DE1565864B1

DE1565864B1 - Method for material processing by means of bundled energy beams

Info

Publication number: DE1565864B1
Application number: DE19661565864
Authority: DE
Inventors: Koenig Dipl-Phys Dr Dieter; Joachim Geissler
Original assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Current assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Priority date: 1965-03-30
Filing date: 1966-04-19
Publication date: 1970-11-19
Also published as: DE1292996B

Description

Das Hauptpatent betrifft ein Verfahren zur Materialbearbeitung mittels gebündelter Energiestrahlen, bei dem auf das von dem bearbeitenden Strahl in seinem Aggregatzustand veränderte, insbesondere geschmolzene Material zusätzliche, vom bearbeitenden Strahl und von gegebenenfalls vorhandenen Ein-Spannkräften unabhängige Kräfte ausgeübt werden.The main patent relates to a method for processing materials by means of bundled energy beams, in which on that of the processing beam in his Physical state changed, in particular molten material additional, dated machining beam and independent of any existing clamping forces Forces are exerted.

Bei der Materialbearbeitung mittels Strahlungsenergie, beispielsweise in Form von scharf gebündelten Elektronenstrahlen, -tritt insbesondere bei abtragenden Bearbeitungsvorgängen, beispielsweise Schneiden, Fräsen oder Bohren, die Schwierigkeit auf; daß das an der Bearbeitungsstelle vom Energiestrahl geschmolzene Material nicht vollständig oder rasch genug aus dem Bearbeitungsbereich entfernt wird. Früher versuchte man diese Schwierigkeit dadurch- zu umgehen, daß man die angewandte Strahlungsenergie so hoch wählte, daß das abzutragende Material mit möglichst hoher Geschwindigkeit verdampfte. Die auf diese Weise erzielten Ergebnisse sind jedoch in vielen Fällen noch unbefriedigend, da das verdampfte Material die Neigung hat, sich in der Nähe des Bearbeitungsbereiches wieder niederzuschlagen. Außerdem sind dabei wegen des höheren Aufwandes der vergleichsweise sehr teuren Strahlungsenergie die Bearbeitungskosten entsprechend erhöht.When processing materials using radiant energy, for example in the form of sharply bundled electron beams, occurs particularly in the case of abrasive Machining operations, such as cutting, milling or drilling, the difficulty on; that the material melted by the energy beam at the processing point is not is removed completely or quickly enough from the editing area. Tried earlier one can avoid this difficulty by using the applied radiant energy selected so high that the material to be removed at the highest possible speed evaporated. However, the results obtained in this way are in many cases still unsatisfactory, since the evaporated material has a tendency to get close knock down again in the processing area. Also included because of the the higher expenditure of the comparatively very expensive radiant energy the processing costs increased accordingly.

Nach der Lehre des eingangs erwähnten Hauptpatents können durch Anwendung der vom Strahl unabhängigen zusätzlichen Kräfte die beschriebenen Schwierigkeiten und Nachteile überwunden werden. Im Hauptpatent sind als zusätzliche Kräfte mechanisch erzeugte Zusatzkräfte, beispielsweise Trägheitskräfte, und elektromagnetisch erzeugte Zusatzkräfte beschrieben: Die dafür erforderlichen apparativen Einrichtungen sind in vielen Fällen jedoch wegen ihres Platzbedarfes oder der mit ihrem Einsatz verbundenen Kosten in der Praxis nicht oder nur unter Schwierigkeiten verwendbar.According to the teaching of the main patent mentioned at the beginning, by application the additional forces independent of the beam the difficulties described and disadvantages are overcome. In the main patent, additional forces are mechanical generated additional forces, for example inertial forces, and electromagnetically generated Additional forces described: The equipment required for this is in many cases, however, because of their space requirements or that associated with their use Costs cannot be used in practice or can only be used with difficulty.

Die vorliegende Erfindung geht deshalb von der Aufgabe aus, .ein besonders bei abtragenden Bearbeitungen vorteilhaftes Verfahren anzugeben; mit dem abtragend wirkende Zusatzkräfte in einfacher Weise erzeugt werden können, ohne daß es dazu besonderer Vorrichtungen und störend ins Gewicht fallender Aufwendungen bedarf.The present invention is therefore based on the object .ein particular indicate the most advantageous method in the case of erosive machining; with the erosive acting additional forces can be generated in a simple manner without it requires special devices and disruptive expenses.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst mit einer Ausgestaltung des eingangs angegebenen Verfahrens nach dem Hauptpatent, die dadurch gekennzeichnet ist, daß durch die Anwesenheit wenigstens eines zusätzlichen Hilfsstoffs, der -bei der Bearbeitungstemperatur einen hohen Dampfdruck entwickelt, die an der Bearbeitungsstelle abgelösten oder geschmolzenen Materialanteile aus dem Bearbeitungsbereich herausgeblasen werden.According to the invention, this object is achieved with an embodiment of the above-mentioned method according to the main patent, which is characterized is that by the presence of at least one additional auxiliary, the -bei The processing temperature develops a high vapor pressure at the processing point detached or melted material is blown out of the machining area will.

Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt keine besonderen Apparaturen, sondern erfordert lediglich die Anwesenheit des Hilfsstoffs; der nach der Erfindung beispielsweise in dem zu bearbeitenden Material verteilt: sein oder in Form von eingelagerten oder angelagerten Schichten mit dem zu bearbeitenden Material verbunden sein kann. Ein wichtiger Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht ferner darin, däß es genau lokalisiert zur Wirkung gebracht werden kann.The method according to the invention does not require any special equipment, but only requires the presence of the adjuvant; according to the invention for example distributed in the material to be processed: be or in the form of stored or attached layers are connected to the material to be processed can be. There is also an important advantage of the method according to the invention in that it can be brought to action in a precisely localized manner.

Es ist schon vorgeschlagen worden (deutsches Patent 938 681); beim Bohren feiner Löcher mittels eines Ladungsträgerstrahls Gase in das Bohrloch einzuführen, die bei der im Bohrloch herrschenden Temperatur mit dem Werkstückmaterial oder etwa beim Bohren entstehenden Umwandlungsprodukten unter Bildung einer gasförmigen oder an ihrem Entstehungsort flüchtigen Verbindung reagieren. In weiterer Ausgestaltung dieses bekannten Verfahrens wurde ferner auch vorgeschlagen, den Gasdruck mindestens auf der Seite der Strahlquelle wesentlich höher als längs des übrigen Strahlweges zu halten; auf diese Weise wird zusätzlich das Strahlerzeugungs-System gegen das Eindringen von Verunreinigungen geschützt. Eine ähnliche Maßnahme, jedoch ohne die Absicht, eine Reaktion mit dem Werkstückmaterial oder etwaigen Reaktionsprodukten herbeizuführen, liegt auch einem bekannten Elektronenstrahl-Schutzgas-Schweißverfahren zugrunde (deutsches Gebrauchsmuster 1849 774).It has already been proposed (German patent 938 681); at the Drilling of fine holes by means of a charge carrier beam to introduce gases into the borehole, the temperature prevailing in the borehole with the workpiece material or about Conversion products formed during drilling with the formation of a gaseous or react volatile compound at its point of origin. In further development this known method has also been proposed to reduce the gas pressure at least significantly higher on the side of the beam source than along the rest of the beam path to keep; In this way, the beam generation system is additionally set against the Ingress of contaminants protected. A similar measure, but without the Intention to react with the workpiece material or any reaction products to bring about is also a known electron beam inert gas welding process (German utility model 1849 774).

