DE1565864C - Verfahren zur Matenalbearbeitung mittels gebündelter Energiestrahlen - Google Patents

Description

Das Hauptpätent 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 Einspannkräften unabhängige Kräfte ausgeübt werden.

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 dadyrch 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.

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 Plätzbedarfes oder der mit ihrem Einsatz verbundenen Kosten in der Praxis nicht oder nur unter Schwierigkeiten verwendbar.

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. .

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 Beärbeitungsstelle abgelösten oder geschmolzenen Materialanteile aus dem Bearbeitungsbereich herausgeblasen werden.

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, daß es genau lokalisiert zur Wirkung gebracht werden kann.

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;

ίο. auf diese Weise wird zusätzlich das Strahlerzeugungssystem gegen das Eindringen νφη 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 1 849 774). .'■'·.· 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 oder flüchtige Veras bindungen, sowie an einen Schutz des Strahlerzeugers gegen das Eindringen von Verunreinigungen. Außerdem beschränken sich die beschriebenen bekannten Verfahren auf die Verwendung von Gasen.

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 PoIyäthylene, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, besonders vorteilhaft, weil derartige Stoffe rückstandsfrei verdampfen.

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.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Zeichnung, in der einige mögliche Ausführungsweisen des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert sind.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Materialstück während der Bearbeitung mittels eines Elektronenstrahls;
Fig. 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein zu bearbeitendes Material mit eingelagertem Hilfsstoff; ;._.·.;.

Fig. 3 erläutert einen schichtweisen Aufbau aus zu bearbeitendem Material und Hilfsstoff;
. Fig. 4 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein zu bearbeitendes Material mit darauf aufgebrachtem Hilfsstoff;

Fig. 5 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 Darstellung 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. 2 zeigt ein Material 2, in welchem ein derartiger Hilfsstoff in Form einzelner Partikel 4 verteilt ist.

Der Hilfsstoff 4 kann auch schichtweise mit dem zu bearbeitenden Material 2 verbunden sein; eine derartige Anordnung zeigt Fig. 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.

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. 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 Fig. 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.

Als Hilfsstoff wird vorzugsweise ein Stoff verwendet, der einen niedigen Siedepunkt hat und mögliehst 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.

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 Elektronenstrahls mit hoher Geschwindigkeit perforiert werden; bei einer Strahlspannung von 140 kV und einem Strahlstrom von 20 raA können mit Impulsen von 20 usec Dauer eng tolerierte und nahezu zylindrische Löcher von einem Durchmesser von u + 5 μ erzeugt werden. Die Impulsfrequenz kann 1 kHz betragen.

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.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. 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 Einspannkräften unabhängige Kräfte ausgeübt werden, nach Patent 1 292 996, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Anwesenheit wenigstens eines zusätzlichen Hilfsstoffes, der bei der Bearbeitungstemperatur einen hohen Dampfdruck entwickelt, die an der Bearbeitungsstelle abgelösten oder geschmolzenen Materialanteile aus dem Bearbeitungsbereich herausgeblasen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsstoff in dem zu bearbeitenden Material verteilt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsstoff und das zu bearbeitende Material schichtweise übereinander angeordnet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zu bearbeitende Material mit dem Hilfsstoff beschichtet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsstoff in Form einer Folie in das zu bearbeitende Material eingelegt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, zum Durchbohren von Platten oder Folien, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Strahlungsquelle abgewandten Seite der zu durchbohrenden Platte oder Folie eine Schicht des Hilfsstoffes angeordnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsstoff ein auf die zu bearbeitende Platte oder Folie aufgelötete Metallschicht verwendet wird, die vorwiegend Metall mit niedrigem Siedepunkt enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht des Hilfsstoffes so dick ist, daß sie nicht durchbohrt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsstoff ein Kunststoff verwendet wird, der beim Erhitzen, im wesentlichen gasförmige Zersetzungsprodukte bildet.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsstoff halogeniertes Polyäthylen, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, verwendet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen