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Kaskadenpumpenanordnung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
Kaskadenpumpenanordnungen.
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Das Kaskadenpumpen kann beim Elektronenstrahlschweissen verwendet
werden, um zu vermeiden, daß das Werkstück vollständig innerhalb einer grossen Vakuumkammer
angebracht ist, die dann evakuiert werden muß, bis der darin herrschende Druck genügend
niedrig ist, um zu ermöglichen, daß der Strahl wirkungsvoll arbeitet. Durch das
Entfallen der Notwendigkeit einer solchen Vakuumkammer können eine Anzahl Werkstücke
aufeinanderfolgend bearbeitet werden, z.B. am Fließband, und zwar ohne Zeitverlust
während wiederholter Evakuierung der Vakuumkammer für jedes einzelne Werkstück einer
Anzahl aufeinanderfolgender Werkstücke.
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Kaskadenpumpenmethoden können auch bei der maschinellen Bearbeitung
eines Werkstücks in einer gesteuerten Gasatmosphäre,
die zwecks
Abschirmung des Werkstückes von unerwünschter chemischer Wirkung oder zur Erzielung
einer beliebigen Wirkung auf das Werkstück ausgewählt ist, angewendet werden, So
kann eine Heliumatmosphäre (zur Herabsetzung der Streuung der Elektronen) bei Elektronenstrahlvorgängen
gewählt werden.- Eine Sauerstoffatmosphäre kann zum schnellen Bohren von Diamanten
gewählt werden.
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Bei einer Kaskadenpumpenanordnung für Elektronen strahlarbeiten geht
ein aus einer in gutem Vakuum (etwa 10 4 mm Quecksilber) befindlichen Elektronenschleuder
ausgestrahlter Elektronenstrahl mittig durch eine Reihe koaxial ausgerichteter,
gepumpter Stufen hindurch, die durch eine Reihe Vakuumdrosseln voneinander getrennt
sind, die durch Gasströmungsdrosseldurchlässe in Form zylindrischer Öffnungen gebildet
und entlang einer Mittelachse des ganzen Systems aufeinanderfolgend so ausgerichtet
sind, daß der Strahl der Reihe nach durch sie hindurch zu jedem Werkstück gehen
kann.
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Nachdem der Strahl durch jede Drosselöffnung hhdurchgegangen ist,
begegnet er auf der abgewandten (stromabwertigen} Seite der oeffnung einem wesentlich
schlechteren Vakuum, als das Vakuum auf ihrer anderen Seite. Infolge dieser allmAhlichen
Verschlechterung des Vakuums, von Strahl aus während seiner Wanderung von der Schleuder
her gesehen, wandert er schließlich durch Gas bei einem vergleichsweise hohen Druck,
z.B. atmosphärischen oder gar höherem Druck. Bei einer derartigen Anordnung Widerspricht
jedoch die Notwendigkeit, das erforderliche Vakuum (unter Berücksichtigung der bei
VErwendung von Vakuumpumpen bestehenden praktischen Einschränkungen) bei jeder gepumpten
Stufe zu erzielen, der Notwendigkeit von
Öffnungen mit einem Durchmesser,
der nicht so klein ist, daß das Durchlassen eines Elektronenstrahls mit einem endlichen
Querschnitt behindert wird. Es ist wünschenswert, eine möglichst grosse Druckveränderung
zwischen aufeinanderfolgenden Stufen zu erhalten; um dies zu erzielen, müssen jedoch
die Öffnungen einen Durchmesser von fast Null haben. In der Praxis lassen infolge
der dabei bestehenden Toleranzen diese sich widersprechenden Anforderungen wenig
Raum für die Wahl der Konstruktion, wobei eine derartige Kaskadenpumpenanordnung
nur schwierig und mit beträchtlichen Kosten für zusätzliche Einrichtungen funktionsfähig
gemacht werden kann.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Kaskadenpumpenvorrichtung,
durch welche diese Schwierigkeiten vermieden werden können.
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Erfindungsgemäß ist eine Kaskadenpumpenvorrichtung zur Aufrechterhaltung
einer gesteuerten Atmosphäre an einer Arbeitsstelle eines Werkstückes vorgesehen,
die eine erste und eine zweite gepumpte Stufe aufweist, die aufeinanderfolgend mittels
eines die Gasströmung drosselnden Durchlaßkanals miteinander verbunden und mit entsprechenden
Pumpeneinrichtungen zur Erzeugung entsprechender unterschiedlicher Atmosphären in
diesen beiden Stufen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der die Gasströmung
drosselnde Kanal im Betriebszustand der Vorrichtung zwischen einer sich zwischen
den beiden gepumpten Stufen erstreckenden Grenzfläche der Vorrichtung und einem
entgegengesetzten Abschnitt der Werkstückoberfläche oder einer wirksamen Verlängerung
derselben gebildet ist, wobei dieser entgegengesetzte Oberflächenabschnitt neben
der Grenzfläche angeordnet ist und sich um die Arbeitsstelle herum erstreckt.
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Bei einer erfindungsgemässen Ausführungsform, bei welcher ein Arbeitsstrahl
durch eine innere gepumpte Stufe zur Arbeitsstelle geschickt wird, fällt der die
Gasströmung drosselnde Durchlaßkanal nicht mit der Bahn des Arbeitsstrahles zusammen,
sondern liegt seitlich von demselben und erstreckt sich quer zur Strahlachse. Dies
ermöglicht einen grossen Raum zum unbehinderten Durchgang des Arbeitsstrahls unbeschadet
der erforderlichen Pumpenbedingungen.
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Die zweite gepumpte Stufe der erfindungsgemässen Vorrichtung kann
zwischen nach innen gerichteten Wandabschnitten eines Aussenrohres und nach aussen
gerichteten Wandabschnitten eines Innenrohres gebildet sein, das sich entlang und
innerhalb des Aussenrohres erstreckt und einen Stirnrand hat, der die Wandeinrichtung
bildet, welche die sich zwischen den beiden Stufen erstreckende Grenzfläche bildet.
In diesem Fall ist die erste Stufe durch Innenwandabschnitte des Innenrohres gebildet.
Das Innen- und das Aussenrohr kann einen kreisförmigen Querschnitt oder wahlweise
einen länglichen Innen- und Aussenquerschnitt haben, der z.B.
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rechteckig ist. Im allgemeinen ist der Raum zwischen den Innenwandabschnitten
des Aussenrohres und den Aussenwandabschnitten des Innenrohres zumindest in der
Nachbarschaft des Stirnrandes des Innenrohres im wesentlichen gleichförmig. Auch
das Aussenrohr kann einen Stirnrand aufweisen, der eine weitere Grenzfläche bildet,
die mit einem weiteren entgegengesetzten Oberflächenabschnitt des Werkstücks zusammenarbeitet,
um einen weiteren die Gasströmung drosselnden Durchlaßkanal zu bilden, der von der
zweiten Stufe nach aussen führt, wobei sich der weitere entgegengesetzte Oberflächenabschnitt
um den Oberflächenabschnitt herum erstreckt, dem die durch den Stirnrand des Aussenrohres
gebildete Grenzfläche gegenüberliegt. Um einen Arbeitsgang auf einer flachen Werkstückoberfläche
zu ermöglichen, können
die durch die Stirnränder des Innen- bzw.
des Aussenrohres gebildeten Grenzflächen im wesentlichen als in einer Ebene liegend
gemacht werden. Falls diese Grenzfläche entsprechende Teile einer gekrümmten Oberfläche
bilden, kann gegebenenfalls eine von dieser gleichmässig in Abstand angeordnete
ähnlich gekrümmte Werkstückoberfläche bearbeitet werden; ist die gekrümmte Oberfläche
z.B.zylindrisch, so kann eine denselben Radius wie die gekrümmte Oberfläche aufweisende
zylindrische Werkstück oberfläche bearbeitet werden, wenn sie parallel zur gegekrümmten
Oberfläche angeordnet ist.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nun beispielsweise Bezug
auf die beigefügten schematischen Zeichnungen genommen; darin zeigen: Fig. 1 eine
senkrechte axiale Schnittansicht einer erfindungsgemässen Kaskadenpumpenanordnung;
Fig. 2 und 3 Schnittansichten entsprechender Abwandlungen einer Werkstückstützeinrichtung
der Anordnung; Fig. 4 und 5 entsprechende senkrechte Schnittansichten zweier weiterer
erfindungsgemässer Kaskadenpumpenanordnungen; und Fig. 6 eine perspektivische Ansicht
der in Fig. 5 dargestellten Anordnung.