Bei den beschriebenen bekannten Verfahren ist jedoch im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung nicht an die Gewinnung abtragender mechanischer Zusatzkräfte. gedacht - bei einem Schweißverfahren würden diese normalerweise sogar stören -, sondern lediglich an die Umwandlung von Werkstückmaterial in leichter entfernbare gasförmige oderflüchtige Verbindungen, sowie an einen Schutz des Strahlerzeugers gegen das Eindringen von Verunreinigungen. Außerdem beschränken sich die beschriebenen bekannten Verfahren auf die Verwendung von Gasen.In the known methods described, however, there is a contrast to the present invention not to the acquisition of mechanical additional forces. thought - in a welding process these would normally even be a problem -, but merely the conversion of workpiece material into more easily removable ones gaseous or volatile compounds as well as protection of the jet generator against the ingress of impurities. In addition, those described are limited known methods on the use of gases.

Nach der vorliegenden Erfindung können als Hilfsstoffe beispielsweise Metalle mit niedrigem Siedepunkt oder Kunststoffe, die beim Erhitzen im wesentlichen gasförmige Zersetzungsprodukte bilden, verwendet werden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Verwendung halogenierter Pölyäthylene, beispielsweise Polytetrafluoräthylen; besonders vorteilhaft, weil derartige Stoffe rückstandsfrei verdampfen.According to the present invention, as auxiliaries, for example Low boiling point metals or plastics that when heated essentially Form gaseous decomposition products can be used. In further development the invention is the use of halogenated polyethylenes, for example polytetrafluoroethylene; particularly advantageous because such substances evaporate without leaving any residue.

Nach der Erfindung kann es 'insbesondere beim Durchbohren von Platten oder Folien von Vorteil sein, auf der der Strahlungsquelle abgewandten Seite der zu durchbohrenden Platte oder Folie eine Schicht des Hilfsstoffes anzuordnen, die so dick ist,. daß sie nicht mit durchbohrt wird. In diesem Fall kommt die gesamte im Hilfsstoff entwickelte Dampfmenge beim Herausblasen von geschmolzenem Material zur Wirkung.According to the invention, it can 'especially when drilling through plates or foils be advantageous on the side facing away from the radiation source to be pierced plate or film to arrange a layer of the auxiliary material, the is so thick. that it is not pierced with. In this case the whole comes up Amount of steam developed in the auxiliary material when molten material is blown out to the effect.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Zeichnung, in der einige mögliche Ausführungsweisen des erfindungsgemäßen Verfahrens, erläutert sind.Further advantages emerge from the following description of the drawing, in which some possible embodiments of the method according to the invention are explained are.

F i g. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Materialstück während der Bearbeitung mittels eines Elektronenstrahls F i g. 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein zu bearbeitendes Material mit eingelagertem Hilfsstoff; F i g. 3 erläutert einen schichtweisen Aufbau aus zu bearbeitendem Material und Hilfsstoff; F i g. 4 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein zu bearbeitendes Material mit darauf aufgebrachtem Hilfsstoff; F i g. S zeigt schematisch einen Schnitt durch ein zu bearbeitendes Material mit einer eingelegten Folie aus Hilfsstoff; F i g: 6 erläutert in einer der F i g. 1 analogen Dar-Stellung schematisch einen Bearbeitungsvorgang unter Verwendung einer untergelegten Platte aus Hilfsstoff. In F i g. 1 ist eine Platte 2 aus einem zu bearbeitenden Material im Schnitt dargestellt, die von einem Energiestrahl 1, beispielsweise einem Elektronenstrahl, getroffen wird. An der Auftreffstelle befindet sich ein schlanker Schmelztrichter mit abgeschmolzenem Material 3, das aus der Schmelzzone herausdampft. Um dieses Herausdampfen des abgeschmolzenen Materials zu beschleunigen und zu verbessern, wird dafür gesorgt, daß an der Bearbeitungsstelle wenigstens ein zusätzlicher Hilfsstoff anwesend ist, der bei der Bearbeitungstemperatur einen hohen Dampfdruck entwickelt und dadurch die an der Bearbeitungsstelle abgelösten oder geschmolzenen Materialanteile aus dem Bearbeitungsbereich herausbläst.F i g. 1 shows a cross section through a piece of material during Machining by means of an electron beam F i g. 2 shows schematically a section by a material to be processed with embedded auxiliary material; F i g. 3 explained a layered structure of material to be processed and auxiliary material; F i g. 4 shows schematically a section through a material to be processed with thereon applied adjuvant; F i g. S shows schematically a section through a to processing material with an inlaid foil made of auxiliary material; Fig. 6 explained in one of the F i g. 1 analog representation schematically a machining process using a plate made of auxiliary material underneath. In F i g. 1 shows a plate 2 made of a material to be processed in section, hit by an energy beam 1, for example an electron beam will. At the point of impact there is a slender melting funnel with a melted one Material 3 evaporating from the melting zone. To this evaporation of the melted Material to accelerate and improve, is ensured that at the processing point at least one additional auxiliary is present, which is at the processing temperature develops a high vapor pressure and thereby the detached at the processing point or blows molten material out of the machining area.

