektronenstrahl 25 so ab, daß er parallel zur Richtung der optischen
Achse auf das Werkstück 26 auftrifft.
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Mittels der Generatoren 21 und 22 werden die zur Versorgung
der Ablenksysteme 23 und 27 dienenden regelbaren Ablenkströme erzeugt. Ein weiteres
Gerät
43 dient zur Stromversorgung der elektromagnetischen
Linse 20. Diese fokussiert den Elektronenstrahl 25 so, daß die Stelle seines
engsten Strahlquerschnitts z. B. 10 mm oberhalb der Oberfläche des Werkstückes 26
liegt.
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Zur Beobachtung des Schneidvorganges dient ein optisches System, welches
die mikroskopische Auflichtbeleuchtung des Werkstückes 26 erlaubt. Dieses System
besteht aus einem Beleuchtungssystem 12, welches paralleles Licht liefert. Dieses
Licht wird über zwei metallische Prismen 13 und 14 auf eine in axialer Richtung
verschiebbare Linse 17 reflektiert und von dieser auf das Werkstück fokussiert.
Unterhalb der Linse 17 ist eine auswechselbare Glasplatte 18 angeordnet, welche
die Linse 17 vor etwaigen Verunreinigungen durch Metalldämpfe schützt. Die Linse
17 wird zusammen mit der Glasplatte 18 mittels eines Knopfes 19 in axialer Richtung
bewegt.
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Das von der Oberfläche des Werkstückes 26 reflektierte bzw. ausgehende
Licht wird durch die Linse 17 parallel gerichtet und über den Spiegel 16 in ein
als Stereomikroskop ausgebildetes Beobachtungssystem 49 gelenkt. In dem geerdeten
Mantel 40 des Gehäuses ist eine Platte 50 aus Röntgenschutzglas angeordnet,
welche den Beobachter vor schädlichen Strahlungen schützt.
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Der Elektronenstrahl 25 tritt durch die Öffnung des Ablenksystems
27 aus dem Gehäuse 40 aus und in den Bearbeitungsraum 24 ein. Dieser
Bearbeitungsraum ist ebenfalls mit einem leitenden Mantel versehen und geerdet.
Weiterhin sind der Bearbeitungsraum 24 und gegebenenfalls Teile des Gehäuses 40
mit Bleiplatten verkleidet, um den Austritt schädlicher Röntgenstrahlung zu vermeiden.
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Im Raum 24 ist das zu schneidende Werkstück 26 auf einem Tisch angeordnet,
welcher die Bewegung des Werkstückes relativ zum Elektronenstrahl erlaubt. Das Werkstück
26 ist mittels eines Spanntisches 29 gehaltert, welcher seinerseits auf einem Tisch
30 angeordnet ist. Zur Bewegung des Tisches 30 in der Papierebene dient ein
Elektromotor 31, welcher über ein Programmiergerät 32 gesteuert ist. Das Programmiergerät
32 dient weiterhin zur Steuerung eines hier nicht dargestellten Elektromotors, welcher
die Bewegung des Tisches 30 senkrecht zur Papierebene bewirkt.
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Die Vorrichtung zum Aufspannen des Werkstückes ist so ausgebildet,
daß das Werkstück gegebenenfalls auch gedreht werden kann.
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Das Programmiergerät 32 enthält beispielsweise Schablonen, welche
über Potentiometer zur Werk tischbewegung dienende Elektromotore steuern.
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Wird der Elektronenstrahl 25 eingeschaltet, so durchdringt er das
Werkstück 26 unter Bilden einer schmalen, hoch erhitzten Zone vollständig. Wie aus
F i g. 3 zu ersehen ist, wird dabei das entlang der gesamten Werkstücktiefe verflüssigte
Material in Strahlrichtung aus dieser Zone hinausgeschleudert, wobei das hinausgeschleuderte
flüssige Material kugelförmige Tröpfchen 33 bildet. Es entsteht auf diese Weise
ein Schnitt 34, welcher die beiden Werkstückhälften 26a und 26b vollständig voneinander
trennt. Die Schnittstelle 34 ist nahezu parallelwandig begrenzt.
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Beim Schneiden des Werkstückes 26 kann man durch das Fenster 28 des
Bearbeitungsraumes 24 das Austreten der flüssigen Materialteile 33 aus der Unterseite
des Werkstückes 26 beobachten. In dem in Fig.1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Spanntisch 29 so ausgebildet, daß zwischen dem Werkstück 26 und dem Tisch
30 so viel Raum bleibt, daß das aus der Werkstückunterseite herausgeschleuderte
flüssige Material sich vollständig verfestigt, ehe es auf den Tisch 30 auftrifft.
Auf diese Weise können bei der Durchführung des Schnittes zugleich kleine Kugeln
aus dem Material des Werkstückes 26 hergestellt werden.
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Zur Herstellung kleinerer Schnitte oder zur Herstellung von Schnittlinien
in Form geschlossener Kurvenstücke bis einige Zentimeter maximale Weite kann der
Tisch 30 stehenbleiben, während der Elektronenstrahl 25 mittels der beiden Ablenksysteme
23 und 27 über das Werkstück 26 geführt wird.
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Zur Herstellung einer Schnittlinie mit periodischem Verlauf wird der
Elektronenstrahl 25 mittels eines der beiden Ablenksysteme 23 oder 27 beispielsweise
periodisch senkrecht zur Papierebene bewegt, während der Tisch 30 mittels des Elektromotors
31 langsam in der Papierebene bewegt wird.
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F i g. 4 zeigt einen Zylinder 35 aus Federstahl, welcher mittels des
Elektronenstrahls 25 entlang der Spirallinie 36 geschnitten wurde. Es entsteht auf
diese Weise eine Spiralfeder, welche den Vorzug aufweist, daß sie an ihren beiden
Enden noch geschlossene Kreise enthält. Auf diese Weise können also Spiralfedern
hergestellt werden, welche ohne vorhergehende Berechnung einen genau vorgeschriebenen
Durchmesser aufweisen.
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Mittels des neuen Bearbeitungsverfahrens gelingt es, in wirtschaftlicher
Weise auch schwer bearbeitbare Materialien zu schneiden. Außerdem gelingt es, krummlinige
Schnitte auch kleiner Abmessungen herzustellen.
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Das neue Schneidverfahren eignet sich in besonders vorteilhafter Weise
zur Herstellung von Stanzschnitten und Schneidwerkzeugen aus Stahl oder Hartmetall
und zur Herstellung von Strangpreßmatrizen. Ferner können mittels des neuen Verfahrens
in einfacher und wirtschaftlicher Weise krummlinig berandete Teile für den Karosserie-
oder Flugzeugbau sowie kleine ausgeschnittene Teile hergestellt werden. Das neue
Verfahren dient weiterhin zur Herstellung von Formteilen oder bearbeiteten Teilen
aus Glas, Ferrit, Keramik, aus carbidierten Schleifmaterialien oder aus Sinteroxyden
usw. Wie schon erwähnt, kann das neue Schneidverfahren auch ohne weiteres zum Ausschneiden
von Teilen aus fertig wärmebehandelten Materialien Anwendung finden.
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Das neue Verfahren zum Schneiden mit Hilfe eines Ladungsträgerstrahls
wurde im Zusammenhang mit den Zeichnungen mit der Verwendung von Elektronenstrahlen
beschrieben. Es ist jedoch auch möglich, an Stelle von Elektronenstrahlen andere
Ladungsträgerstrahlen, wie z. B. Ionenstrahlen, zu verwenden.