DE1515249A1

DE1515249A1 - Vorrichtung zum Bearbeiten von Materialien mittels eines Ladungstraegerstrahls

Info

Publication number: DE1515249A1
Application number: DE19641515249
Authority: DE
Inventors: Niedzielski Robert Mitchel
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1963-11-26
Filing date: 1964-11-25
Publication date: 1969-09-18
Also published as: SE322959B; FR1421648A; GB1058568A; NL6413696A; US3171943A; BE656191A; CH436505A

Description

DIpI. Ing. F. Weiskmann, Dr. Ing. A. Weickman

Di,'il. Ing.U.IV icxn^nn, Dip!. Phys. Cr.K.Fincke I O I b £ H J

8 :.iii!,c!!sri 27, filübisiraße 22

United Aircraft Corporation, 400 frain |Si aast Hartford, Connecticut, U.S.A.

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Vorrichtung sura Bearbeiten von Materialien mittels eines Ladungsträgerstrahls

Priorität: Vereinigte Staaten von Amerika Patentanmeldung vom 2ό. November 1963, Serial ITo. 325,929

Die Erfindung bezieht sich auf die Bearbeitung von Materialien, mittels eines Ladungsträgerstrahles. Insbesondere betrifft die Erfindung die Durchführung von Arbeiten, wie Schv/eissen, Schneiden, Schmelzen, Verdampfen oder Verarbeiten irgendeines Materials mit einem Elektronenstrahl.

Vorrichtungen, welche die kinetische Energie eines Elektronenstrahles zur Bearbeitung eines Materials ausnutzen, sind im Handel erhältlich. Diese Vorrichtungen sind allgemein als Elektronenstrahl-Maschinen bekannt.Die deutsche Patentschrift 1,087,295 von Carl Zeiss zeigt eine solche Maschhe. Diese Maschinen arbeiten durch die Erzeugung eines starkgebündelten Elektronenstrahles. Der Elektronenstrahl ist ein Werkzeug zum Schweissen, Schneiden und Bearbeiten,

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welches praktisch keine Hasse, aber eine grosse kinetische Energie besitzt infolge des hohen Bewegungsmomentes, die den Elektronen erteilt wird» Die Übertragung dieser kinetischen Energie auf die Gitterelektronen des Werkstückes erzeugt höhere Gitterschwingungen, welche eine Erhöhung der Temperatur "im Auftreffbereich bewirkt, die r:ur Arbeitsvei richtung ausreicht. Zur Erzielung des tiefen Eindringens eines Elektronenstrahles in das Werkstück ist es gemäss der erwähnten Patentschrift von Carl Zieiss er for tie:.· lieh, dass die Temperatur des Werkstückes an dem Auftreffpunkt des Strahles so gross wird, dass wenigstens ein Teil des Materials verdampft, d.h. ein tiefes Eindringen kann nur durch eine wenigstens teilweise Verdampfung des Werkstückmaterials erreicht werden.

Su den Vorteilen der Anwendung eines Elektronenstrahles o. dgl. gehört die trägheitslose Steuerung und die grosse Energiekonsentrierung. Bis kürzlich wurden diese \7orteile etv/a durch den Umstand aufgehoben, dass die Arbeitsverrichtungen mittels eines Elektronenstrahles in einer evakuierten Kammer durchgeführt werden mussten. Das Arbeiten unter Abwesenheit von Gas wurde aus verschiedenen Gründen als notwending angesehen. Erstens kann jedes Gas, welches den nu bearbeitenden Materialbereich umgibt, absorbiert v/erden

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und hierdurch sura Hervorrufjen von Verunreinigungen uncUnregelrnässigkeiten des Werkstückes führen. Ausserdem und schwerwiegender verursacht die Anwesenheit von Gas die Streuung und Ausweitung des Elektronenstrahles und verhindert hierdurch die genaue Bündelung und hohe Leistungsdichte oder Intensität, welche notwendig ist, um an einer 'bestimmten Stelle Arbeit zu verrichten ohne dass das benachbarte Material durch Wärmeleitung beeinflusst wird. Das durch diese Streuung aufgeworfene Problem wirdveiterhin durch die Wolke von verdampftem Material, das vom Werkstück ausgeht, erschwert. Einsu kommt, dass der Betrieb einer Slektronenquelle in einem Vakuum von weniger als IO "' Torr die Überschlags eigenschaften verbessert und die Lebensdauer des I-Ieisdrahtes erhöht.

•/ie vorher erwähnt, musste wegen der genannten Probleme, früher das bearbeiten von Material mit einem Ladungsträgerstrahl in einer evakuierten Bearbeitungskammer durchgeführt werden. Dies hat einen gan:2 erheblichen Nachteil dadurch 3ur Folge, dass die .-J-JiICS sungen c-.cn Stückes, welches'mit dem Strahl bearbeitet worden kann, durch CLc A?:;;ac3sungen der Kammer begrenzt sind. :.'"r kleinere '..'eile ist diese Beschränkung annehmbar, aber unangenehm, l-'ür bo.oom'Jors grosso Teile sind die Kosten für die /akuuukaramer t.i.vid <-io Tacreliör irren Pumpen so erheblich, dass der .orbeitsvorgarn/ in der ilegel \/irtschaftlich undurchführbar v/ir-rä.

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Mit diesem Problem geht die Unannehmlichkeit des Zeitaufwandes zum Leerpumpen der Arbeitskammer nach jedem neu eingeführten Werkstuck in Hand.

Für den Fachmann wurde es klar ι dass in Fallen, bei denen Verunreinigung des Werkstückes kein äusserst kritisches Problem bedeutete/ Mittel gefunden werden müssten/ um den Elektronenstrahl aus dem evakuierten Behälter, in dem er erzeugt werden muss, zu bringen, um den vorerwähnten Problemen und Nachteilen gerecht zu werden. Hierzu sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen und in einzelnen Fallen angewandt worden. Jedoch haben diese bekannten Verfahren, mit einer einsigen Ausnahme, zu geringen Erfolgen geführt, weil sie stets eine ausserordentliche Streuung der Strahlen bei der verhältnismässig hohen Energiekonzentration zur Folge haben, die für das Bearbeiten von Materialien erforderlich ist. In den meisten der bekannten Anwendungsfällen, trifft der Strahl durch eine kleine Öffnung auf das Vierkstück. Vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit gesehen, muss die Strahlaustrittsöffnung klein sein, um das Entweichen von Gas in dem Stahler seugerbereich zu verringern und somit die Abmessungen und die entsprechenden Kosten für die notwendige Vakuumeinrichtung zu mindern. Ausserdem muss die Strahlaustrittsöffnung, zur Verminderung dessen Abschwächung oder zur Verringerung der Länge des Weges, welchen der Strahl durch die gasförmige Atmosphäre

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zurücklegen muss,, verhältnismässig nahe am V7erkstück gelegen sein. Infolge der ausserordentlich hohen Leistungsdichte oder Intensität beim Schweissen, Schneiden, Schmelzen, Verdampfen oder Bearbeiten von irgendeinem Material mit einem Ladungsträgerstrahl, werden von der Auftreffstelle des Strahles auf dem Werkstück sowohl Dämpfe als auch Spritzer.ausgesandt. Diese Teilchen und Dämpfe neigen dazu sich anzusammeln, was schnell das Verstopfen der kleinen,angrenzend gelegenen Strahlaustrittsöffnung zur Folge hat.

Die vorliegende Erfindung löst das obenbeschriebene Verstopfungsproblem, in dem sie ein neues Selbstreinigunssystem für die Strahlaustrittsöffnung be'schafft, welches bei jedem der bekannten Verfahren angewandt v/erden kann, um einen Ladungsträgerstrahl von einer niedrigen in eine höhere Druckzone weiterzuleitcn.

Es ist ein Gegenstand der Erfindung, Material in eine Gasatmosphäre mit einem Ladungsträgerstrahl zu bearbeiten und das Verstopfen der öffnung zu verhindern, durch welche der Ladungsträgerstrahl auf das Werkstück geführt wird, durch Vorsehung eines schützenden, umhüllenden inerten Gases.