F i g. 2 zeigt ein Material 2, in welchem ein derartiger Hilfsstoff in Form einzelner Partikel 4 verteilt ist.F i g. 2 shows a material 2 in which such an auxiliary is distributed in the form of individual particles 4.

Der Hilfsstoff 4 kann auch schichtweise mit dem zu bearbeitenden Material 2 verbunden sein; eine derartige Anordnung zeigt F i g. 3. Eine besonders einfache Methode, den Hilfsstoff an die Bearbeitungsstelle zu bringen, ist in F i g. 4 erläutert; dort ist nämlich der Hilfsstoff 4 in Form einer Beschichtung auf das zu bearbeitende Material 2 aufgebracht. Beispielsweise kann man bei einem zu bearbeitenden Metall eine ebenfalls aus Metall bestehende Hilfsstoffschicht auflöten.The auxiliary material 4 can also be used in layers with the material to be processed 2 be connected; such an arrangement is shown in FIG. 3. A particularly simple one The method for bringing the auxiliary material to the processing point is shown in FIG. 4 explained; there is namely the auxiliary 4 in the form of a coating on the to be processed Material 2 applied. For example, in the case of a metal to be machined Solder an auxiliary layer, which is also made of metal.

F i g. 5 zeigt eine etwas andere Ausbildung, bei der eine Hilfsstoffschicht 4 in das zu bearbeitende Material 2 eingelegt ist; Materialien der in F i g. 5 dargestellten Art können beispielsweise durch Zusammenwalzen, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von Klebemitteln hergestellt werden.F i g. 5 shows a somewhat different embodiment in which an auxiliary layer is used 4 is inserted into the material 2 to be processed; Materials of the in F i g. 5 shown Kind can for example by rolling together, if necessary with the help made of adhesives.

F i g. 6 erläutert den Vorgang des Herausschleuderns des abgetragenen oder geschmolzenen Materials für den Fall, daß unter einem platten- oder folienförmigen Materialstück 2 eine ebenfalls platten-oder folienförmige Schicht 4 des Hilfsstoffes angeordnet wird; in F i g. 6 ist die Dicke dieser Hilfs-. stoffschicht so groß gewählt, daß sie vom Strahl nicht mit durchbohrt wird. Dies bietet den Vorteil, daß in jedem Fall der vom Hilfsstoff erzeugte Dampf vollständig durch die Bearbeitungsstelle hindurchgeblasen wird, so daß die zu entfernenden Teilchen 3 in der Ausblasezone 5 mit großer Intensität ausgeblasen werden. Eine derartige Anordnung ist besonders beim Bohren von großem Vorteil.F i g. 6 explains the process of ejecting the removed or molten material in the event that under a plate-shaped or foil-shaped Piece of material 2 is also a plate-shaped or film-shaped layer 4 of the auxiliary material is arranged; in Fig. 6 is the thickness of this auxiliary. fabric layer chosen so large, that it is not pierced by the beam. This has the advantage of being in each If the steam generated by the auxiliary material passes completely through the processing point is blown through, so that the particles to be removed 3 in the blow-out zone 5 can be blown out with great intensity. Such an arrangement is special a great advantage when drilling.