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Fig. 1 zeigt eine Elektronenschleuderkammer 1 und eine Strahlfokkussier-
oder Sammellinsenanordnung 2, die auf einer Kammer 3 angeordnet sind. Ein aus der
Schleuderkammer 1 ausgestrahlter Elektronenstrahl 4 geht durch eine Öffnung 5 hindurch
in die Kammer 3 und in Richtung auf ein Werkstück
6, so daß der
Strahl nach seinem Austritt aus der Kammer 3 durch eine Öffnung 8 die Oberfläche
des Werkstücks 6 an einem Punkt 7 der Arbeitsstelle trifft. Die Kammer 3 wird vermittels
der Pumpe S2 evakuiert, die mit einer von der Kammer 3 führenden Leitung 9 verbunden
ist.
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Um das untere Ende der Kammer 3 herum ist eine weitere Kammer 10 angeordnet,
die vermittels einer weiteren Pumpe S1 evakuiert wird, die mit einer von der Kammer
10 fahrenden Leitung 11 verbunden ist. Zwischen der Oberfläche des Werkstücks 6
und einer Grenzfläche 12', die durch einen die Kammer 3 bildenden flanschartigen
Wandabschnitt 12 gebildet ist, ist ein die Gasströmung drosselnder Durchlaßkanal
gebildet, der sich in Bezug auf die Strahlachse radial erstreckt und eine Vakuumdrossel
zwischen den Druckhöhen P2 und P3 bildet, die am äusseren bzw. inneren Ende" des
Durchlaßkanals erhalten werden. Ein weiterer, die Gasströmung drosselnder Durchlaßkanal,
der von und zwischen der Oberfläche des Werkstückes 6 und der durch einen Wandabschnitt
13 der Kammer 10 gebildeten Grenzfläche 13' gebildet ist, bildet eine Vakuumdrossel
zwischen der Druckhöhe oder dem Druckpegel P2 und dem Druckpegel P1 der Aussengasumgebung.
Auf diese Weise werden zwei gepumpte Stufen gebildet: eine die Kammer 10 aufweisende,
erste gepumpte Stufe und eine die Kammer 3 aufweisende, zweite gepumpte Stufe. Die
zum Evakuieren der Kammer 10 verwendete Pumpe S1 kann eine "Rohvakuumpumpe" z.B.
eine Drehpumpe sein. Der Spalt a zwischen dem Werkstück und dem Wandabschnitt 12
der Kammer 3 bildet einen wesentlichen Teil der Vakuumdrosseln oder -widerstände
und liegt hinsichtlich seiner Höhe innerhalb der Grössenordnung von mehreren Zehnern
von Mikronen. Die Länge jeder Drossel (radial in Bezug auf die Strahlachse) kann
vorteilhafterweise innerhalb der Grössenordnung eines Zentimeters liegen, wobei
jede Drossel von der anderen durch einen vergleichbaren
Abstand
getrennt ist. Der Druck P1 ist ein atmosphärischer Druck (mit Ausnahme des möglichen
Falles der Verwendung einer zusätzlichen Gasummantelung, wobei er höher sein kann).
Der Druck P3 ist der t'endgültige" Druck in der Kammer 3 und der höchste, dem der
Elektronenstrahl begegnet. Die Schleuderkammer 1 wird durch eine weitere Pumpe S3,
z.B. eine Diffusionspumpe, gesondert gepumpt und ist von der Kammer 3 durch eine
zur Öffnung T von der Schleuderkammer 1 führende Vakuumdrossel getrennt.
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Die Aufgabe der Pumpe 53 besteht in der Erzeugung eines Druckunterschiedes
der Grössenordnung 1000 : 1 zwischen der Kammer 3 und der Schleuderkammer 1 und
in der Aufrechterhaltung eines dauernden "guten" Vakuums in der Schleuderkammer
1, während das Werkstück beseitigt oder ersetzt wird. Zu diesem Zweck ist ein Elektronenschleudertrennventil
14 zwischen der Schleuderkammer 1 und der Kammer 3 angeordnet, um einen Vakuumverlust
in der Schleuderkammer zu vermeiden, falls sich das Vakuum in der Kammer 3 verschlechtern
sollte. Für Bemessungen der oben erwähnten Grössenordnung können typische Druckhöhen
innerhalb der folgenden Grössenordnung liegen: P1 = 760 Torr P2 = 10 Torr P3 10'1
Torr Torr Der Arbeitsstrahl wandert also nicht durch Druckbereiche hindurch, die
grösser als 10 -1 Torr sind, wobei mit geeigneten Pumpenanordnungen der "endgültige"
Druck P3 weiter herabgesetzt werden kann. Bei einer Kreiselpumpe S1 mit einer Fördergeschwindigkeit
von 42,5 1/sec, einer Roots-Pumpe S2 mit einer Fördergeschwindigkeit von 25 1/sec
und
einer Diffusionspumpe S3 mit einer Fördergeschwindigkeit von
300 1/sec beträgt P2 etwa 12 Torr und P3 etwa 5 x 10 2 Torr, falls der Spalt a 50
f und die Länge der Vakuumdrosseln und die Abstände zwischen ihnen jeweils 1 cm
betragen.