Diese und andere Merkmale der Erfindung werden durch die Zuführung eines Gasstromes erreicht, welche auf solche

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Weise quer durch die Strahlaustrittsöffnung gelenkt wird, dass die vom Auftreffpunkt des Strahles auf den Werkstück ausgosandten Dämpfe und 3 pr ils er von der öffnung weggeschwemmt werden und das Werkstück mit diesem Gas umhüllt wird.

Die Erfindung und ihre sahireichen Vorteile werden in Verbindung mit der Zeichnung besser verständlich. In der Zeichnung ist der Elektronenstrahlgenerator mit 10 angegeben. Die Erfindung vermeidet die Notwendigkeit der Anwendung einer evakuierten arbeitskammar / ähnlich wie s.u. die Kammer ?A na^h ;?igu-; Idas obengenannten Carl ¹^eiss Patentes bei der bearbeitung von hatorialien mit einen intensiven Ladungsträgerstrahl. Wie es 'begannt iuK^! durch ti eic Jv'.vl iiaii.;^; Patent geneigt ist, enthält dor illokt.vonenstrahlgenerator 10 nicht gezeigte Mittel, '^ur Elektronenemission/ zur Bündelung des Elektronenstrahles und zur Beschleunigung des Strahles gegen das Werkstück. Der im Generator 10 gebildete Strahl ist bei 12 angegeben. Das Werkstück, welches s.B. aus 2v;ei ebenen Platten 'besteht, die durch eine Schweiosnaht miteinander verbunden v/erden sollen, ist bei 14 gezeigt. Das Werkstück 14 befindet sich im üblichen i'all in einer Ätraosphäre oder einen Bereich von verhältnisinässig hohem Druck» Pi. Der Elektronenstrahlgenerator 10 wird luftleer gemacht und auf niedrigem Druck P2 mittels nicht gezeigter Absaugungspumpen gehalten. Der in dem Generator 10 erzeugte

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Strahl wird auf das Werkstück durch eine magnetische Linse fokussiert, welche von einer veränderlichen nicht aufgezeichneten Stromquelle gespeist wird. Der Elektronenstrahl wird in dem Generator 10 nach untenhin beschleunigt und tritt aus diesem durch eine Öffnung Io aus.

OLschon nicht auf eine spezielle .?mwe?.idung begrenzt wird die Jrxindung in Zusammenhang mit den bisher: erfolgreicheren, bekannten Verfahren einen ungeschwächten Ladungsträgerstrahl aus einer evakuierten Kammer herauszuführen ohne dass ein :su grosser Verlust durch iSinfHessen des umgebenden Gases in die Kammer entsteht !beschrieben. Sin solches Vei~fahren ist Gegenstand unserer .Anmeldung Hr. U 10 2O9 7IIId/21h. Dieses bekannte Verfahren enthält ein zwischen dem v/erkstück 14 und dem 21ektrononstrahlgenerator 10 gelegenes Gehäuse oder uurahgangsweg, welche Kittel 20 vorsehen, die sich inwendig gegenüberliegende \;nr_öflachen 22 und 24 aufweisen. Die Flächen 22 und 24 sind gegenüber Oe.:: Strahlaire 12 so angeordnet,daas sie einen Gasleitungsr.;u::chlass 2b hierzu bilden. Das einlassende des Durchlasses 2j ist mit einer quelle von Abdichtgas 2S verbunden, die im üblichen Fall ein inertes Gas wie E.B. trockenes Stickstoffgas unter Druck P 3 enthält. Der Durchlass 2υ endet in einer Strahlkammer, welche eine Strahldurchlassöffnung 29 aufweist. Diese Öffnung fluchtet mit der oberhalb davon liegenden Öffnung 18.