Als Hilfsstoff wird vorzugsweise ein Stoff verwendet, der einen niedigen Siedepunkt hat und möglichst rückstandsfrei verdampft. Diese Forderungen werden von vielen Kunststoffen, beispielsweise halogenierten Polyäthylen, erfüllt; auch Metalle wie Zink, Magnesium oder Blei, die einen relativ niedrigen Siedepunkt aufweisen, sind gut geeignet.As an auxiliary substance, a substance is preferably used that is low Has boiling point and evaporates as residue-free as possible. These demands will be met by many plastics, for example halogenated polyethylene; even Metals like zinc, magnesium or lead, which have a relatively low boiling point, are well suited.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann beispielsweise eine Aluminiumfolie von 0,3 mm Dicke mit einer als Hilfsstoff dienenden, mit Hilfsleisten angedrückten Unterlage aus Polytetrafluoräthylen von 0;5 mm Stärke mit Hilfe eines Elek- i tronenstrabls mit hoher Geschwindigkeit perforiert werden; bei einer Strahlspannung von 140 kV und einem Strahlstrom von 20 mA können mit Impulsen von 20 «sec Dauer eng tolerierte und nahezu zylindrische Löcher von einem Durchmesser von i 190 Et+5 #t erzeugt werden. Die Impulsfrequenz kann 1 kHz betragen.According to the method according to the invention, an aluminum foil, for example 0.3 mm thick with an auxiliary strip that is used as an auxiliary material and is pressed on by means of auxiliary strips Base made of polytetrafluoroethylene of 0.5 mm thickness with the help of an electron bar perforated at high speed; at a beam voltage of 140 kV and a beam current of 20 mA can be closely tolerated with pulses of 20 seconds duration and nearly cylindrical holes i 190 Et + 5 #t in diameter are created. The pulse frequency can be 1 kHz.

Durch die Erfindung ist es zum ersten Mal möglich geworden, verhältnismäßig große Löcher, deren Durchmesser in der Größenordnung einer zu perforierenden Folie liegt oder sogar noch größer ist, mit hoher Geschwindigkeit und eng tolerierten Abmessungen herzustellen und dabei pro Loch nur einen einzigen Impuls zu verwenden.The invention made it possible for the first time, proportionately large holes, the diameter of which is in the order of magnitude of a sheet to be perforated lies or is even larger, at high speed and with tight tolerances Manufacture dimensions while using only a single pulse per hole.

Claims

Claims: 1. Method for material processing by means of bundled Energy rays, in which on that of the processing ray in its aggregate state Changed, especially molten material additional, from the processing beam and forces that are independent of any existing clamping forces are exerted, according to patent 1292 996, d a d u r c h characterized that by the presence at least an additional auxiliary material, which has a high processing temperature Vapor pressure develops which is detached or melted at the processing point Material parts are blown out of the processing area.

2. Procedure according to claim 1, characterized in that the auxiliary substance in the to be processed Material is distributed.

3. The method according to claim 1, characterized in that the auxiliary material and the material to be processed are arranged in layers one above the other are.

4. The method according to claim 3, characterized in that the to be processed Material is coated with the excipient.

5. The method according to claim 3, characterized characterized in that the auxiliary substance is in the form of a film in the material to be processed is inserted.

6. The method according to claim 1, for drilling through plates or foils, characterized in that on the side facing away from the radiation source to A layer of the excipient is arranged through the piercing plate or film.

7. The method according to claim 6, characterized in that on as an auxiliary the plate or foil to be processed is used with a soldered metal layer, which contains predominantly metal with a low boiling point. B.

Method according to claim 6 or 7, characterized in that the layer of the auxiliary substance is so thick that that it is not pierced.

9. The method according to any one of claims 1 to 6; through this characterized in that a plastic is used as an auxiliary material, which when heated forms essentially gaseous decomposition products.

10. The method according to claim 9, characterized in that the auxiliary halogenated polyethylene, for example Polytetrafluoroethylene is used.