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Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung kann bei Elektronenstrahlbearbeitungs-
und -schweißverfahren verwendet werden, die bei einem Gasdruck der Grössenordnung
von 10 2 bis 10 1 Torr durchgeführt werden.
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Das Werkstück 6 ist auf einer Werkstückhalterung 15 befestigt, die
eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem werkstückseitigen Ende der Anordnung
gestattet.
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Die Halterung 15 kann beispielsweise eine Übersetzung des Werkstücks
6 in eine Ebene ermöglichen, deren Normale entlang der Strahlachse liegt, um somit
einen Teil der Oberfläche des Werkstücks 6 anzubringen, welche unter dem Elektronenstrahl
bearbeitet werden soll. Wahlweise kann die Werkstückhalterung 15 so ausgebildet
sein, daß das Werkstück 6 in Abstand vom Wandabschnitt 12 und dem Wandabschnitt
13 gehalten wird und somit auch der Spalt a in der erforderlichen Einstellung gehalten,
jedoch eine leichte Verschiebung des Werkstücks 6 ermöglicht wird. Zu diesem Zweck
kann diese Halterung beliebige geeignete me.
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chanische oder elektrische, den Abstand messende Mittel aufweisen.
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Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung kann, wie beschrieben, zur Bearbeitung
eines aus einem einzigen Stück bestehenden Werkstückes verwendet werden. Wie in
Fig. 2 gezeigt, kann die Anordnung wahlweise zur Bearbeitung eines Werkstücks verwendet
werden, das aus mehreren anliegenden Teilen oder mehreren anliegenden Werkstücken
zusammengesetzt
ist. Derartige, in der Fig. 2 unter 16, 17 und
18 gezeigte aneinanderliegende Werkstücke oder Werkstückteile sind auf einer Werkstückhalterung
15' übersetzbar befestigt. Der Strahl 4 wird auf einen Arbeitspunkt gerichtet, in
welchem ein Vakuum durch Kaskadenpumpen aufrechterhalten wird. Zum Schweißen fällt
der Strahl 4 gleichzeitig auf zwei benachbarte Werkstücke oder Werkstückteile, z.B.
16 und 17. Bei anderen Betriebsarten können die benachbarten Werkstücke aufeinanderfolgend
bearbeitet werden, wenn sie die Halterung 15' quer zum Strahl 4 übersetzt. Falls
die Teile oder Werkstücke genügend dicht aneinanderliegen, müssen die zwischen ihnen
gebildeten Widerlager keine vollkommen "vakuumdichte" Verbindungen bilden; die Stoßflächen
zwischen benachbarten Teilen oder Werkstücken können jedoch vorteilhafterweise glatte
Oberflächen haben, um unnötige Vakuumverluste zu vermeiden, wenn man von einem Werkstück
auf das nächste übergeht.
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Wie in Fig. 5 dargestellt, kann ein Satz von aufeinanderfolgend durch
den Strahl 4 zu bearbeitenden Werkstücken 16', 17' und 18' auch in entsprechende
Ausnehmungen der Halterung lsn aufgenommen werden, die eine wirksame Verlängerung
der oberen Oberflächen der Werkstücke bilden, so daß der Übergang von einem Werkstück
auf das nächste ohne Vakuumverlust erfolgen kann.
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Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung kann bei Schweißverfahren mit inertem
Gas verwendet werden, falls eine Ummantelung aus inertem Gas als Ersatz für die
Atmosphäre wie der Aussengasumgebung bei P1 verwendet wird. Auch andere Gasummantelungsarten
können zum Erhalt der gewünschten chemischen Wirkung auf das Werkstück unter dem
Arbeitsstrahl gewählt werden.
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Die in Fig. 4 dargestellte Kaskadenpumpenanordnung kann zum Eingravieren
von Farbzellen in einer Oberfläche einer Gravurdruckwalze verwendet werden. Teile
der Vorrichtung, die jenen in Fig. 1 ähnlich sind, sind mit denselben Bezugszeichen
entsprechend bezeichnet.