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Zur sicheren Verhinderung eines Entweichens des Dichtgases von der Quelle 28 oder des Umgebungsgases, welches das Werkstück 14 umgibt, in den. Elektronenstrahlgenerator IO , ist es erforderlich, dass der Druck des Dichtgases im Bereich der Strahldurchgangsöffnung 29 in der Wand 22 ausserordentlich gering ist, oder

dem Druck
es soll dieser Druck/gleich sein, welcher an der öffnung IB durch die Vakuumpumpe aufrecht erhalten wird. Zur Erreichung dieses niedrigen Druckes ist eine Düse vorgesehen, um die Geschwindig-.keit des Gasstromes zu erhöhen. Hierzu wirken die Wandflächen 22 und 24 zur Bildung von zusammenlaufenden und auseinanderlaufenden Abschnitten einer Überschalldüse mit einem daswischenliegenden Hals 30 zusammen. Der Druck der Quelle 28 ist ausreichend um einen Fluss mit Überschallgeschwindigkeit in dem auseinanderlaufenden Durchlas sv/egabschnitt unterhalb des Halses 30 quer durch die öffnung 29 zu ergeben. Wie es gezeigt ist, ist der Auslasstrom im allgemeinen quer zur Achse des Strahles 12 gerichtet, um eine gasförmige Dichtung durch die öffnung 29 zu ergeben und so das Entweichen von Gas in den Generator 10 zu verhindern.

Infolge des Auftretens eines Stromes mit Überschallgeschwindigkeit verursacht durch die Ausdehnungsflächen oder den auseinanderlaufenden Teil der oberen Viand 22 unterhalb des Halses und der Druckoberfläche oder den weitgehend zusammenlaufenden Teil der unteren Wand 24 unterhalb des Halses 30 ist der Strom-

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querschnitt längs der Achse des Strahles 12 folgender: Ausdehnungswellen, welche von der Fläche 22 und insbesondere angrenzend der Oberlippe 32 der öffnung 29 ausgehen, ergeben einen ständig sinkenden Druckbereich in einer Stromrichtung nach unten oder von rechts nach links, wie es in der Zeichnung gezeigt ist. Der Ladungsträgerstrahl dringt so anfänglich in den Querstrom des Dichtgases in einen Bereich, der einen nicht wesentlich höheren Druck als P2 oder als den im Bereich der öffnung IB bestehenden Druck aufweist» der wie es vorangehend gesagt ist, mittels einer Vakuumpumpe auf einem verhältnismässig geringem DrucJc gehalten wird, aus den vorstehenden Gründen und da bekanntlich es für ein !■'liessmedium mit überschallgeschwindigkeit schwierig ist, starken Ausdehnungsflächen oder Ecken zu folgen, wie sie durch die Oberlippe 32 der öffnung 29 gebildet sindi tritt nur ein geringer Strom nach oben in den evakuierten Strahlgenerator auf. Fortschreitend nach unten längs der Achse 12 von der öffnung 29 sum Bereich der Strahlaustrittsöffnung 34, die sich durch die V/and und das in Strömungsrichtung untenliegende Glied 38 ergibt sov/ie mit der öffnung 29 fluchtet, nimmt der Druck im Mittel fortschreitend au. Ein verhältnismässig grosser Druck im Bereich der öffnung 34 ergibt sich durch den ständigen Anstieg des Druckes in dem Querstrom durch die Stosswellen, welche dort auftreten und sich von rechts nach links von dem Verbindungspunkt 36 an der Wand 24 durch die öffnung 34 ergeben. Der verhältnismässig

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hohe Druck im bereich der öffnung 34 infolge dieser Druckwellen verhütet, dass Gas von ausserhalb dos Gehäuses nach oben durch die öffnung 34 strömt.

Bei dem Bearbeiten von Materialien mit einem intensiven Ladungsträgerstrahl fand man, dass die öffnung, durch welche der Ladungsträgerstrahl in den relativ hohen Druckbereich abtritt, dayu neigt, durch die vom bearbeiteten Material ausgehenden Dämpfe und Teilchen au verstopfen. Dies ;:eigt α ich ebenfalls bei dem mit einer Selbstreinigungswirkung· behafteten Querstromöffnungssystem. Ls war deshalb notwendig Mittel zu ersinnen, welche Verschmutzung der Strahlaustrittsoffnung beheben und Bruchstückehen von der Austrittsöffnung 34 ablenken ohne dabei die Möglichkeit eines Zusammenstosses zwischen den Elektronen des Strahles und den Gasmolekulen erheblich zu steigern, oder im Falle des Querstromöffnungssystems den Expansions- oder

im Dichtgasstrom Kompressionswellenverlauf/nachteilig zu beeinflussen. Erfindungsgemäss wird vorhergehendes durch die Anwendung eines 'zweiten Gasstromes erreicht, welcher unter einem Winkel zum Elektronenstrahl fliesst. Dieser Hilfsgasstrom wird in einem Winkel zur Strahlachse auf einen Punkt zwischen der Strahlaustrittsoffnung 34 und dem Werkstück 14 gerichtet und lenkt die vom Werkstück ausgehenden Dämpfe und Teilchen von der genannten öffnung weg.

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Zur Erzeugung dieses Hilfsgasstromflusses wird ein zweites Gehäuse oder durch die Mittel 40 bestimmter Durchgang zwischen dem Gehäuse 20 und dem Werkstück angebracht. Die den Durchgang 40 bildende Mittel begreifen zwei inwendig gegenüberliegende Wandflächen 42 und 44, welche den Gasleitungsdurchlass 4o bilden. Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung, laufen die Wandflächen 42 und 44 zusammen um ehe Düse mit dem Hals -4 G zu bilden. Beim Durchfliessen eines Gases von genügend hohem Drude in dem Durchgang 46, wird unterhalb dos Halses 48 ein iJtrom mit Überschallgeschwindigkeit entstehen. Das einlassende des Durchlasses 46 ist durch einen Schlauch oder ein Rohr 50 mit einer Gasquelle verbunden, welche normalerweise einen unter Druck gehaltenen inerten Gas enthält. Die Leitung 50 kann an die yue.lle 28 oder eine getrennte Gasquelle angeschlossen sein. Die ßesten Resultate stellen sich ein, wenn beide Gase sowohl in der Querstromo'f fnung als auch in den Hilfstromleitungen aus leicht wiegenden inerten Gasen bestehen. Die Benutzung eines inerten Gases in der Hilfstromzuleitung ergibt die oben beschriebene vorteilhafte Einhüllung des Werkstückes in eine schützende Atmosphäre. Jedoch ist die .benutzung desselben Gases nicht erforderlich. Im Sinne der Wirtschaftlichkeit kann trockenes Stickstoffgas durch das Querstromoffnungssystem gepumpt und in Flussrichtung gesehen unterhalb der Strahlachse wieder aufgefangen und gesammelt

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werden, während Luft durch den Durchlass 46 gepumpt wird.

Der durch die Öffnung 34 austretende Ladungsträgerstrahl geht nacheinander durch die aufeinander ausgerichteten Öffnungen 52 und 54 in den oberen und unteren Wänden der den Durchgang 40 bildenden Mittel. Auf diese Weise geht der Ladungsträgerstrahl durch den Strom des Hilfsgases. Wegen des relativ hohen Druckes in der Querstromöffnung bei der Öffnung 34, wird kein sich im Hilfstrom befindlichen Gas längs der Strahlachse aufwärts fliessen. Sollte das Hilfsgas Überschallgeschwindigkeit in der zwischen den Öffnungen 52 und 54 liegenden Zone besitzen, so dient die Unfähigkeit des Gases der durch die Oberlippe der Öffnung 52 gebildeten scharfen Ausdehnungsfläche zu folgen, den Verlust dieses Gases aufwärts der Strahlachse zu verhindern. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft falls die vorliegende Erfindung auf bekannte Konstruktionen wie s.B. Druckaufbausysteme angewandt wird, einen Strom mit Überschallgeschwindigkeit des Hilfsgases zu bewirken. Es sei jedoch hervorgehoben, dass dievorliegende Erfindung sich s.B. in Verbindung mit dem sogenannten Querstromöffnungssystem als anwendbar und nützlich erweist, falls das Hilfsgas Unterschallgeschwindigkeit hat. Zum Erreichen der Unterschallgeschwindigkeit sind die Wandflächen 42 und 44 gerade gezogen, um die Einengung 40 zu beseitigen.