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Aus einer durch eine Pumpe S3 bei einem Druck P4 der Grössenordnung
von 5 x 10 5 Torr gehaltenen Elektronenstrahlkammer 1 wird ein Elektronenstrahl
4 ausgestrahlt, der durch eine Öffnung 5 hindurch in eine Kammer 3 eintritt, in
welcher durch eine Pumpe S2 ein Druck P3 von etwa 1 x 10 3 Torr aufrechterhalten
wird.
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Der Strahl 4 wandert entlang der Länge einer länglichen Verlängerung
3' der Kammer 3 in Richtung auf die Oberfläche eines zylindrischen Werkstücks 19.
Die Verlängerung 3' der Kammer 3 ist durch eine Kammer 10 koaxial umgeben, in welcher
ein Druck P2 von etwa 4 x 10 1 Torr mittels einer Pumpe S1 aufrechterhalten wird.
Die Kammer 10 ist von einer weiteren Kammer 20 koaxial umgeben, in welcher ein Druck
von etwa 42 Torr mittels einer Pumpe aufrechterhalten wird. Die Kammer 20 wiederum
ist von einer elektromagnetischen Strahlfokussierungs- oder Sammellinse 2' koaxial
umgeben, durch welche der Elektronenstrahl 4, der aus der Elektronenschleuderkammer
1 ausgestrahlt wird, in einem Auftreff- oder Brennpunkt 7 der Oberfläche des zylindrischen
Werkstücks 19 fokussiert wird.
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In der Nähe des Werkstücks 19 sind die Kammern 10 und 20 und die Kammerverlängerung
3' durch drei konzentrische Rohrteile 21, 22 und 23 gebildet, entlang deren gemeinsamen
Mittelachse der Strahl 4 zum Punkt 7 geht. Die Rohrteile 21, 22 und 23 haben entsprechende
Stirnränder
24, 25 und 26 neben dem zylindrischen Werkstück 19.
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Die Stirnränder 24, 25 und 26 bilden entsprechende Grenzflächen, die
einen Teil einer gemeinsamen zylindrischen Oberfläche mit demselben Radius wie jedem
des Werkstücks 19 bilden. Die zylindrische Oberfläche des Werkstückes 19 erstreckt
sich parallel zur zylindrischen Oberfläche, die durch die Stirnränder 24, 25 und
26 gebildet ist, so daß ein gleichmässiger Abstand a von etwa 0,0035 zwischen diesen
Stirnrändern und der Werkstückoberfläche vorliegt. Unter diesen Bedingungen kann
am Auftreffpunkt 7 ein Druck von etwa 1 x 10 3 Torr, d.h. P3, aufrechterhalten werden.
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Das zylindrische Werkstück 19 ist auf einer Halterung 27 befestigt,
die eine Drehung des Werkstücks um seine Längsmittelachse ermöglicht und somit gestattet,
verschiedene Punkte der Oberfläche des Werkstücks durch den Elektronenstrahl 4 aufeinanderfolgend
zu bearbeiten. Um entlang der Oberfläche des zylindrischen Werkstücks 19 axial in
Abstand voneinander liegende Punkte durch den Elektronenstrahl 4 zu bearbeiten,
ist die Anordnung so getroffen, daß eine relative Übersetzungsbewegung in der Richtung
der Achse der zylindrischen Krümmung des Werkstücks 19 zwischen dem befestigten
Werkstück und den strahlerzeugenden und pumpenden Teilen der Anordnung erfolgen
kann. Die Halterung 27 und die strahlerzeugenden und pumpenden Teile der Anordnung
können nämlich ortsfest angeordnet sein, während das Werkstück 19 auf der Halterung
27 in der Richtung seiner Achse der zylindrischen Krümmung übersetzt werden kann.
Insbesondere wenn das Werkstück 19 sperrig ist, können die strahlerzeugenden und
pumpenden Teile der Anordnung wahlweise als eine Einheit übersetzbar sein und zwar
relativ zum Werkstück 19, parallel zur Achse der zylindrischen Krümmung des Werkstücks,
während das Werkstück durch die Halterung 27,
was die Obersetzungsbewegung
anbetrifft, ortsfest gehalten wird, wobei es jedoch um die Achse der zylindrischen
Krümmung drehbar ist.
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Beim Gravurdruckverfahren sind zahlreiche kleine Räume oder "Zellen"
in der Oberfläche eines gewöhnlich aus Kupfer bestehenden Gravurdruckzylinders eingraviert.
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Jede dieser Zellen ist bestimmt, eine Druckfarbenmenge zu tragen,
die ihrem eigenen Volumen entspricht, wobei die Farbtönungsveränderung in einem
Enddruckstück durch entsprechende Veränderung der Größe der Druckfarbenzellen erreicht
wird. Gewöhnlich werden 100 bis 150 Zellen je Zoll verwendet, so daß die maximalen
Zelldimensionen in der Größenordnung von 0,005 bis 0, 008 Zollweite liegen.
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Diese Druckfarbenzellen sind typisch von einer bis zwei Tausendstel
eines Zolls tief. Herkömmlich sind die Farbzellen in solchen Kupferzylindern durch
chemische Ätzverfahren gebildet worden. Ein solches Verfahren kann jedoch ziemlich
zeitraubend sein. Eine Anordnung, wie z.B. die in Fig. 4 dargestellte, kann zur
Herstellung eines Gravurdruckzylinders verwendet werden, wenn der Elektronenstrahl
pulsiert wird. Impulsmittel 29, die mit einer in der Elekronenstrahlschleuderkammer
1 angeordneten Elektronenstrahlquelle 28 verbunden sind, sind in Fig. 4 schematisch
dargestellt. Ein mit Druckfarbenzellen einzugravierender Gravurdruckzylinder ist
auf der Halterung 27 auf dieselbe Weise wie das zylindrische Werkstück 19 befestigt.
Der Stoß eines Impulses des pulsierenden Strahles an einer Stelle am Druckzylinder
bei Niederdruck an dieser Stelle genügt, eine Farbzelle zu erzeugen. Nach der Herstellung
dieser Zelle wird der Druckzylinder relativ zum Arbeitsstrahl übersetzt und/oder
gedreht, so daß der Stab eines nachfolgenden Impulses des Strahles eine andere frbzelle
an einer anderen Stelle auf dem Druckzylinder unter Aufrechterhaltung eines
niedrigen
Druckes an dieser anderen Stelle herstellt usw.. Eine Steuereinrichtung 30 ist in
Verbindung mit der Elektronenstrahlquelle 28 und der Pulsiereinrichtung 29 zur Steuerung
der Strahlstärken der Impulse in Abhängigkeit der entsprechenden Volumen vorgesehen,
die für die betreffenden Zellen erforderlich sind. Eine Niederdruckatmosphäre ist
am Auftreffpunkt des Arbeitsstrahls an der Oberfläche des Druckzylinders erforderlich,
um die Streuung auf ein Minimum herabzusetzen, welche die Strahlstärke am Auftreffpunkt
auf unerwünschte Weise vermindern würde. Typisch kann ein großer Gravurdruckzylinder
einen Durchmesser von 1 1/2 Fuß und einer Länge von 7 Fuß haben. Das Eingravieren
eines solchen Zylinders mit Elektronenstrahlen durch eine Anordnung, wie die in
Fig. 4 dargestellte, hat den Vorteil, daß es nicht nötig ist, den ganzen Zylinder
und die dafür vorgesehenen Dreh- und Übersetzungsgeber innerhalb einer grossen Vakuumkammer
einzuschliessen, die sonst erforderlich wäre, um die Strahlstreuung zu vermeiden.
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Die Öffnung 5 kann durch ein Schiebeventil 14 geschlossen werden,
das demselben Zweck wie das Elektronenschleudertrennventil 14 der Anordnung nach
Fig. 4 dient.
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Kaskadenpumpenanordnungen können zum Trocknen der strahlungshärtbaren
Erbon verwendet werden. Solche Farben weisen gewöhnlich Monomermaterial oder ein
Gemisch aus Polymer-und Monomermaterialien auf. Nach Bestrahlung mit Ultraviolett-
oder Elektronenstrahlen erfolgt Vernetzung in der Farbe, welche die Wirkung hat
zu trocknen". Die in den Fig. 5 und 6 gezeigte Anordnung zeigt eine mögliche Weise,
in te! welcher die Kaskadenpumpenmethoden beim Trocknen strahlungsausbärtbarer Farben
angewandt werden können.
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Bei dieser Anordnung sind den schon beschriebenen Teilen ähnliche
Teile mit denselben Bezugszeichen entsprechend
bezeichnet.