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Die in Otromrichtung gesehene untere Lippe 5ö der öffnung 54 ragt in den Strom des Ililfsgases hervor und funktioniert somit als Stromauf teil er. VJie bekannt, wird durch diesen Stromaufteiler eine nach aussen gerichtete Ablenkung des im Durchlass 46 strömenden Gases durch die öffnung 54 bewirkt. Das heisst, die Lippe 5ό ruft eine Stockung im Wege des Hilfsgases hervor und indem sie die ivusgangsöffnung 54 bestimmt, lenkt sie ebenfalls einen Teil des Gasstromes von seinem normalen Strömungspfad ab. Indem man den Angriffswinkel und die Lage der Lippe 5ö ändert, können die Menge und die '.lichtung des nach aussen strömenden Gases eingestellt und gesteuert werden. D s Hilfsgas, welches durch die öffnung 54 nacaatssen strömt, indem es sich in einem Winkel sum Elektronenstrahl fortbewegt, lenkt die vom VJerkstück ausgehenden Dämpfe und Teilchen ab und verhindert sie so am Verstopfen der öffnungen 34, 52 und 54.

Wie aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich, gestattet die Erfindung, die Bearbeitung von Materialien in einer Gasatmosphäre mit einem Ladungsträgerstrahl und löst hierbei gleichzeitig des Problem des Verstopfens der Strahlaustrittsöffnung. Obwohl nur eine bevorzugte Ausfuhrungsform geneigt und beschrieben wurde so sind jedoch verschiedene Abwandlungen und Austauschungen möglich ohne von dem Erfindungsgedanken abzuweichen. So kann z.B. der Winkel under dem das Hilfsgas

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die Strahlachse durchquert von horizontaler, v/ie vorher gezeigt, bis zur fast vertikalen Lage geändert v/erden. Ebenso kann gleichzeitig mehr als eine Düse gebraucht werden, umso ;:,U. das Hilfsgas von mehr als einer dichtung durch die Strahlachse einzuführen. Weiterhin kann das Stromaufteilerelement verschiedene Formen annehmen und im Innern der Hilfsgasdurchlassungsleitung an verschiedene Stellen angebracht v/erden» Gleichfalls kann der Querschnitt des Hilfsgasdurchlasses rund oder viereckig sein. Wie vorher vermerkt, kann die Erfindung bei jeder Vorrichtung benutzt v/erden, die in einer niedrigen Druckzone einen Ladungsträgerstrahl erzeugt und einen solchen Strahl zur Bearbeitung eines in einer relativ höheren Drucksone gelegenen Materials benutzt.

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Bearbeiten von Materialien mittels eines Ladungsträgerstrahles, welcher in einem evakuierten oder unter niedrigem Druck stehenden Strahlgenerator erzeugt wird und durch eine Öffnung des Strahlerzeugers tritt um auf ein ausserhalb des Strahlerzeugers in einer Gasatmosphäre höheren Druckes angeordneten Werkstückes aufzutreffen dadurch gekennzeichnet dass an den Strahlerzeuger angrenzende Mittel vorgesehen sind welche den Durchgang des Strahles erlauben jedoch das Eindringen des Umgebungsgases vom Bearbeitpngsraum in den Strahlerzeuger verhüten und dass weiterhin Mittel vorhanden sind welche die vom Auftreffpunkt des Strahles ausgesandten Teilchen und Dämpfe von der Strahlachse und der Austrittsöffnung weglenken.

2. Vorrichtung zum Bearbeiten von Materialien nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass die zur Ablenkung der Teilchen und Dämpfe vorgesehenen Mittel einen Gasstrom verursachen welcher in der Nähe, der Achse und in einem Winkel dazu ausströmt.

3. Vorrichtung zum Bearbeiten von Materialien nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet dass die zur Ablenkung der Teilchen und Dämpfe vorgesehenen Mittel eine unter Druck stehende Gasquelle und einen Gasleitungsdurchlass mit innen und aussen konvergierenden Wänden zur Bildung einer Düse an der Nähe der Strahlachse begreifen.

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4. Vorrichtung sum Bearbeiten von Materialien nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet dass die Düse so ausgebildet ist/ dass der Gasstrom mit Ultraschall-Geschwindigkeit fliesst.

5. Vorrichtung zum Bearbeiten von Materialien nach Anspruch 2 bis 4 dadurch gekennzeichnet dass die zur Ablenkung der Teilchen und Dämpfe vorgesehenen Mittel so ausgebildet sind dass ein Teilstrom des Gases gegen das Werkstück gerichtet ist.

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