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Eine Strahlungskammer 31 enthält eine Strahlenquelle 32, die entweder
ein Elektronenstrahlbündel oder Ultraviolettlicht erzeugt. Der Strahl geht durch
eine Öffnung 5 hindurch in eine Kammer 3, in welcher ein Druck P3 aufrechterhalten
wird. Um die Kammer 3 erstreckt sich koaxial eine Kammer 10, in welcher ein Druck
P2 aufrechterhalten wird. Die Kammern3 und 10 sind durch koaxiale Rohre 21 und 22
gebildet, die einen länglichen Querschnitt haben und einen gleichmässigen Abstand
zwischen ihnen aufweisen. Die Stirnränder 24 und 25 der Rohre 21 und 22 bilden entsprechende
Grenzflächen, die einen Teil einer zylindrischen Oberfläche bilden. Eine Walze 19'
mit annähernd demselben Radius wie jenem der durch die Stirnränder 24 und 25 der
Rohre 21 und 22 gebildeten zylindrischen Oberfläche ist so angeordnet, daß ihre
Oberfläche neben dieser zylindrischen Oberfläche liegt und im gleichmässigen Abstand
von ihr angeordnet ist. Ein gedruckte Bahn 33 bewegt sich von einer (nicht dargestellten)
Presse über der Walze 19' und durch den zwischen der Oberfläche der Walze und der
durch die Stirnränder 24 und 25 der Rohre 21 und 22 gebildeten zylindrischen Oberfläche
gebildeten gleichmässigen Spalt hindurch. Beim Elektronenstrahlenaushärten kann
die Strahlquelle entweder zur Erzeugung eines flächenförmigen Strahles, der auf
die bedruckte Bahn 33 entlang einer Erzeugenden der zylindrischen Oberfläche auftrifft,
die sie bildet, wenn sie auf der Walze 19' läuft. Es kann wahlweise eine Einrichtung
zum Hin- und Herbewegen eines Linienstrahles entlang dieser Erzeugenden vorgesehen
werden. In beiden Fällen wird die bedruckte Bahn 3 über der Walze 19' quer zum praktisch
oder effektiv in einer Flächenform awgestrahlten Elegtronenstrahl vorgeschoben,
der
die auf der neben dem Strahl liegenden Oberfläche legende Farbe
trocknet. Bei dem Vorschieben aufeinanderfolgender Längen der die feuchte Farbe
tragenden Bahn 33 über der Walze 19' zum Austrocknen durch den Strahl werden durch
Aushärten in dem Strahl getrocknete farbtrag ende Bahnlängen von der anderen Seite
der Walze 19' abgezogen. Während jede Länge der Bahn 33 auf die Walze 19' gespannt
wird, hat sie eine farbtragende zylindrische Oberfläche, die von der durch die Stirnränder
24 und 25 der Rohre 21 und 22 gebildeten zylindrischen Oberfläche gleichmässig in
Abstand angeordnet ist, um ein Verschmieren der Druckfarbe zu vermeiden. Während
die Bahn 33 über der Walze 19 unter dem bestrahlenden Strahl vorgeschoben wird,
wird eine Niederdruckatmosphäre in der Nachbarschaft der Weite der der Bestrahlung
ausgesetzten Bahn jederzeit aufrechterhalten. Zu diesem Zweck sind die Kammern 3
und 10 mit den Pumpen S2 und S1 entsprechend verbunden, die so betätigt werden,
daß der Druck P3 in der Kammer 3 niedriger ist als der Druck P2 in der Kammer 10,
der wiederum niedriger ist als der Druck P ausserhalb der Kammer 10.
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Beim Trocknen von Druckfarben durch Elektronenstrahlbestrahlung ist
die Elektronendosierung kritisch, da eine zu grosse Dosierung Vergeiblichung und
Brüchigkeit der bestrahlten Bahn verursacht. Vorzugsweise sollten Elektronen niedriger
Energie, z.B. mit Energien der Grössenordnung keV verwendet werden. Die Notwendigkeit
von Elektronenstrahlen mit niedriger Energie bei den Trocknern mit Elektronenstrahlen
erklärt die Notwendigkeit niedriger Drücke. Wird statt der Verwendung einer Kaskadenpumpenanordnung
ein in einer Vakuumkammer erzeugter Elektronenstrahl aus der Kammer durch ein dünnes
Elektronenstrahlfenster hindurch ausgestrahlt, so wird ein
verglerhsweise
Hochenergiestrahl innerhalb der Kammer zum Ausgleich des Energieverlustes im Fenstermaterial
erzeugt werden müssen. Die Energie der an der farbtragenden Bahn ankommenden Elektronen
wird den Unterschied zwischen der vergleichsweise hohen Energie des Strahles innerhalb
der Kammer und der vergleichsweise grossen Menge der während des Durchganges durch
das Fenstermaterial verlorengegangenen Energie sein. Als ein kleiner Unterschied
zwischen zwei grossen Mengen ist die Energie der die Bahn zum Zwecke des Trocknens
tatsächlich erreichenden Elektronen nicht ohne weiteres mit genügender Genauigkeit
steuerbar, um eine Überdosierung zu vermeiden und dennoch eine optimale Trocknung
zu erzielen.
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Beim Trocknen mit Ultraviolettbestrahlung ist die Anordnung jener
Anordnung ähnlich, bei welcher die Elektronenstrahlquelle einen Flächenstrahl erzeugt,
wobei stattdessen ein Flächenstrahl der Ultraviolettbestrahlung auf die Bahn einfällt.
Beim Ultraviolettrocknen muß die Anwesenheit von Sauerstoff in der Atmosphäre, unter
welcher die Bahn bestrahlt wird, vermieden werden, da Sauerstoffgas eine Affinität
für Radikale besitzt, die in der Farbe oder Druckerschwärze durch die Bestrahlung
gebildet werden. Der Druck, bei welchem die Bestrahlung erfolgt, ist dagegen nicht
kritisch, da eine sehr geringe Schwächung eines Ultraviolettstrahles stattfindet,
wenn er bei seiner Wanderung durch Gase hindurch die vergleichsweise kurzen Strecken
zurücklegt. Die Kammern 3 und 10 können also so verbunden werden, daß eine inerte
Atmosphäre entlang des Bestrahlungsbereiches aufrechterhalten wird, wie z.B. eine
Stickstoff-, Argon- oder Kohlenstoffdioxydatmosphäre. Zu diesem Zweck kann zumindest
eine der Kammern 3 und 10 mit einem Zylinder mit komprimiertem Gas verbunden werden,
der Gas in die Anordnung
hineinpumpen wird, statt sie mit einer
mechanischen Pumpe zu verbinden, die Gas aus der Anordnung herauspumpt. Das Ultraviolettaushärten
oder -trocknen kann selbstverständlich genau wie das Elektronenstrahltrocknen unter
Niederdruckbedingungen unter Verwendung von Evakuierungspumpen durchgeführt werden,
bis genügend Sauerstoff aus der Umgebung des Bestrahlungabereiches beseitigt worden
ist. Die Anwendung der erfindungsgemässen Kaskadenpumpenmethoden zum Trocknen von
durch Bestrahlung aushärtbarer Druckerschwärze hat den Vorteil, daß die Verwendung
grosser Gas- oder Vakuumkammern vermieden wird, welche die Walze, auf welcher das
Papier trocknete, umschliessen müßten. Durch solche Anordnungen können auch die
Probleme der Verschmierung der Druckerschwärze überwuiden werden, welche die Verwendung
der meisten Formen der herkömmlichen Vakuum- oder Gasabdichtung verhindern.
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Es leuchtet ein, daß eine erfindungsgemäße Ausführungsform zum Bearbeiten
eines Werkstücks mit einem Laserstrahl verwendet werden kann, falls a,B, die Elektronenschleuder
der in den Fig 1 und 4 dargestellten Anordnungen durch entsprechende Laservorrichtungen
ersetzt werden, die angeordnet sind, um Laserarmitsstrahlen in Richtung auf die
Auftreffpunkte 7 zu richtet Zusätzlich zur Verwendung von Electronen-, Lasers und
Ultraviolettarbeitsstrah1en zonen auch erfindungsgemässe Ausführungsforman mit Schweißelektroden
Verwendung finden So kann z.b. eine Schweißelektrode in der Kammer 3 der Anordnung
nach Fig. 1 o so angeordnet sein, daß ihr freies Ende in der Umgebung dar Öffnung
8 liegt und somit ein Lichtbogen auf der Werkstückoberfläche neben dieter Uffnung
gebildet wird, wobei die £lektronenschleuder durch die erforderlichen Befestigungs-
und Verbindunganordnungen
für die Elektrode ersetzt wird.
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Patentansprüche: